Jak chránit kosmonauty před radiací?

Již v nejbližších letech by se po dlouhé době měli lidé opět vypravit mimo ochranná křídla zemského magnetického pole do vzdáleného vesmíru. Budou tak daleko více vystaveni kosmickému záření a radiaci. Intenzivně se tak pracuje na metodách, jak je chránit. Podívejme se, co víme o radiačních podmínkách ve vesmírném prostoru, na Měsíci i na Marsu. A jak můžeme zajistit ochranu kosmonautů v těchto místech.

Lunární orbitální stanice Gateway a vesmírná loď Orion se budou pohybovat mimo ochranou vrstvu zemské magnetosféry

Lunární orbitální stanice Gateway a vesmírná loď Orion se budou pohybovat mimo ochranou vrstvu zemské magnetosféry
Zdroj: NASA

Již na konci tohoto roku nebo začátku roku příštího by se kosmická loď Orion měla vypravit směrem k Měsíci. První její let s názvem Artemis 1 bude bezpilotní, ale již dalšího se zúčastní kosmonauté. Poprvé od doby ukončení programu Apollo se tak člověk vydává mimo ochranná křídla zemského magnetického pole. První expedice programu Artemis budou kratší, i když předpokládané čtyři týdny nejsou úplně krátké, Později po zprovoznění stanice Deep Space Gate na dráze okolo Měsíce to budou pobyty dlouhodobější. Pokud se kosmonauté vydají k Marsu, budou muset pobývat v meziplanetárním prostředí déle než rok. Je tak potřeba řešit jejich ochranu před zářením.

Kosmické záření

Vesmírný prostor je vyplněn kosmickým zářením, které bylo objeveno Viktorem F. Hessem v roce 1912. Připomeňme, že jeho balón startoval z Ústí nad Labem, kde byl k dispozici plyn pro jeho plnění. Velice podrobně jsou historie a vlastnosti kosmického záření i možnosti, jak čelit jeho rizikům, ve starším přehledovém článku. Podle původu jsou dvě komponenty kosmického záření. První je sluneční záření, které dominantně tvoří protony nižších energií pod 100 MeV. To má velmi vysokou intenzitu. Částice s vyšší energií vznikají ve slunečních erupcích a je velmi proměnné v závislosti na sluneční činnosti. Druhou komponentou je galaktické a extragalaktické kosmické záření. To má energii přesahující stovku megaelektronvoltů a dosahující až extrémně vysoké energie 1022 eV. Ovšem s energií klesá jeho intenzita exponenciálně, takže jeho dominantní část tvoří relativistické protony s energií stovek megaelektronvoltů až jednotek gigaelektronvoltů. Jeho intenzita se také mění se sluneční aktivitou, ovšem. Galaktické kosmické záření je totiž vytlačováno slunečním větrem a sluneční magnetosférou, kterou vytváří. Pokud má energii nižší než 100 MeV, tak do blízkosti Země nepronikne. V době slunečního minima je intenzita extrasolárního záření maximální a naopak.

Dominantní komponentou kosmického záření jsou protony. Ty pocházejí ze dvou zdrojů. Protony s nižší energií, ale vysokou intenzitou pochází ze Slunce. Ty z vyšší i velmi vysokou energií jsou galaktického a extragalaktického původu. Sluneční kosmické záření je velmi proměnlivé a silně závisí na fázi slunečního cyklu. Plná čára ukazuje spektrum galaktického záření v době minima a maxima sluneční aktivity. Přerušované čáry ukazují příklady spektra slunečního záření. To je velmi proměnné v závislosti na sluneční činnosti.

Dominantní komponentou kosmického záření jsou protony. Ty pocházejí ze dvou zdrojů. Protony s nižší energií, ale vysokou intenzitou pochází ze Slunce. Ty z vyšší i velmi vysokou energií jsou galaktického a extragalaktického původu. Sluneční kosmické záření je velmi proměnlivé a silně závisí na fázi slunečního cyklu. Plná čára ukazuje spektrum galaktického záření v době minima a maxima sluneční aktivity. Přerušované čáry ukazují příklady spektra slunečního záření. To je velmi proměnné v závislosti na sluneční činnosti.

Složení kosmického záření odpovídá zastoupení různých atomů ve vesmíru. Dominují protony, kterých je okolo 90 %, okolo 8 % je heliových jader a zbytek je okolo procenta. Kromě iontů je třeba kosmonauty chránit před elektrony a zářením gama. Různé typy záření je třeba stínit různým způsobem. Je přitom nutné vzít v úvahu i energii příslušného záření. Nabité částice lze ovlivnit magnetickým polem, u neutrálních to nelze. Podívejme se na interakce různých typů částic.

Interakce záření s hmotou

Gama záření interaguje třemi procesy, kterými předává energii elektronu, případně pozitronu. Prvním je fotoefekt, který dominuje pro energie do stovek kiloelektronvoltů. Při něm předá foton gama veškerou svou energii elektronu v atomovém obalu a ten letí pryč. Druhým je Comptonův rozptyl. Při něm se foton rozptýlí na elektronu a předá mu část energie. Tento jev převažuje pro energie od stovek kiloelektronvoltů do jednotek megaelektronvoltů. Pro energie desítky megaelektronvoltů a vyšší převažuje tvorba párů elektron a pozitron. Na ten se přemění foton gama v poli jádra při průletu materiálem. U všech tří procesů roste silně jejich pravděpodobnost s atomovým číslem materiálu, ve kterém se fotony pohybují.

Elektron při průchodu materiálem ztrácí energii dvěma procesy. Prvním je ionizace, kdy elektron interaguje s elektrony v atomovém obalu a ty atom opouštějí. Tyto ztráty energie nazýváme ionizačními. Druhý začíná dominovat pro vysoké energie, které překračují určitou kritickou hodnotu. Jde o produkci brzdného záření gama. Tyto ztráty pak nazýváme radiačními. Ionizační i radiační ztráty rostou s atomovým číslem materiálu, ve kterém se elektrony pohybují.

