Forskere bruger supercomputere til at estimere strålingsrisici for lave jordbaner

Ud over de velkendte farer ved rummet - frostgrader, knusende tryk, isolation - astronauter står også over for risici fra stråling, som kan forårsage sygdom eller skade organer.

Selvom det ikke menes at være en overhængende trussel mod nuværende missioner, astronauter kan en dag møde stråling fra solvinde og galaktiske kosmiske stråler. Hvor meget stråling, hvilken slags, og hvad de forventede sundhedsvirkninger af denne eksponering ville være for astronauter, er åbne spørgsmål blandt rumbureauer.

Jeffery kansler, en forsker ved Institut for Fysik og Astronomi ved Texas A&M University og en ph.d.-kandidat i programmet anvendt fysik der, har brugt mere end et årti på at studere disse spørgsmål som en del af fire NASA-missioner. For nylig, samarbejder med lægen og astronauten Serena Aunon-Chancellor (NASA/University of Texas Medical Branch) og associeret direktør for NASAs Human Research Program for Exploration Research Planning John Charles (NASA), Kansleren undersøgte de sundhedsmæssige konsekvenser af udsættelse for rumstråling i lavhøjde polære baner.

Forskerne brugte Manned Orbiting Laboratory (MOL) som testcase. om hvilke missionsdokumenter, der for nylig blev afklassificeret.

MOL blev udtænkt i 1963 og gennemgik planlægning fra 1965 til 1969, men fløj faktisk aldrig.

"Det var sådan en unik orbital profil, " sagde kansleren. "Polar, lav højde... Jeg kunne ikke gætte, hvad virkningerne ville være. Så, Jeg besluttede at tage et skridt tilbage og anvende avancerede beregningsmæssige og numeriske metoder til denne missionsprofil."

De fandt ud af, at den relativt minimale afskærmning af MOL-programmets rumfartøj og dets polære kredsløb med høj hældning ville have efterladt besætningen modtagelig for høj eksponering af kosmisk stråling og solpartikelhændelser. Havde missionen fortsat gennem 1972, astronauter ville have mødt giftige doser af stråling under en massiv solbegivenhed.

Resultaterne blev offentliggjort i Luftfartsmedicin og menneskelig præstation i januar 2018.

Undersøgelsen blev støttet af Office of the Director of National Intelligence og gjorde udstrakt brug af supercomputere på Texas Advanced Computing Center (TACC).

ØJNE I HIMMEL

The Manned Orbiting Laboratory blev udtænkt som et eksperimentelt laboratorium for menneskelig rumflyvning, men blev omstøbt som en hemmelig rekognosceringsplatform i 1965 under den kolde krigs højdepunkt. Køretøjet ville have rejst i lavt kredsløb om jorden og passeret gentagne gange over de nordlige og sydlige polarområder for bedre at spionere på Sovjetunionen. Denne type kredsløb udsættes for større stråling end kredsløb tættere på ækvator, fordi den er mindre beskyttet af Jordens gravitationsfelt.

I august 1972 - tre år efter at MOL-missionsplanlægningen blev afbrudt på grund af fremkomsten af ​​billigere, ubemandede satellitter - Jorden oplevede en historisk stor solpartikelbegivenhed. Kansler undrede sig over, hvordan typisk stråling ville have påvirket MOL-piloter, der kredsede i 30 dage i det tyndt-afskærmede fartøj, og hvordan en massiv begivenhed som den i 1972 ville have påvirket en person, der var fanget under flyvning.

Forskerne fokuserede på stråling fra to kilder:solvinde og galaktiske kosmiske stråler. Noget rumstråling menes at passere gennem pendulernes vægge, mens nogle spærrer afskærmningen og forårsager en kaskade af løse metalioner. En del passerer gennem kroppen; resten afsætter sin energi på huden eller endda inde i kroppen, påvirker organerne.

Bestemmelsen af ​​de strålingsniveauer, som MOL-piloter ville have oplevet bag køretøjets lette afskærmning, indebar en del datamining, ekstrapolering og simulering. Chancellor og hans samarbejdspartnere modellerede MOL's kredsløbsprofil, rumvejret og geomagnetiske kræfter fra disse år, og den partikel- og tunge iontransport, som en sådan bane ville have mødt.

Ved at kombinere disse faktorer, prøve dem, og simulerer dem tusindvis af gange på TACCs Lonestar5 supercomputer, Kansler og hans samarbejdspartnere fandt ud af, at under normale forhold, MOL-besætningen ville have udstået 113,6 millisievert (mSv; et mål for strålingsdosis) til deres hud og 41,6 mSv til bloddannende organer (f.eks. knoglemarv eller lymfeknuder) under en 30-dages flyvning - godt inden for eksponeringsgrænserne for NASA-astronauter.

