Návrat na Měsíc a expanze na Mars vystavuje kosmonauty dlouhodobému vlivu kosmického záření. Americká organizace NASA a evropská ESA tak potřebují základnu pro studium biologických účinků tohoto záření. Jsou k tomu potřeba urychlovače relativistických těžkých iontů. A takové jsou v laboratoří BNL a GSI Darmstadt. Podívejme se na možnosti takových výzkumů klíčových pro ochranu cestovatelů k Měsíci a Marsu.

O klíčové roli ochrany kosmonautů před radiací vznikající interakcí kosmického záření s vysokou energií jsme psali v přehledovém článku z roku 2021, novinky z nedávné doby pak byly popsány v dalším článku. Velký pokrok se podařil při studiu vlastností kosmického záření galaktického a extragalaktického původu, hlavně jeho chemického složení a jeho změn intenzity v závislosti na energii. Bylo to popsáno v sérii článků, založených na prezentacích z konference ICHEP 2024 v Praze (zde, zde a zde). O intenzitě a složení kosmického záření s vysokou energií v oblasti energií, kde jejich tok přesahuje hodnoty, které mohou ohrožovat zdraví kosmonautů, je velmi dobře známo. Už horší znalosti máme o biologických účincích tohoto záření.

Jednou z možností jejich studia jsou dozimetrická měření na sondách, která se vydávají na cesty do meziplanetárního prostoru. Taková probíhala i při letu kosmické lodi Orion při automatické misi Artemis 1 k Měsíci. Na palubě byly i dva dozimetrické fantomy Helga a Zohar, které zkoumaly právě dozimetrické dopady kosmického záření na člověka při letu k Měsíci, jeho obletu a návratu k Zemi. Popsáno je to v článku o tomto letu i již zmíněném článku o nových výsledcích zkoumání vesmírné radiace a jejich dopadů.

Druhou možností je využít pozemské laboratoře a urychlovače, které dokáží urychlit ionty různý izotopů prvků na rychlosti blízké rychlosti světla a energie, které mají ionty galaktického kosmického záření. Pomocí těchto svazků lze ozařovat různé materiály i buněčné struktury a dá se tak zkoumat jejich dopady. Na svazcích urychlovaných relativistických těžkých iontů se tak vytváří ozařovací stanoviště pro takové studie.

Nejsou určena pouze pro studium medicínských dopadů kosmické radiace. Ozařování těžkými ionty se totiž využívá i pro likvidaci rakovinných nádorů, viz starší článek o využití jaderné fyziky v medicíně. Zde potřebujeme znát biologické účinky iontů při průchodu lidskými tkáněmi, abychom sice zničili rakovinné buňky, ale co nejméně poškodili živou tkáň.

Zařízení FAIR a CBM

Ozařovací stanoviště zaměřené na takové studie bude i na dokončovaném komplexu urychlovačů a experimentů FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research). Ten se nachází v německé laboratoři GSI Darmstadt a navazuje na systém urychlovačů, který v ní již existuje. Urychlovač SIS18 urychluje lehčí ionty na kinetické energie 2 GeV na nukleon a těžké na kinetické energie 1 GeV na nukleon. Připomeňme, že klidová energie nukleonu je zhruba 1 GeV. V zařízení FAIR na něj bude navazovat nový urychlovač SIS100, který umožní urychlit protony na energie až 27 GeV a ionty uranu až na energie 2,7 GeV na nukleon. Nejdůležitější však je, že zde bude systém shromažďovacích prstenců, terčů a fragment separátorů, které umožní získávat širokou škálu i velmi exotických svazků. Bude zde možné získat třeba velmi intenzivní svazek antiprotonů i řadu radioaktivních svazků.