Pokud má elektron velmi vysokou energii, dominuje u něj produkce brzdného záření, při které se produkují fotony gama s velmi vysokou energií. U nich dominuje produkce párů elektronu a pozitronu, které pak produkují brzdné záření. Rozvíjí se tak tzv. elektromagnetická sprška u niž neustále roste počet fotonů gama, elektronů a pozitronů, dokud se původní energie nerozmělní tak, že elektrony a pozitrony interagují ionizací a fotony Comptonovým rozptylem a fotoefektem. Podobná elektromagnetická sprška vzniká i v případě, pokud je na začátku foton gama s velmi vysokou energií.

Jak bylo zmíněno, interakce elektronů i záření gama je intenzivnější pro materiály z těžších chemických prvků. Proto je třeba pro stínění ideální olovo. Ovšem i ocel a hliník nejsou špatné. Pokud jsou energie nižší, stačí znát a využít potřebnou tloušťku. K tomu přidat ještě vrstvičky z materiálů s postupně se snižujícím atomovým číslem, které pohltí charakteristické rentgenové fotony vznikající při záchytu elektronu iontem a zaplnění volného místa v atomovém obalu vzniklém při fotoefektu. Při vzniku elektromagnetické spršky pak je potřeba mít dostatečně velkou tloušťku, aby se sprška nejen stačila rozvinout, ale aby se i pohltila. Kdyby byla tloušťka menší, mohl by být účinek vzniklé spršky na člověka větší, než původního elektronu nebo fotonu gama.

Intenzivním zdrojem kosmického záření jsou velké sluneční erupce

Intenzivním zdrojem kosmického záření jsou velké sluneční erupce
Zdroj: NASA

Nabité ionty od protonů k těm těžším ztrácejí energii ionizací. Ztráty rostou s kvadrátem náboje iontu a lineárně s atomovým číslem materiálu. Pro nižší energie protonů tak jsou pro zastavení a absorpci iontů v materiálu vhodné těžké prvky. Problém však nastává v případě, že energie iontu bude vyšší než stovka megaelektronvoltů. Takové se označují za relativistické ionty a mohou jádro tříštit. Při tříštivých reakcích se předá některým z jeho nukleonů relativistická energie a schopnost realizovat s jádry další tříštivé reakce. Zároveň se při dostatečně vysoké energii mohou produkovat nové mezony nebo dokonce páry nukleonu a antinukleonu. Při průletu iontů s vysokou energií se tak v materiálu rozvíjí hadronová sprška složená z protonů, neutronů a s energií rostoucí příměsí mezonů, antiprotonů a antineutronů. Rozvinutá hadronová sprška může mít dramaticky větší škodlivý dopad na kosmonauta, než je tomu při průletu původní vysokoenergetické částice. Pravděpodobnost tříštivé reakce i počet produkovaných hadronů, hlavně neutronů, je mnohem menší u lehkých prvků. Ideální v tomto směru je vodík.

Pro stínění galaktického kosmického záření tak jsou ideální organické materiály, například polyetylén. Ty jsou složeny z lehkých prvků a mají vysoký podíl vodíku. Vodík a lehké prvky jsou také ideální pro zpomalování (moderování) neutronů. Pokud se přidá ještě příměs izotopů, které dobře absorbují termální neutrony, jako je třeba bór nebo kadmium, mohou plasty ideálně stínit i před neutrony vznikajícími v jaderných reakcích iontů z kosmického záření.

Čeští fyzikové se podílejí i na dozimetrických měřeních v evropském modulu Columbus, jehož umístění je vidět na schématu ISS

Čeští fyzikové se podílejí i na dozimetrických měřeních v evropském modulu Columbus, jehož umístění je vidět na schématu ISS
Zdroj: NASA

Vhodná kombinace vrstev z těžkých materiálů i organických hmot tak může chránit před všemi složkami kosmického záření. Důležité je, aby v těchto ochranných vrstvách nebyly izotopy prvků, u kterých se v reakcích kosmického záření mohou produkovat dlouhodobější radioaktivní nuklidy.

Biologické účinky kosmického záření

Ionizující částice mohou poškodit buňky přímou ionizací. Slaběji ionizující elektrony většinou poškodí jen jedno vlákno DNA, což může buňka opravit. Silně ionizující ionty mohou poškodit obě vlákna a příslušná DNA se už opravit nedokáže. Buňka tak odumře nebo může dojít k jejímu přerodu v rakovinnou buňku. Biologické účinky iontů jsou tak škodlivější. Vážné dopady má však i sekundární ionizace. Při ionizaci se totiž produkují volné radikály, které pak poškozují DNA. Většinu takových poškození dokáže sice buňka opravit, ale nesmí jich být moc. Právě studiem a popisem biologických účinků různého typu radiace na buněčné kultury se s využitím našich urychlovačů i velkých urychlovačů v SÚJV Dubna zabývají kolegové Oddělení dozimetrie záření Ústavu jaderné fyziky AV ČR. A to nejen z důvodu poznání rizika kosmického záření, ale i efektivního a bezpečného využití svazků iontů pro ozařování nádorů.

Rozmístění dozimetrů v evropském modulu Columbus na ISS v rámci projektů DOSIS a DOSIS 3D

Rozmístění dozimetrů v evropském modulu Columbus na ISS v rámci projektů DOSIS a DOSIS 3D
Zdroj: ESA

Energii deponovanou zářením v materiálu popisuje veličina dávka, ta udává velikost předané energie na jednotku hmotnosti materiálu. Její jednotkou je gray [Gy=J/kg]. Dávka obdržená za časovou jednotku se označuje jako dávkový příkon. Biologické účinky však nemusí odpovídat deponované energii. Mohou se lišit v závislosti na typu záření a jeho energii i charakteru tkáně, která je záření vystavena. Biologické účinky tak popisují veličiny, jako je ekvivalentní a efektivní dávka. Při jejich určení musíme dávku vynásobit faktorem, který bere v úvahu biologické účinky daného záření. Jedna je to pro fotony a elektrony všech energií. Zároveň je potřeba započíst faktor oceňující citlivost konkrétní tkáně a její váhu v lidském organismu. Tyto fyzikální veličiny nejsou přímo měřitelné a počítají se z naměřené dávky a znalosti záření i ozářené tkáně. Jejich jednotkou je sievert [Sv].

