Hvilke dele af Mars er de sikreste mod kosmisk stråling?

I det kommende årti planlægger NASA og Kina at sende de første bemandede missioner til Mars. Dette vil bestå af, at begge agenturer sender rumfartøjer i 2033, 2035, 2037 og hver 26. måned derefter for at falde sammen med Mars-opposition (dvs. når Jorden og Mars er tættest på i deres kredsløb). Det langsigtede mål med disse programmer er at etablere en base på Mars, der vil fungere som et knudepunkt, der kan rumme fremtidige missioner, selvom kineserne har udtalt, at de har til hensigt, at deres base skal være en permanent.

Udsigten til at sende astronauter på den seks til ni måneder lange rejse til Mars byder på adskillige udfordringer, for ikke at sige noget om de farer, de vil møde, mens de udfører videnskabelige operationer på overfladen. I en nylig undersøgelse gennemførte et internationalt hold af videnskabsmænd en undersøgelse af Mars-miljøet - fra toppene af Mount Olympus til dets underjordiske fordybninger - for at finde ud af, hvor strålingen er lavest. Deres resultater kunne informere fremtidige missioner til Mars og skabelsen af ​​Mars-habitater.

Holdet blev ledet af Jian Zhang, en assisterende professor fra School of Earth and Space Sciences (ESS) ved University of Science and Technology i Kina. Han fik selskab af kolleger fra ESS og CAS Center for Excellence in Comparative Planetology i Kina, Institute of Experimental and Applied Physics (IEAP) i Kiel, Tyskland, og det russiske videnskabsakademis (RAS) Institute of BioMedical Problems og Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics (SINP) i Moskva. Papiret, der beskriver deres resultater, dukkede for nylig op i Journal of Geophysical Research:Planets .

Når det kommer til missioner til Mars og andre steder ud over lavt kredsløb om jorden (LEO), er stråling altid en going concern. Sammenlignet med Jorden har Mars en spinkel atmosfære (mindre end 1% af lufttrykket), og der er ingen beskyttende magnetosfære til at skærme overfladen mod sol- og kosmisk stråling. Som et resultat heraf teoretiserer forskere, at skadelige partikler, især galaktiske kosmiske stråler (GCR'er), kan forplante sig og interagere direkte med atmosfæren og endda nå Mars' undergrund.

Imidlertid afhænger niveauet af strålingseksponering af, hvor tyk atmosfæren er, som ændrer sig på grund af højden. Inden for lavtliggende områder som Mars' berømte canyonsystem (Valles Marineris) og dets største krater (Hellas Planitia), er atmosfæretrykket estimeret til henholdsvis over 1,2 og 1,24 kPa. Dette er omkring det dobbelte af gennemsnittet af 0,636 kPa og op til 10 gange det atmosfæriske tryk på høje steder som Olympus Mons (det største bjerg i solsystemet).

Dr. Jingnan Guo, en værdsat professor med IEAP ved Christian-Albrechts-University og medlem af det kinesiske videnskabsakademi (CAS), var prof. Jian Zhangs ph.d. vejleder og en medforfatter på papiret. Som hun forklarede til Universe Today via e-mail:

"Forskellige højder betyder forskellig atmosfærisk tykkelse. Højtliggende steder har generelt en tyndere atmosfære på toppen. Højenergetisk partikelstråling skal gennem atmosfæren for at nå Mars overflade. Hvis den atmosfæriske tykkelse ændres, kan overfladestrålingen også ændre sig. Således kan højden påvirke overfladestrålingen fra Mars."

Til dette formål overvejede holdet indflydelsen af ​​atmosfæriske dybder på Mars strålingsniveauer. Dette inkluderede den absorberede dosis målt i rads; dosisækvivalenten, målt i rems og sievert (Sv); og kroppens effektive dosishastigheder induceret af GCR'er. Dette bestod i at modellere strålingsmiljøet ved hjælp af en avanceret simulator baseret på GEometry And Tracking (GEANT4) software udviklet af CERN.