Širokou škálu různých svazků iontů bude využívat několik experimentů. Čtyřmi klíčovými jsou NUSTAR (NUclear STructure, Astrophysics and Reactions), který je zaměřen na zkoumání astrofyzikálních reakcí a radioaktivních jader produkovaných ve hvězdách, CBM (Cold Baryonic Matter), který bude studovat velmi hustou a horkou hmotu vyskytující se uvnitř neutronových hvězd, PANDA (antiProton ANnihilation at DArmstadt), který se zaměřuje na studium antihmoty s využitím svazku antiprotonů, a APPA (Atomic, Plasma Physics and Applications), který se zaměřuje na studium velmi hustého plazmatu, interakce iontů a také na studium biologických účinků svazku iontů.

Vzhledem k finanční náročnosti projektu, se bude zařízení a jeho části budovat a dokončovat postupně. I jednotlivé svazky a experimenty se budou dokončovat a zprovozňovat postupně a po etapách.

V tomto týdnu probíhá v Praze zasedání spolupráce připravující detektorovou sestavu CBM. Ta je zaměřena na studium velmi husté jaderné hmoty vznikající při srážce relativistických těžkých jader. Zatímco při energiích, které se dosahují na urychlovači LHC v laboratoři CERN, se zde produkuje chladnější hmota z extrémní baryonovou hustotou. Taková se vyskytuje v nitru neutronových hvězd. Podrobněji o potřebě studia takové hmoty se psalo v nedávném článku.

Ve stejné podzemní jeskyni, kde bude sestava detektorů CBM, by mělo být i ozařovací místo pro studium biologických dopadů těžkých iontů s relativistickými energiemi. V kosmickém záření je kromě vodíku, jehož intenzita je nejvyšší, i významný podíl těžších jader. Zásadní je podíl železa, které je v oblasti nejvyšší vazebné energie na jeden nukleon a intenzivně se produkuje v těžkých hvězdách. A právě železo s vysokým nábojem a intenzivní ionizaci i schopností vytvářet širokou tzv. hadronovou spršku může mít významné biologické dopady. Je tak důležité studovat zdravotní dopady iontů železa z kosmického záření a také hledat možnosti ochrany před nimi.

Připomeňme, jak zmíněná hadronová sprška vzniká. Při dopadu relativistického jádra s rychlostí blízkou rychlosti světla na jádro terče dojde k tříštivé reakci, tedy vyražení velkého počtu nukleonů (protonů a neutronů) a zároveň dojde k produkci částic, které interagují silnou interakcí a dohromady se označují za hadrony. Jde o mezony a baryony, kterými jsou hlavně již zmíněné nukleony. Řada z nich má také relativistickou energii a může způsobit další tříštivou reakci. V materiálu tak vzniká zmíněná hadronová sprška a máme stále více iontů, které mohou mít významné biologické dopady.

Pokud tak není stínění dostatečně tlusté, aby vzniklou hadronovou spršku úplně pohltilo, může být biologický dopad spršky horší než zdravotní škodlivost původní částice s velmi vysokou energií. Ta má totiž ionizační ztráty nižší než velké množství nabitých částic s nižší energií. Při vytváření stínění kosmické lodě a výběru materiálů pro ně je tak třeba brát tyto vlastnosti v úvahu. K menšímu rozvoji hadronové spršky dochází v materiálech z lehkých jader.

Právě urychlovač SIS100 dokáže poskytnout svazek iontů železa s energií až do 10 GeV na nukleon, což je přesně oblast energií, kde je maximum galaktického kosmického záření a dosahuje tam maximum energie iontů v slunečním větru (slunečního kosmického záření), viz graf. Za touto energií intenzita rychle exponenciálně klesá, a tedy i vliv tohoto záření. Jedná se tak o ideální zařízení pro studia vlivu kosmického záření.

Studium biologického vlivu kosmického záření

Na studium dopadů relativistických těžkých iontů na materiály i biologické objekty je zaměřena v GSI Darmstadt vědecká skupina BIOMAT. Ta zatím využívá svazky dostupné z urychlovače SIS18 a připravuje ozařovací místa pro svazky z nového urychlovače zařízení FAIR. Bude to hlavně v místě umístění experimentu APPA, ale, jak už bylo zmíněno, i u experimentu CBM. Zařízení FAIR by se mělo stát, a jsou podepsány příslušné dohody, zázemím pro evropskou kosmickou agenturu ESA a její účast v projektu návratu na Měsíc Artemis. Pro organizaci NASA je takovým zázemím urychlovač RHIC v laboratoři BNL v Brookhavenu.