Jak bylo zmíněno buňky i jednotlivé tkáně a celé organismy mají schopnost regenerace. Takže biologické dopady závisí nejen na velikosti dávky, ale také do jakého časového intervalu je rozložena. Nemoc z ozáření tak sice propuká už u efektivní dávky mezi 1 až 2 Sv, ale jen v případě rychlého ozáření, jako tomu bylo například u hasičů v Černobylu. Pokud se taková efektivní dávka rozloží do dvou let, které má trvat výprava na Mars a zpět, vede pouze k jistému omezenému zvýšení rizika vzniku rakoviny v budoucnosti, které je srovnatelné s jinými riziky plynoucími z životního stylu.

Podmínky v různých koutech našeho vesmírného okolí

Než se podíváme na radiační podmínky ve vesmíru, ukažme si dávky z přirozeného pozadí, kterému jsme vystaveni na Zemi. Připomeňme, že část přírodní radioaktivity na Zemi vzniká při interakci primárního kosmického záření v atmosféře. Při ní se produkují zmíněné hadronové a elektromagnetické spršky. Mezony vznikající v hadronové spršce se mohou rozpadat za vzniku mionů, které dolétají až na zemský povrch a pronikají i pod něj. Interakcí kosmického záření v atmosféře vznikají i radionuklidy. Další radionuklidy vznikají v rozpadových řadách dlouhodobých radionuklidů, které zde vydržely od vzniku Sluneční soustavy. Jde o uran 238 a 235, thorium 232 a draslík 40. To, jaké dávce z přírodního pozadí jsme vystaveni, závisí na nadmořské výšce a zeměpisné šířce v případě kosmického záření. Geologické podloží pak určuje velikost radioaktivního pozadí z kosmogenních radionuklidů na Zemi.

Střední efektivní dávka z přírodního pozadí je v Česku okolo 2,5 mSv za rok. V Evropě je nejnižší ve Velké Británii, kde je okolo 1 mSv za rok. Větší je ve Finsku, kde může být i 10 mSv za rok. Jsou tam i místa, kde je to až 20 mSv. V Indii a Brazílii jsou kvůli nalezištím thoriových rud oblasti s roční efektivní dávkou z přírodního pozadí až okolo 100 mSv za rok a v iránském Mazandaránu je to až 400 mSv za rok. A je třeba říci, že se v těchto regionech nepozoruje negativní vliv této radiace na zdravotní stav obyvatel.

Na zemském povrchu jsme před kosmickým zářením chránění zemskou atmosférou a magnetosférou. Kosmické lodě a stanice ISS jsou sice mimo zemskou atmosféru, ale stále je chrání magnetické pole Země. K tomu, aby pronikly protony kosmického záření přes magnetické pole do atmosféry Země, potřebují energii převyšující jeden gigaelektronvolt. Dávkový příkon, kterému jsou vystavení kosmonauté, silně závisí na sklonu dráhy a její výšce. Pokud se dostávají blíže k pólům, mohou prolétat i okraji Van Allenových pásů. To vede k nárůstu obdržené dávky.

Je pochopitelné, že obdržené dávky závisí velmi silně i na sluneční aktivitě v dané době a také na míře ochrany, kterou poskytuje použité kosmické plavidlo. Následující čísla jsou tak jen velmi přibližná. Na velmi nízkých drahách s malými sklony jsou efektivní dávky v řádu desítek mSv, s velkými sklony pak mezi 100 až 200 mSv za rok. Vesmírná stanice ISS je ve výšce zhruba 400 km. Zde je roční efektivní dávka mezi 200 až 400 mSv. Při cestě například k Měsíci je potřeba dávat pozor na to, aby vybraná trajektorie zajistila rychlý průlet Van Allenovými pásy. Ve vesmíru mimo ochranou náruč zemského magnetického pole je roční efektivní dávka okolo 500 mSv. Lety projektu Apollo k Měsíci byly jen krátkého trvání. Zároveň byla snaha o co nejkratší průlet Van Allenovými pásy a vybíraly se termíny bez vysoké sluneční aktivity. Celkové dávky, které američtí astronauté obdrželi, byly zhruba od 2 do 12 mGy.

Dozimetrický systém čínského přistávacího měsíčního modulu Čchang-e 4. Díky němu máme informace o dozimetrické situaci na odvrácené straně Měsíce

Dozimetrický systém čínského přistávacího měsíčního modulu Čchang-e 4. Díky němu máme informace o dozimetrické situaci na odvrácené straně Měsíce
Zdroj: Robert F. Wimmer-Schweingruber et al, arXiv:2001.11028v1

Měsíc nemá ani atmosféru a ani magnetické pole. Pokud se budou kosmonauté pohybovat po jeho povrchu, zhoršuje situaci i interakce kosmického záření s regolitem a intenzivní produkce neutronů v tříštivých srážkách. Obdržené dávky tak mohou být i vyšší, než je tomu ve volném prostoru. To je důvod, proč se uvažuje na Měsíci s využitím podzemních stanic. Šlo by buď o zakopané budovy pokryté měsíčním regolitem nebo stanice vybudované v podzemních lávových tunelech. Pro budoucí měsíční expedice a práci na jeho povrchu je potřeba získat podrobnější dlouhodobá měření. První krok k nim nedávno udělali Číňané (podrobnosti o čínském programu zdezde). Na přistávacím modulu Čchang-e 4 (Chang’e), který přistál 3. ledna 2019 na odvrácené straně Měsíce, je dozimetrické zařízení LND (Lunar Lander Neutron and Dosimetry). Je založeno na deseti polovodičových křemíkových detektorech. První měření proběhla po přistání v lednu a únoru 2019. Střední dávkový příkon byl 1,37 mGy za den, což odpovídá roční dávce 500 mGy. Je třeba připomenout, že zde není žádné stínění. Na druhou stranu jde o ionty a neutrony a jejich biologické dopady jsou násobné oproti záření gama a elektronům.

