Berekende risico's: hoe straling regels voor bemande Mars-verkenning

Bijna alles wat we weten over de blootstelling aan straling tijdens een reis naar Mars hebben we de afgelopen 200 dagen geleerd.

Al veel langer weten we dat ruimte een risicovolle plek is om te zijn, straling is een van de vele redenen. We geloofden dat als onze ontdekkingsreizigers veilig op het oppervlak van Mars zouden landen, de planeet bescherming zou bieden tegen de verwoestingen van straling. Tot kort geleden hebben we niet veel of weinig gedaan. Straling en zijn variaties beïnvloeden niet alleen de planning van menselijke en robotmissies, maar ook de zoektocht naar het leven dat nu plaatsvindt.

De allereerste stralingsmetingen van het oppervlak van een andere planeet werden vorige maand gepubliceerd in het tijdschrift Science. De les om mee naar huis te nemen, evenals de les om daar te komen en de verblijf-daar les, is deze: vergeet niet je afscherming in te pakken. [Marsbestraling bedreiging voor astronauten verklaard (Infographic)]

"Straling is de enige omgevingskenmerk waar we op Aarde niet veel ervaring mee hebben, omdat we worden beschermd door onze magnetosfeer en relatief dichte atmosfeer. Maar het is een dagelijks feit van het leven op Mars," zei Don Hassler, de leider auteur op het papier, "Mars 'Surface Radiation Environment, gemeten met de Curiosity Rover van het Mars Science Laboratory."

Straling op Mars meten

Op Aarde associëren we vaak blootstelling aan straling met de gevolgen van catastrofes zoals Tsjernobyl en Fukushima. We maken ons soms zorgen over CAT-scans, thoraxfoto's of transcontinentale vluchten. Volgens de Health Physics Society is de grootste bron van straling voor de meesten verreweg radon. De lucht boven onze hoofden en de aarde onder onze voeten zijn typisch de minste van onze zorgen.

In de open ruimte hebben mensen voortdurend te maken met intense zonne- en kosmische achtergrondstraling. Zonne energetische deeltjes (SEP's) en galactische kosmische straling (GCR's) zetten een reis naar Mars om in een radiodouche van zes maanden.

De Mars rover Nieuwsgierigheid heeft ons in staat gesteld om eindelijk een gemiddelde dosis te berekenen tijdens de 180-daagse reis. Het is ongeveer 300 mSv, het equivalent van 24 CAT-scans. Bij het bereiken van Mars zou een ontdekkingsreiziger worden blootgesteld aan meer dan 15 keer een jaarlijkse stralingslimiet voor een werknemer in een kerncentrale.

Gegevens uit nieuwsgierigheid toonden ook aan dat de landing het probleem slechts gedeeltelijk oplost. Eenmaal op het oppervlak van Mars is de kosmische straling van de andere kant van de planeet geblokkeerd. Hierdoor worden gedetecteerde GCR's gehalveerd. De bescherming tegen sterke zonnedeeltjes is echter slordig en inconsistent. Aanzienlijke variaties in SEP's treden op als de schamele Mars-atmosfeer wordt bewogen door zonnewind.

"De variabiliteit [in stralingsniveaus] was veel groter dan verwacht," zei Hassler. "[Dit creëert] variabiliteit in wekelijkse en maandelijkse dosistarieven en er zijn ook seizoensgebonden variaties in straling."

Studie co-auteur Jennifer Eigenbrode, van het Goddard Institute of Space Studies, beschreef hoe fluxen in straling cruciaal zijn in het bepalen van de mogelijkheid van leven op de Rode Planeet.

"Straling is waarschijnlijk de sleutelparameter bij het bepalen van de mate waarin organische veranderingen in de rotsen op het oppervlak optreden, "zei Eigenbrode.

Eigenbrode zei dat dit komt omdat de krachtigste deeltjes in de lucht ook de Mars bodem binnendringen. Bij impact op het oppervlak produceren de GCR's en sterke SEP's uit de ruimte gammastralen en neutronen die gemakkelijk moleculaire bindingen in de bodem kunnen verbreken.