Imidlertid, under "worst case scenario" af solstormen i 1972, deres hud ville have været udsat for 1, 770 mSv, mens deres organer ville have oplevet 451 mSv, som begge overskrider NASAs eksponeringsgrænser.

Baseret på dyreforsøg, Kansler og hans kolleger forudser, at en sådan eksponering ville have forårsaget kvalme, opkastning, træthed, og muligvis hudforbrændinger på besætningen. Uden omgående tilskyndelse til medicinske modforanstaltninger, risiciene kunne have været endnu mere alvorlige.

"MOL-missioner i polar kredsløb ville have haft endnu færre kommunikationsmuligheder med jordkontrollere end NASA-missioner, der kredsede meget tættere på ækvator - og de var ikke for hyppige - så enhver mission under flyvning på tidspunktet for den solbegivenhed ville sandsynligvis være blevet afsluttet med det samme, " sagde Charles, medforfatter til undersøgelsen. "Om det ville have været hurtigt nok til at forhindre sådanne alvorlige effekter på piloterne er svært at sige."

Selvom undersøgelsen udforskede de historiske MOL-missioner, forskerne havde fremtidige kommercielle rumflyvninger i tankerne, som dem foreslået af SpaceX eller Virgin Galactic, der sandsynligvis vil rejse en lignende bane for bedst muligt at vise Jordens skønhed fra rummet.

"Jeg tror, ​​at forskningen vil have en enorm betydning for kommerciel rumflyvning, ", sagde kansleren. "Det giver en vis indsigt til folk, der forsøger at komme med ideer til at kredse omkring hoteller, eller til SpaceX eller Virgin Galactic, der ønsker at lave turistflyvninger, i forhold til, hvad de skal tage fat på for at beskytte besætningen og kunderne."

Deres metoder til nøjagtigt at forudsige rumstrålingseksponering og påvirkninger er også relevante for rejser til Månen eller andre planeter.

OVERVINDER BEGRÆNSNINGERNE I FORUDSIGELSE AF RUMSTRALING

Bestræbelser på at simulere strålingsrisiko i rummet er ikke nye. Faktisk, historiske optegnelser viser, at de var en del af NASA og forsvarsministeriets rumforskning fra begyndelsen. Men årtiers undersøgelser har opnået få konkrete svar eller praktiske foranstaltninger til at afbøde stråling, ifølge forskerne.

"På trods af mange års forskning, forståelse af rumstrålingsmiljøet, og den risiko, det udgør for langvarige astronauter, er fortsat begrænset, "Skrev kansleren og hans team i en avis, der dukkede op i Naturens mikrotyngdekraft i april 2018. "I betragtning af den tilsigtede fremtid for menneskelig rumflyvning, med indsats nu for hurtigt at udvide mulighederne for menneskelige missioner til månen og Mars, der er et presserende behov for at forbedre forståelsen af ​​strålingsrisikoen i rummet, predict likely clinical outcomes of interplanetary radiation exposure, and develop appropriate and effective mitigation strategies for future missions."

Chancellor says that until recently scientists did not have the capabilities to do radiation simulations accurately.

"We were making assumptions and approaching the problem in the best possible way based on what we had available, " he said. "But this is an area where better algorithms and more powerful computers make a big difference in what's possible. I don't think we would've made this progress or understood what we're seeing without the ability to use high-performance multicore computers. It's a game-changer."

Each of the three test cases from the Manned Orbital Laboratory that the team ran on Lonestar5 required 150, 000 computational hours and generated 2.5 terabytes of data.

"Tracing 10^11 or 10^15 particles in terms of every interaction at every micron or smaller involves a humongous computational load. The fact that I could parallelize the problem and have 1, 000 processors running each computation and do that in three to four hours instead of three to four months is a huge benefit, " he said. "The more samples you take, the more accurate the results and the more confidence you have."

Not only that:the speed-up may one day enable improved decision-making for those working in mission control.

Chancellor used Lonestar5 for most of his computations, but when he re-ran some of his computations on Stampede2, TACC's latest supercomputer and one of fastest in the world, he was able to obtain a result in five minutes as opposed to five hours.

"It's smoking fast, " Chancellor said. "When I first started getting results off of Stampede, I called my friend who works in mission control for radiation at NASA and said, 'You guys have to get on this.'"

This rapid turnaround could enable NASA to run much more accurate models than they currently do to determine, in real-time, how a solar storm or other cosmic event might impact astronauts—a capability that may one day save lives.