Cesta na Mars

Záznam měření dávkového příkonu systémem MARIE na oběžné dráze okolo Marsu. Jsou použity jednotky mrad/den. Platí, že 1 mSv/den = 100 mrad/den.

Záznam měření dávkového příkonu systémem MARIE na oběžné dráze okolo Marsu. Jsou použity jednotky mrad/den. Platí, že 1 mSv/den = 100 mrad/den.
Zdroj: NASA

Velmi pěkná měření dozimetrické situace při přeletu ze Země na Mars a na jeho oběžné dráze provedla sonda Mars Odyssey, která startovala 7. dubna 2001 a na dráhu okolo Marsu se dostala 24. října 2001. Dozimetrické zařízení MARIE (Mars Radiation Environment Experiment) pracovalo až do 28. října 2003, kdy ho zničila velmi silná sluneční erupce. Naměřená střední roční efektivní dávka byla mezi 400 až 500 mSv. Během té doby bylo pozorováno několik velmi intenzivních slunečních erupcí.

Pokud se týká Marsu, tak ten sice nemá magnetické pole, ale disponuje atmosférou, i když je méně hustá a rozsáhlá. Na jeho povrchu je intenzita kosmického záření snížena zmíněnou atmosférou zhruba na polovinu. Velmi silně závisí na tloušťce a hustotě atmosféry, tedy i na jejím tlaku na povrchu. Ten se mění během marsovského dne i marsovského roku. Tlak a dávkový příkon jsou v antikorelaci. Velice pěkná systematická měření dozimetrické situace provádí vozidlo Curiosity pomocí přístroje RAD. Důležité je, že souběžně se provádí studium stavu atmosféry meteostanicí na vozidle.

Selfie vozidla Curiosity s označením dozimetrického systému RAD

Selfie vozidla Curiosity s označením dozimetrického systému RAD
Zdroj: NASA

Během dne se pozorovaly změny dávkového příkonu o velikosti několika procent. Během let 2012 a 2013 se pozorovala střední hodnota dávkového příkonu, která by vedla k roční dávce okolo 75 mGy. Záření se dominantně skládá z iontů a neutronů. Zjištěná dávka by tak odpovídala zhruba roční efektivní dávce 230 mSv. Vozidlo Perseverance má také meteorologickou stanici, která umí měřit i radiaci. Ta začala pracovat velmi brzy po přistání vozidla (podrobněji zde). Nyní tak máme podrobná měření dozimetrické situace i počasí v daném místě ve dvou oblastech Marsu. Získaná data budou velmi důležitá pro poznání vývoje dávkového příkonu v závislosti na ročním období na Marsu, změnách v jeho atmosféře i sluneční aktivitě. Takové znalosti jsou klíčové pro přípravu kosmonautů a jejich ochrany před zářením při marsovské misi.

Srovnání měření a simulací dávkového příkonu určeného vozidlem Curiosity. Velká část jej vzniká v interakci kosmického záření s povrchem. Dominantně jde o protony a neutrony, takže efektivní dávkový příkon bude násobně vyšší. Sol je marsovský den.

Srovnání měření a simulací dávkového příkonu určeného vozidlem Curiosity. Velká část jej vzniká v interakci kosmického záření s povrchem. Dominantně jde o protony a neutrony, takže efektivní dávkový příkon bude násobně vyšší. Sol je marsovský den.
Zdroj: Myung-Hee Y. Kim et al, JGR Planets 119(2014)1311

Protiradiační vrstvy, speciální úkryty i oděvy

Zatím jsou nejčastěji využívány vrstvy materiálů, které dokáží záření co nejefektivněji pohlcovat. Proti rentgenovému a gama záření i elektronům pomáhají chránit kovové vrstvy konstrukce lodí. Před ionty s vyšší energií pak chrání vrstvy polyetylénu a jiných organických materiálů. Na stanici ISS existuje několik prostor, které jsou právě takovými vrstvami silněji chráněny. Například ty, kde kosmonauté spí nebo tam tráví větší časová období. Ke stínění se využívají zásoby, které kosmonauté skladují pro zajištění svého pobytu. Velmi často jsou to organické materiály nebo látky s vysokým obsahem vody, které lze efektivně využít ke stínění před ionty s vysokými energiemi.

Nejlepší konfigurace rozložení materiálů je možné zjišťovat pomocí simulací využívající Monte Carlo výpočetní programy. Ty však mají nejistoty, proto je třeba jejich přesnost ověřovat dozimetrickými měřeními na stanici. Současně je sledována obdržená efektivní dávka u jednotlivých kosmonautů. Do výzkumu spojeného s dozimetrickým monitorováním situace na vesmírné stanici ISS jsou zapojeni přes evropskou vesmírnou agenturu ESA i spolupráci s ruským vesmírným programem kolegové z Oddělení dozimetrie záření. Zaměřují se na využití pasivních termoluminiscenčních a plastikových stopových detektorů. Monitorují tak dozimetrickou situaci v různých místech stanice a studují vliv využití různých zásobních materiálů k dodatečné ochraně před kosmickým zářením. Testovaly se například možnosti využití zásob vody a zvlhčených ubrousků a ručníků ke stínění jejich vhodným uložením.

Srovnávací studie dávkového příkonu v místech na ISS, která byla střídavě chráněna zásobními nádobami s vodou a bez této ochrany. Oranžově označena jsou chráněná místa, bílá jsou bez dodatečné ochrany, modrá jsou pak skleněná okna ze stanice.