Intenzivní studium interakce široké škály iontů, které se vyskytují v kosmickém záření, přesně v oblasti maxima energií slunečního kosmického záření a maximální intenzity galaktického kosmického záření by mělo přispět ke zlepšení modelů a výpočetních programů, které využíváme k popisu interakce těchto iontů s materiály, a hlavně k popisu jejich biologických účinků. Tyto programy jsou klíčovým nástrojem pro projektování kosmických lodí určených pro vzdálenější oblasti našeho vesmírného okolí a také při odhadu zdravotních rizik pro kosmonauty z radiace a rizika radiačního poškození elektroniky v kosmickém aparátu v různých místech a situacích jejich mise.

V ozařovacích místech by se mohly také ozařovat různé elektronické komponenty pro vesmírné aparatury a testovat jejich radiační odolnost. Bude tak možné vybírat radiačně odolné součástky a zajistit jejich spolehlivé fungování.

Pokud bude jako ozařovací místo využíván prostor určený pro experiment CBM, je potřeba zajistit, aby si oba experimenty vzájemně nevadily a mohly plnit své cíle. Je tak třeba dobře připravit umístění ozařovací pozice pro studium biologických dopadů interakce relativistických iontů a také nasimulovat vznikající pozadí částic v průběhu realizace experimentu a jejich vliv na zařízení CBM.

Na Setkání CBM spolupráce 2024 (CBM meeting 2024) v Praze prezentoval výsledky přípravy ozařovacích míst a výzkumu v oblasti biologických dopadů relativistických těžkých iontů Radek Pleskač. Je to náš bývalý diplomant, PhD student a kolega, který již dlouho pracuje v laboratoři GSI Darmstadt, kde se zaměřuje právě na výzkum možnosti využívání svazků těžkých iontů k likvidaci rakovinných nádorů a také výzkumu biologických dopadů těchto iontů. Připomeňme, že právě v GSI Darmstadt se v devadesátých letech vypracovala metodika likvidace nádorů, hlavně těch mozkových. Na základě velmi úspěšného programu ozařování hlavně dětských pacientů se následně vybudovalo velké ozařovací pracoviště v Heidelbergu, které dramaticky zlepšilo možnosti boje s rakovinou.

Závěr

Člověk se vrací na Měsíc a chystá se i na Mars. Tou největší výzvou pro ochranu zdraví kosmonautů jsou dopady radiace vznikající z důvodů kosmického záření, zejména toho slunečního s vysokou energií a galaktického. V poznání interakce tohoto záření s hmotou, a zvláště jeho biologických dopadů, máme stále významné mezery. Ty by mohl vyplnit výzkum s využitím svazků těžkých iontů urychlených na odpovídající energie. Takovým zařízením, které je schopné poskytnout širokou škálu relativistických těžkých iontů od těch lehkých až po ty nejtěžší s energií v oblasti maxima intenzity galaktického kosmického záření bude FAIR s urychlovačem SIS100. Zde bude několik ozařovacích míst pro studium radiačních dopadů interakce relativistických těžkých iontů. Předpokládá se, že by se laboratoř mohla stát zázemím pro kosmickou organizaci ESA a evropskou účast v projektu Artemis. Darmstadt není daleko od českých hranic a mohl by tak sloužit i českým firmám a odborníkům zapojeným do projektu ESA k testům jejich zařízení. Zvláště, když na projektu FAIR je i poměrně významná účast českých vědců.

Populární přednáška o jaderných zdrojích pro vesmír, která byla prezentována pro opavskou Mars Society, je zde:

Populární přednáška o ochraně kosmonautů před radiací, která byla prezentována pro opavskou Mars Society, je zde:

Napsáno pro servery Osel a Kosmonautix.