Hvad er den bedste strålingsafskærmning til Mars' overflade?

Planeten Mars kalder på os. Det er i hvert fald det indtryk, man får, når man undersøger alle de planlagte og foreslåede missioner til den røde planet i det kommende årti. Med så mange rumbureauer, der i øjeblikket sender missioner dertil for at karakterisere dets miljø, atmosfære og geologiske historie, virker det sandsynligt, at bemandede missioner er lige rundt om hjørnet. Faktisk har både NASA og Kina gjort det klart, at de har til hensigt at sende missioner til Mars i begyndelsen af ​​2030'erne, som vil kulminere i skabelsen af ​​overfladehabitater.

For at sikre astronauternes sundhed og sikkerhed, både i transit og på Mars' overflade, undersøger forskere flere metoder til strålingsbeskyttelse. I en nylig undersøgelse undersøgte et hold fra Blue Marble Space Institute of Science (BMSIS), hvordan forskellige materialer kunne bruges til at skabe strålingsbeskyttende strukturer. Dette omfattede materialer bragt fra Jorden og dem, der kan høstes direkte fra Mars-miljøet. Dette er i overensstemmelse med in-situ-ressourceudnyttelse (ISRU) processen, hvor lokale ressourcer udnyttes til at imødekomme behovene hos astronautbesætningerne og missionen.

Forskningen blev ledet af Dionysios Gakis, en gæsteforsker ved BMSIS og en fysikuddannet fra University of Patras, Grækenland. Han fik selskab af Dr. Dimitra Atri, en seniorforsker ved BMISIS, en fysikprofessor ved Center for Space Science ved New York University Abu Dhabi og Gakis' akademiske rådgiver. Papiret, der beskriver deres resultater ("Modling the effectiveness of radiation shielding materials for astronaut protection on Mars") overvejes til udgivelse af Acta Astronautica .

Mars-strålingsmiljøet er betydeligt farligere end Jordens på grund af dets tynde atmosfære og mangel på et planetarisk magnetfelt. På Jorden er mennesker i udviklede lande udsat for et gennemsnit på 0,62 rads (6,2 mSv) om året, mens overfladen på Mars modtager omkring 24,45 rads (244,5 mSv) om året - og endnu mere, når solarrangementer (også kaldet soludbrud) forekomme.

Som Dr. Atri fortalte Universe Today via e-mail, kommer denne stråling i flere former:"Galaktiske kosmiske stråler består af ladede partikler, som er en milliard (eller flere) gange mere energiske end synligt lys. De kan trænge gennem afskærmning og forårsage uoprettelig skade på den menneskelige krop. Derudover kan solstorme nogle gange accelerere ladede partikler til meget høje energier (solenergipartikler), hvilket kan forårsage sammenlignelig skade. Mængden af ​​stråling, der kommer fra kosmiske stråler, er meget forudsigelig, mens solstorme er meget svære at forudsige."

Til deres undersøgelse undersøgte Gakis og Dr. Atri egenskaberne af forskellige afskærmningsmaterialer, der kunne transporteres til Mars eller høstes in situ. Disse bestod af materialer, der var almindelige i rumfartsindustrien - som aluminium, polyethylen, cyclohexan, polymethylmethacrylat, Mylar og Kevlar - og vand, flydende brint i kulfiber og Mars regolit. Som Gakis forklarede, vurderede de hvert af disse materialer ved hjælp af den numeriske GEANT4-model - en softwarepakke, der simulerer passage af partikler gennem stof ved hjælp af statistiske Monte Carlo-metoder.

"Vi byggede en beregningsmodel af Mars og målte den kosmiske energiaflejring inde i et hypotetisk menneskeligt fantom, der repræsenterer en astronaut," sagde han. "Et materialeskjold blev sat til at absorbere en del af strålingen, før det nåede astronauten. De mest effektive materialer, hvad angår strålingsbeskyttelse, var dem, der lod mindst energi passere i astronautens krop."

Deres resultater indikerede, at brintrige materialer (dvs. vandis) har en forudsigelig reaktion på GCR'er og derfor er det bedste forsvar mod kosmiske stråler. De fandt endvidere ud af, at regolit har en mellemrespons og derfor kunne bruges til yderligere afskærmning - især når det kombineres med aluminium.

Sagde Gakis:"For eksempel, selvom aluminium ikke viste sig at være så effektivt som andre materialer, kan det stadig være nyttigt til at reducere strålingsdoser, og vi går ind for at kombinere det med andre materialer. Mars regolit har lignende adfærd og fordelen ved at være en in-situ materiale, hvilket ikke kræver, at vi bærer det fra Jorden."

NASA og andre rumbureauer vurderer adskillige designs, materialer og teknologier, der vil give mulighed for at skabe levesteder på månen, Mars og videre. Især NASA og den kinesiske nationale rumfartsorganisation (CNSA) planlægger bemandede missioner til Mars i det næste årti, som vil opsendes hver 26. måned (startende i 2033) og kulminere i skabelsen af ​​levesteder på overfladen. Ifølge Gakis og Dr. Atris analyse vil disse habitater sandsynligvis bestå af en indre struktur, der er udformet ved hjælp af letvægtsmaterialer, der transporteres til lave omkostninger fra Jorden.

I tilfælde af aluminium og kulfiber kunne de fremstilles in-situ ved hjælp af aluminium udvundet fra Mars sten og kulstof høstet fra atmosfæren. Disse kan derefter afskærmes ved hjælp af lokalt høstet vandis og regolit, som robotter vil 3D-printe for at skabe en beskyttende overbygning. Sådanne habitater vil muliggøre langvarige missioner langt ud over Jorden og kan endda være et springbræt til permanente menneskelige bosættelser i rummet.

"Stråling er et af de mange spørgsmål, menneskeheden skal tage fat på for at kunne gennemføre menneskets [udforskning af] den røde planet," opsummerede Gakis. "Vi mener, at vores forskning er endnu et skridt i at forstå de ødelæggende virkninger af kosmiske stråler i Mars-miljøet og planlægge effektive afbødende strategier for fremtidige bemandede missioner til Mars." + Udforsk yderligere

Hvilke dele af Mars er de sikreste mod kosmisk stråling?