Srovnávací studie dávkového příkonu v místech na ISS, která byla střídavě chráněna zásobními nádobami s vodou a bez této ochrany. Oranžově označena jsou chráněná místa, bílá jsou bez dodatečné ochrany, modrá jsou pak skleněná okna ze stanice.
Zdroj: Kodaira et al, Adv. Space Res. 53 (2014)1-7

Kolegové se tak zapojili do projektů DOSIS a DOSIS-3D (Dose Distribution Inside the International Space Station), které využívaly soubory pasivních dozimetrů pro sledování situace v evropském modulu Columbus. Stejně tak se využívají aktivní dozimetry, například ty založené na systému timepix. Ve spolupráci NASA, Rosatomu a ESA se tak realizuje 3D dozimetrická mapa stanice ISS. Kolegové vycházejí i ze zkušeností, které získali studiem kosmického záření ve vysokých výškách na Zemi, monitorováním posádek českých letadel a realizací letů stratosférických balónů. Stejně tak mají své dozimetrické přístroje na některých vesmírných sondách studujících kosmické záření a jeho vliv.

Ke sledování biologických dopadů kosmického záření na kosmonauty na ISS se využívají i dozimetrické antropomorfní fantomy, které jsou z materiálů, které mají podobné prvkové složení a rozložení, jako různé orgány a tkáně v lidském těle a simulují jeho dozimetrické vlastnosti. V takovém fantomu je velký počet dozimetrů. I na těchto měřeních se podílí pracovníci z Oddělení dozimetrie záření například v rámci projektu Matroshka-R. Během tohoto projektu se v letech 2009 až 2011 zkoumala v ruském modulu efektivní dávka antropomorfního mužského fantomu Rendo dodaného Německou kosmickou agenturou. Podobné fantomy se využívají i při simulaci dopadů radiace na různé tkáně při ozařování pacientů v průběhu léčby rakoviny.

Maketa kosmické lodi Orion

Maketa kosmické lodi Orion
Zdroj: NASA

Vrstvy, které chrání před kosmickým zářením mají i stěny vesmírné lodi Orion, Zároveň je zde vytvořen i speciální prostor, který funguje jako úkryt v případě zhoršených radiačních podmínek nebo jiných situací, kdy je vhodná vyšší ochrana. Prostor se nachází v dolní části lodi, kde stěny zároveň tvoří tepelný štít, který chrání loď při návratu do zemské atmosféry. Plášť tak zde má více vrstev a chrání lépe i před průnikem kosmického záření. Jak už bylo zmíněno, dodatečné vrstvy materiálů se vytvářejí ze zásobníků vody a jiných potřebných médií i dalších skladovaných materiálů a zařízení. Právě voda, plasty a další organické materiály jsou svým složení velmi vhodné k tomu, aby zachycovaly vysokoenergetické protony s potlačením rozvoje hadronové spršky a posílení její efektivní absorpce. Pro takové účely se hodí i organický odpad, který se během letu vytváří a je třeba jej také někde uskladnit. S podobným radiačně intenzivně chráněným prostorem se počítá i v Muskově meziplanetární lodi. I u ní se ke zvýšené ochraně nejspíše využijí zásoby i odpad.

Vesty AstroRad pro vesmírné lety mimo magnetosféru Země

Vesty AstroRad pro vesmírné lety mimo magnetosféru Země
Zdroj: Lockheed Martin/StemRad

Pro kosmonauty se připravují speciální obleky, které v případě potřeby a nemožnosti využít jiné ochrany zajistí zvýšenou ochranu před kosmickým zářením. Příkladem může být vesta AstroRad vyvinutá izraelskou firmou StemRad pro Izraelskou vesmírnou agenturu ISA. Ta se připravuje právě pro posádky lodí Orion. Jde u ní hlavně právě o zesílení pohlcování kosmických protonů a iontů z vysokými energiemi ze slunečních erupcí a galaktického záření. Využívají se tak vrstvy z polyetylénu. Při vývoji vesty se počítá se zesílenou ochranou citlivějších orgánů a tkání. Ty jsou různé u žen a u mužů. Vyvíjejí se tak speciální vesty pro muže a pro ženy. A právě vesty AstroRad pro ženy byly dopraveny na ISS při letu Cygnus NG-12 v listopadu 2019. Hlavním úkolem bylo provedení ergonomických testů, které by ukázaly, zda vesty nebrání kosmonautkám v pohybu a cítí se v nich příjemně.

Při prvním letu lodi Orion k Měsíci, který se označuje jako Artemis 1, nebudou na palubě kosmonauté. Budou tam však dva dozimetrické antropomorfní ženské fantomy. Jeden z nich s názvem Zohar bude mít vestu AstroRad a druhý Helga bude bez ní. Projekt MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment) je pokračováním již zmíněného projektu Matroshka. Důvodem výběru ženského fantomu je větší citlivost ženského těla k radiaci. Fantomy budou doslova prošpikovány hlavně pasivními dozimetry. Budou obsahovat tisíce senzorů, které budou analyzovat typ záření, obdrženou dávku a další parametry v různých místech. Prioritní budou plíce, žaludek, pohlavní orgány a kostní dřeň, které jsou k radiaci nejcitlivější. I na projektech spojených s letem Artemis 1 a jeho dozimetrickém monitorování se podílejí kolegové z našeho ústavu.

Testování antropomorfních dozimetrických fantomů

Testování antropomorfních dozimetrických fantomů
Zdroj: NASA/DLR

Magnetická ochrana

Náročnější možností ochrany před kosmickým zářením je vytvoření umělé magnetosféry kolem lodi. Jako příklad současného projektu k její realizaci může sloužit snaha americké vesmírné agentury NASA. Ta nyní pracuje na projektu vytvoření Magnetosférického dipolárního torusu (MDT). Takový tvar magnetického pole by byl ideální pro ochranu před nabitými částicemi kosmického záření. Velmi efektivně by odkláněl nabité částice kosmického záření v širokém intervalu energií a bránil jim v pronikání do obydlených částí kosmické lodi. Zároveň by minimalizoval vytváření sekundárních částic a umožňoval jejich zachycení. Jednalo by se o kruhovou konstrukci kolem obytných modulů, která by byla relativně jednoduchá a levná.

Příprava antropomorfního dozimetrického ženského fantomu

Příprava antropomorfního dozimetrického ženského fantomu
Zdroj: DLR

Během první fáze výzkumu byl vyvinut program pro simulaci 3-D pohybu částic galaktického kosmického záření včetně těžkých iontů v takovém poli. Model a program umožnily simulovat různé konfigurace magnetického pole, a právě magnetosférický dipolární torus se ukázal být nejlepší variantou.