Deze gebeurtenissen hebben mogelijk alle sporen van leven dicht bij het oppervlak weggevaagd. De nieuwe studie schat dat het vinden van intacte organische moleculen betekent dieper graven, een meter of zo, en graven naar nieuwer bewijs, in de buurt van impactsites waar rock minder tijd aan de elementen heeft blootgesteld. [The Search for Life on Mars (A Photo Timeline)]

"Als we organische stoffen op Mars vinden, zal de omstandigheid waarin we ze vinden [de context van de rotsen], de geschiedenis van de rotsen en de chemie die we vinden, helpen onze missiestrategie te sturen," zei Eigenbrode.

Stralingsniveaus gemeten met nieuwsgierigheid hebben ons een betere gids gegeven over hoe en waar te zoeken naar vroeger of huidig ​​leven. Het toekomstige leven, met name het leven van onze astronauten, hangt ook af van deze stralingsmetingen.

Fundamenteel, "situationeel bewustzijn is de strategie die we in de toekomst moeten gebruiken", zei Hassler. "We kunnen schuilplaatsen op het oppervlak ontwerpen om de astronauten te beschermen."

Diepe ruimte, de plek met de grootste blootstelling, blijft een probleem.

"Misschien is een van de gebieden die ze het meest kwetsbaar zouden zijn tijdens een ruimtewandeling [op weg] naar Mars."

Voorspellen van ruimteweer

Op doorreis en op de planeet betekent overlevende ruimte het voorspellen van ruimteweer. Ruimteweervoorspelling is een relatief nieuw veld, maar een dat van cruciaal belang is voor alle ruimtemissies.

Ruimteweervoorspelling omvat het voorspellen van zonnevlammen, coronale massa-uitstoot en aardmagnetische stormen. Deze zeer energieke gebeurtenissen komen voort uit de zon. Wanneer ze de baan van een planeet oversteken, kunnen dezelfde SEP's die organische stoffen aanvallen een ramp betekenen voor satellieten, ruimtestations, astronauten en de communicatiesystemen waar ze allemaal afhankelijk van zijn.

"Ter bescherming van onze satellieten wordt hier op aarde steeds belangrijker," zei Hassler.

Het beschermen van satellieten en mensen rond de aarde en Mars heeft waarschijnlijk te maken met het opzetten van twee afzonderlijke systemen. Het gebruik van op aarde gebaseerde technologieën om de stralingsniveaus op Mars te voorspellen is niet de beste keuze. De afstand en oppositie van de planeten verergert het probleem. Als Mars aan de andere kant van de zon staat, is het zelfs geen optie.

"Wanneer we astronauten naar Mars sturen, zullen we onze eigen ruimteweermonitoring vanaf [Mars] moeten doen", zei Hassler.

Van onder de beschutting van de ruime atmosfeer van de Aarde, blijven we dagelijkse updates ontvangen van Curiosity. Zijn 3-ponds Radiation Assessment Detector (RAD) -instrument informeert ons over de oppervlakte-stralingsgebeurtenissen, het deeltjestype en de relatieve frequenties. Voorlopig is RAD de enige manier om Mars-straling te bestuderen en plannen te maken voor de toekomst.

In de toekomst zal wat we van RAD hebben geleerd, gebruikt worden om beter naar het leven aan de oppervlakte te zoeken, pakken en habitats te ontwerpen, extravehicular activiteiten te plannen. Vanwege wat we hebben geleerd, kunnen we beginnen met het opstellen van weersvoorspellingssystemen. We kunnen ontdekkingsreizigers vertellen dat er een verhoogd risico op kanker is geassocieerd met een reis naar Mars (ongeveer 5 procent over een levensduur).

Op deze manier bestuurt straling het verleden, het heden en de toekomst van effectieve planetaire verkenning. Dankzij RAD-metingen en de resulterende analyse kunnen we beginnen met het schrijven van een overlevingsgids voor het leven op Mars.

Financiering door Goddard en JPL.