Denne software, der er kendt som Atmospheric Radiation Interaction Simulator (AtRIS), anvender Monte Carlo-sandsynlighedsalgoritmer til at simulere partikelinteraktioner med Mars atmosfære og terræn. Som Dr. Guo illustrerede:

"Vi bruger en Monte Carlo-tilgang kaldet 'GEANT4' til at modellere transporten og interaktionen af ​​energiske partikler med Mars-atmosfæren og regolitten. Mars-miljøet er sat op under hensyntagen til Mars atmosfæriske sammensætning og struktur og regolit-egenskaber.

"Inputpartikelspektrene på toppen af ​​Mars' atmosfære er også opnået fra datakalibrerede modeller, som beskriver det allestedsnærværende partikelstrålingsmiljø i det interplanetariske rum, der inkluderer ladede partikler af forskellige arter, som hovedsageligt er protoner (~87%), heliumioner (12%) og også små spor af tungere ioner såsom kulstof, ilt og jern."

De fandt ud af, at højere overfladetryk effektivt kan reducere mængden af ​​tung-ion-stråling (GCR'er), men at der stadig er behov for yderligere afskærmning. Desværre kan tilstedeværelsen af ​​denne afskærmning føre til "kosmiske strålebyger", hvor virkningen af ​​GCR'er mod afskærmning skaber sekundære partikler, der kan oversvømme et habitats indre med varierende niveauer af neutronstråling (også kendt som neutronflux). Disse kan bidrage væsentligt til den effektive dosis af stråling, som astronauter vil absorbere.

De fastslog, at både neutronfluxen og den effektive dosis toppede omkring 30 cm (1 fod) under overfladen. Heldigvis tilbyder disse resultater løsninger, hvad angår brugen af ​​Mars regolit til afskærmning. Sagde Dr. Guo:

"For en given tærskel for den årlige biologisk vægtede effektive strålingsdosis, f.eks. 100 mSv (en mængde, der ofte betragtes som den tærskel, under hvilken strålingsinduceret kræftrisiko er ubetydelig), varierer den nødvendige regolith-dybde mellem ca. 1 m og 1,6 m . Inden for dette område, ved et dybt krater, hvor overfladetrykket er højere, er den nødvendige ekstra regolith-afskærmning lidt mindre. Mens på toppen af ​​Mount Olympus er den nødvendige ekstra regolith-afskærmning højere."

Baseret på deres resultater ville de bedste steder for fremtidige levesteder på Mars være placeret i lavtliggende områder og i dybder på 1 m og 1,6 m (3,28 til 5,25 fod) under overfladen. Derfor vil det nordlige lavland, som udgør det meste af den nordlige halvkugle (aka. Vastitas Borealis), og Valles Marineris være meget velegnede steder. Ud over at have tykkere atmosfærisk tryk har disse regioner også rigeligt med vandis lige under overfladen.

Hvis alt går efter planen, vil astronauter træde deres fod på Mars-overfladen om lidt over et årti. Dette vil bestå af transitter, der varer seks til ni måneder (bortset fra udviklingen af ​​mere avanceret fremdriftsteknologi) og overfladeoperationer på op til 18 måneder. Kort sagt vil astronauter skulle kæmpe med truslen om forhøjet stråling i op til tre år. Som sådan skal detaljerede afbødningsstrategier udvikles i god tid.

NASA og andre rumbureauer har investeret betydelig tid, energi og ressourcer i at udvikle habitatdesign, der udnytter 3D-print, In-Situ Resource Utilization (ISRU) og endda elektromagnetisk afskærmning for at sikre astronauternes sundhed og sikkerhed. Der er dog stadig ubesvarede spørgsmål om, hvor effektive disse strategier vil være i praksis, især når man overvejer mængden af ​​tid, besætningerne vil bruge på Mars-overfladen.

"Vores undersøgelse kan tjene til at afbøde strålingsrisici, når vi designer fremtidige Mars-habitater ved hjælp af naturligt overflademateriale som afskærmningsbeskyttelse," sagde Dr. Guo. "Forskning som denne vil derfor være af stor værdi, når missionsplanlæggere begynder at overveje design til fremtidige Mars-habitater, der er afhængige af naturligt overflademateriale til at yde strålingsbeskyttelse."