V současné probíhající druhé fázi se model vylepší tak, aby dokázal simulovat i vznik radioaktivity v materiálech konstrukcí a také pokryl celé spektrum částic a energií galaktického kosmického záření. Předpokládá se v ní také konstrukce zmenšeného modelu magnetosférického dipolárního torusu a jeho testování na zemském povrchu s využitím kosmických mionů, které vznikají pří interakci primárního kosmického záření v atmosféře a pronikají až k zemskému povrchu.

Pokud se vývoj magnetického štítu ukáže být perspektivní a jeho testy budou úspěšné, mohl by se během následujících deseti let začít v další fázi testovat na oběžné dráze okolo Země, později i na dráze kolem Měsíce.

Umístění antropomorfních fantomů Helga a Zohar na palubě lodi Orion při letu Artemis 1

Umístění antropomorfních fantomů Helga a Zohar na palubě lodi Orion při letu Artemis 1
Zdroj: Lockheed Martin

Plány na vytvoření umělé magnetosféry chránící před galaktickým kosmickým zářením má nejen NASA. Ta spolupracuje s evropskou ESA, která využívá zkušenosti z vývoje magnetů pro urychlovače a částicové experimenty v laboratoři CERN. Klíčové pro rozvoj těchto pokročilých technologií je pokrok ve využití vysokoteplotní supravodivosti. Ta je nutná hlavně z důvodů energetické spotřeby magnetu. Zajistit vysoké výkonové nároky klasických elektromagnetů je ve vesmíru jen těžko realizovatelné.  A právě vývojem vysokoteplotních supravodivých magnetů se zabývají vědci a technici, kteří pracují na plánech velkých urychlovačů částic. Na podobných vizích pracuje také Rusko i Čína. Pro zajištění dostatku energie pro potřebné elektromagnety, ale i ke zrychlení cesty na Mars, které také sníží velikost efektivní dávky obdržené během cesty, přispěje využití jaderných zdrojů energie (zdezde).

Farmakologické posílení odolnosti a genetická vylepšení

Americká NASA i ruský Roskosmos uvažují také o možnosti biologických a genetických vylepšení, která by zvýšila odolnost organismů i člověka proti nežádoucímu vlivu radiace. Eticky méně problematické jsou antiradiační léky, které podporují regeneraci buněk i celého organismu zasaženého radiací. Zde je třeba porovnávat přínos daného léku s negativními zdravotními riziky, které některé z nich mají.

Větším problémem jsou zdravotní zásahy, kdy se do kryogenních schránek ukládají některé orgány nebo jejich části, například reprodukční orgány nebo kostní dřeň. Pokud tak kosmonauty při jejich letu nečekaně překvapí sluneční bouře a prodělají nemoc z ozáření, lze pomocí kryogenně uložených tkání a buněk alespoň některým zdravotním dopadům čelit.

Největší etické dilema pak přinášejí genetické zásahy do genofondu jednotlivých kosmonautů. Tam může být velkým problémem situace, kdy se takové změny mohou přenášet do dalších generací. Je známo, že citlivost různých lidí vůči radiačním dávkám se podle jejich genetické výbavy liší. Lze tak postupně zjišťovat, jaké geny k odolnosti vůči radiaci vedou. Kosmonauty pak lze vybírat podle toho, zda takové geny vlastní. Případně by v budoucnu bylo možné jim tyto geny předat.

Zobrazení orgánů, které má vesta chránit, v daných místech jsou vrstvy materiálů vhodně zesíleny.

Zobrazení orgánů, které má vesta chránit, v daných místech jsou vrstvy materiálů vhodně zesíleny.
Zdroj: StemRad

Ještě problematičtější je zavádění úplně cizích genů z jiných organismů, které jsou vůči radiaci mnohem odolnější, než jsou lidé. Extrémně odolné jsou například želvušky. Pomáhá jim i produkce unikátního proteinu. Případná zavedení genu pro produkci tohoto proteinu by tak mohla zlepšit odolnost lidí s touto změnou vůči radiaci. Testy implantace tohoto genu do kultury lidských buněk ukázala podle japonské studie publikované Takuma Hashimotou s kolegy zvýšení odolnosti proti ozáření rentgenovými paprsky o 40 %. Kromě etických problémů v tomto případě musíme také zjistit, zda daný gen i příslušný protein nemají negativní zdravotní dopady. Technicky se však taková možnost velice rychle přibližuje s pokrokem v nástrojích pro velmi cílené genetické manipulace pomocí takových nástrojů, jako je třeba CRISPR.

Zobrazení orgánů, které má vesta chránit, v daných místech jsou vrstvy materiálů vhodně zesíleny.

Zobrazení orgánů, které má vesta chránit, v daných místech jsou vrstvy materiálů vhodně zesíleny.
Zdroj: StemRad

Méně problematické je hledání lidských genů, které posilují odolnost proti radiaci. U kvasinek se podařilo najít několik genů, které pomáhají jejich vysoké odolnosti proti záření. Některé z nich mají analogy u člověka. To je důvod, proč i kvasinky poletí spolu s řasami, houbami i semeny rostlin při misi Artemis 1. V realitě vesmírného prostředí se tak ověří dosavadní poznatky získané na Zemi. Při tomto letu budou například následující tři specifické programy věnované této problematice. První bude studium fotosyntetických řas (Chlamydomonas reinhardtii) k určení důležitých genů, které se podílí na jejich přežití ve vesmíru a druhý pak bude studovat houbu Aspergillus nidulans k výzkumu účinku melaninu na ochranu před zářením. Třetí pak bude studovat zmíněné kvasinky a hledat specifické geny zvyšující jejich odolnost proti záření.

Ergonomické testy protiradiační vesty AstroRad probíhaly na vesmírné stanici ISS

Ergonomické testy protiradiační vesty AstroRad probíhaly na vesmírné stanici ISS
Zdroj: NASA

Roskosmos zahajuje v tomto roce úzkou spolupráci s několika ruskými biologickými a medicinskými ústavy při výzkumu v oblasti využití genetických manipulací pro zlepšení odolnosti kosmonautů proti radiaci v průběhu meziplanetárních letů. Je třeba zdůraznit, že zatím jde spíše o vylepšení organismů produkujících látky posilující odolnost nebo studie na úrovni buněčných kultur. Tedy ty, které z etického hlediska nepředstavují takový problém. I tak se dá předpokládat, že jde o náročnou a dlouhou cestu. Je to dáno nutností velmi přísného testování zdravotního rizika a náročností potenciálních klinických studií.

Závěr

Již v nejbližších letech se člověk vydá do vzdálenějšího vesmíru mimo ochranu zemské magnetosféry. Let Artemis 1 by mohl proběhnout už ve startovním okně od 23. listopadu do 10. prosince 2021. Další pak je od 21. prosince 2021 do 3. ledna 2022, třetí pak od 17. ledna do 30. ledna 2022. První let sice bude bez lidské posádky, na palubě však budou antropomorfní fantomy Helga a Zohar i některé organismy. Let Artemis 2, který proběhne nejdříve v září roku 2023, by však už měl být pilotovaný.

Využití ochrany pomocí umělé magnetosféry, nebo zvýšení odolnosti kosmonautů získanou genetických manipulací, je zatím mimo naše technické možnosti, takže se musíme spolehnout na ochranu pomocí stínění a pomocí pečlivého sledování dozimetrické situace. Kromě pečlivé konstrukce vesmírných lodí s ochrannými vrstvami proti slunečnímu i galaktickému kosmickému záření, se v nich počítá se silněji chráněnými úkryty. Ty budou pro dodatečné stínění využívat zásoby a odpad, který musí být na lodi v každém případě uskladněn. Jde velmi často o vhodný materiál obsahující lehké prvky vhodné pro stínění iontů s vyšší energií. Takový prostor má i vesmírná loď Orion. Zde se kosmonauté skryjí v případě hrozby vyšší intenzity kosmického záření. Stejně tak si mohou obléci speciální protiradiační vesty AstroRad, které se pro ně testují. Ověřovat se budou i při zmíněném prvním letu lodě Orion s označením Artemis 1. Jeden z ženských fantomů bude s protiradiační vestou a druhý bez ní. I zkušenosti z tohoto prvního letu zlepší dozimetrickou ochranu budoucích živých kosmonautů a bezpečnost jejich práce na orbitě okolo Měsíce a v budoucnu i na jeho povrchu a při letu na Mars.

Lidskou výpravu a dlouhodobou přítomnost na této planetě vyhlašuje jako cíl i Čína. Nedávno pořídilo své selfie s přistávacím modulem čínské marsovské vozítko Zhurong

Lidskou výpravu a dlouhodobou přítomnost na této planetě vyhlašuje jako cíl i Čína. Nedávno pořídilo své selfie s přistávacím modulem čínské marsovské vozítko Zhurong
Zdroj: CNSA

Organizace NASA se na blízký příchod expanze do vzdálenějšího vesmíru chystá velmi intenzivně. Součástí přípravy je i revize limitů na možné profesní efektivní dávky u astronautů, které jsou u této organizace nastaveny velice přísně. Jsou odstupňovány podle pohlaví a věku, a zvláště pro mladé ženy jsou velice nízké. U astronautek do 35 let je to 120 mSv. U astronautů od 50 let pak 400 mSv. Ve srovnání s jinými vesmírnými organizacemi je má nastaveny níže. I přes snížení efektivní dávky pomocí stínění a dalšími popsanými opatřeními bude nutné se v případě letu na Mars přiblížit k hodnotě jednoho sievertu.

Kosmické záření a biologické účinky radiace představují významné riziko pro lety mimo zemskou magnetosféru. Jak jsem se však snažil ukázat, jde o riziko řešitelné. Alespoň pokud se zaměříme na lety k Měsíci a Marsu. Můžeme se tak těšit, že se měsíční a marsovské výpravy v relativně blízké budoucnosti uskuteční. Může nás těšit, že se na této expanzi lidí do prostoru mimo zemskou magnetosféru podílejí i čeští odborníci na dozimetrii. Na to, jaké jsou podmínky ve vzdálenějším vesmíru, tedy u velkých planet Sluneční soustavy, v mezihvězdném prostoru a na exoplanetách nejbližších hvězd, kterými jsou dominantně červení trpaslíci, se podíváme někdy příště.

Populární přednáška o ochraně kosmonautů před kosmickým zářením, která byla prezentována pro Plzeňskou hvězdárnu, je zde.

Vytváření ochrany před kosmickým zářením pomocí zásob na lodi Orion ukazuje toto video.

Napsáno pro servery Kosmonautix Osel.

Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky
Prosím čekejte...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

8 komentářů ke článku “Jak chránit kosmonauty před radiací?”

  1. Michal Václavík napsal:

    Skvělý přehledový článek, který by si měl přečíst povinně každý zájemce o kosmonautiku.

  2. jirik napsal:

    Fantastický a zasvěceně napsaný článek, objasnilo mi to hodně otázek, co jsem vždy měl o problému ozáření v kosmu. Díky moc!

  3. Vladimír Wagner napsal:

    Díky moc Michalu Václavíkovi a Jiříkovi za pochvalu, potěší, zvláště na serveru, který tak skvěle informuje o kosmonautice a má tak znalou komunitu. Ještě bych možná připomenul, že na obrázku, který ukazuje schematicky rozmístění dvou dozimetrických fantomů při letu Artemis 1, je ještě ukázán třetí fantom, který simuluje mechanické vlastnosti lidského těla. Velmi pěkně o tomto experimentu, který testuje mechanické vlastnosti letu, zvláště při startu, psal ve včerejším článku Dušan Majer (https://kosmonautix.cz/2021/06/dulezite-figuriny-programu-artemis/). Oba články se tak velmi dobře doplňují.
    Jak bylo napsáno, článek byl psán i pro server Osel. Tam se v diskuzi ozval Karel Maršálek, který pracuje v německé DLR právě v této oblasti. Dovoluji si překopírovat jeho moc pěkný příspěvek :
    Dekuji Dr. Wagnerovi za prehledny/prehledovy clanek! Mam k tematu blizko: DOSIS a DOSIS 3D se zpracovavaji v nasi pracovni skupine (DLR, Insistute of Aerospace Medicine, Radiation biology, Biophysics Group). Stejne tak antropomorfni fantomy Helga a Zohar a vesta StemRad lezi ve vedlejsi laboratori jiz temer finalne pripravene na let kolem Mesice.
    https://www.dlr.de/content/de/artikel/news/2018/4/20181115_helga-zohar-strahlungsbelastung.html

    Na dodavce pasivnich detektoru pro Helgu a Zohar (let Artemis 1) se podileji i kolegove dr. Wagnera. Prave v oblasti pasivnich detektoru dlouhodobe a systematicky spolupracujeme s kolegy i z dalsich pracovist z celeho sveta, coz prinasi zlepseni metodiky vyhodnocovani detektoru a zpresnovani mereni.

    Osobne vyvijim aktivni dozimetry (t.c.) na bazi kremikovych detektoru mj. pro tyto dva fantomy. Aktivni dozimetry umoznuji zaznamenat davku zareni v prubehu casu (na nizke obezne draze pouzivame casove rozliseni 1 nebo 5 minut), narozdil od pasivnich detektoru, ktere poskytuji udaj o celkove davce. Dokazeme tak z dat merenych aktivnimi dozimetry snadno rozpoznat, kde na obezne draze kolem Zeme se prave nase merici pristroje nachazeji, napr. polarni regiony, van Allenovy pasy (ne u ISS, ta jimi neproleta), rovnikove oblasti, jihoatlantickou (magnetickou) anomalii SAA. Sledujeme take modulaci davkoveho prikonu v prubehu 11 resp. 22-leteho slunecniho cyklu, vidime dobre, kdy dochazi k solarnim minimum/maximum. Obcas vidime v merenych datech i vyron/slunecni erupci, ktera smeruje k zemi – zdali ji uvidime, zalezi na energii vyvrzenych castic, ktera musi byt vetsi, aby prekonaly magneticke pole Zeme (Cut-off rigidity).

  4. pave69 napsal:

    Moc pěkný článek, tolik informací, že si to budu muset přečíst ještě podruhé a možná i potřetí.

  5. Adhara napsal:

    Vďaka za článok, niečo podobné som potrebovala, i keď pre nás nefyzikov je miestami celkom náročný. Mám však k nemu ešte niekoľko otázok:

    – je dávka ožiarenia, ktorú by dostali astronauti pri ceste na Mars v súlade so súčasnými zákonmi alebo nie? Nie je pevne dané, koľko ožiarenia za rok môžu ľudia maximálne dostať pri výkone práce? (Pracovníci jadrových elektrární, atómových ponoriek…)
    – Ak sa uvažuje o genetickej modifikácie človeka, čo s problémom, že ľudské telo má biliardy a biliardy buniek a modifikáciu je treba urobiť v takmer každej jednej z nich?
    – Neviem si veľmi predstaviť odobratie časti reprodukčných orgánov do kryogénnych schránok – nemalo ísť skôr o odobratie pohlavných buniek astronautom pred letom, aby v dôsledku radiácie nebola ohrozená ich možnosť mať deti?

    • Vladimír Wagner napsal:

      Ono s těmi limity je to dáno charakterem práce a jak lze dávku reálně omezit. Takže většinou (i u nás) jsou pro pracovníky s radioaktivitou roční limity na dávku z umělých zdrojů 50 mSv, ovšem za pět let nesmí dostat více, než je 100 mSv. Tedy je to 20 mSv ročně, pokud nechce přerušit práci v radioaktivitě. Ovšem v případě krize (havárie) se limit může zvýšit na 250 mSv (to bylo například ve Fukušimě). Ovšem, pokud se podíváme právě třeba na kosmonauty, tak ti mají limity větší i než je těch 250 mSv, jinak by nemohli realizovat dlouhodobé pobyty na ISS. A i pro lety na Mars bude třeba stanovit limity odpovídající možnostem realizace tohoto letu v řádu 1 Sv.
      Ono nemusí jít o modifikaci všech buněk, ale změnu buněk, které jsou schopny vyrábět odpovídající protein, enzym … Ono je to podobné, jako s léčením některých genetických poruch pomocí genetických manipulací.
      Máte pravdu, že zatím jde většinou o kryogenizaci vajíček či spermií. Ale může jít i o kostní dřeň a části některých dalších tkání i celých orgánů.

    • marsalek napsal:

      Na povrchu Marsu jsme merili dlouhodobe 26 µSv/h (pristroj MSL-RAD). Transit k Marsu predstavuje 75 µSv/h. Na Zemi v CR hodne zhruba 0,1 µSv/h.

      Karierni limity pro astronauty se lisi podle vesmirne agentury NASA/ESA/Rosskosmos/JAXA… U NASA jsou stanoveny tak, ze riziko onemocneni rakovinou stoupne o max. 3%. Limity jsou take ruzne podle pohlavi (fyziologickeho, ne jak se astronoaut citi) a podle stari. Cim starsi astronaut, tim vyssi limit, nebot se u nej rakovina nestihne tak hodne projevit, nez zemre vekem.

      Pri limitu napr. 1000 mSv bychom letem tam a zpet mohli stravit 555 dnu a nesmeli bychom se na Marsu zdrzet ani hodinu. To je na hranici proveditelnosti.

      Dle meho je radiace snesitelnym rizikem pri ceste na Mars, ale presahje soucasne platne limity. Je veci diskuse, jak se s tim eticky vyrovnat. (Na ISS merime v prumeru stejny davkovy prikon jako pri transitu k Marsu.)

Zanechte komentář

Chcete-li přidat komentář, musíte se přihlásit.