Ochrana před kosmickým zářením je klíčová pro lety na Měsíc i Mars  
Spolu s tím, jak se blíží náš návrat na Měsíc, roste intenzita studia dozimetrické situace mimo ochranou náruč naší atmosféry a magnetického pole. Intenzivní dozimetrický monitoring se realizoval během prvního letu kosmické lodi Orion v rámci letu Artemis I. Velmi zajímavé výsledky o radiaci na Marsu získalo zařízení RAD, které je na palubě vozítka Curiosity.

Sestava dozimetrických přístrojů RAD na vozítku Curiosity (zdroj NASA).
Sestava dozimetrických přístrojů RAD na vozítku Curiosity (zdroj NASA).

Před více než dvěma roky vyšel článek, který podrobně rozebral vlastnosti kosmického záření a možnosti ochrany před jeho dopady. Úsilí v této oblasti je v posledních letech stále intenzivnější, a je proto zajímavé se podívat na některé nedávné novinky. Připomeňme si, že kosmické záření ve vesmírném prostoru, které z větší části tvoří protony i těžší ionty, je dvojího původu.

 

Prvním zdrojem je Slunce, které zvláště během silných erupcí emituje velké množství částic a vytváří sluneční vítr. Sluneční kosmické záření má nižší energie nepřesahující desítky až stovky megaelektronvoltů. Dominantní část tohoto záření má energie nižší. Tato složka velmi silně fluktuuje právě v souvislosti se sluneční aktivitou. Maxima dosahuje v době maxima slunečního cyklu, zvláště během velmi intenzivních erupcí. To pak intenzita slunečního větru roste o mnoho řádů a mluvíme o sluneční bouři.

 

Schéma dozimetrické sestavy RAD na vozítku Curiosity
Schéma dozimetrické sestavy RAD na vozítku Curiosity

Galaktické kosmické záření pochází ze zdrojů mimo Sluneční soustavu a má i extrémně vysokou energii. Pokud má energii nižší než stovky megaelektronvoltů, nepustí je do Sluneční soustavy magnetické pole spojené se slunečním větrem. Jeho intenzita se mění jen pozvolna. V době maxima sluneční činnosti je jeho intenzita zhruba poloviční oproti slunečnímu minimu s nižší intenzitou slunečního větru a jeho magnetického pole.


Galaktické kosmické záření s vysokými energiemi vytváří při interakci s materiály spršky sekundárních částic. Při interakci protonů a jader s jádry materiálu se tato jádra tříští a produkuje se velké množství nukleonů (protonů a neutronů) a dalších částic, které interagují silnou interakcí a označují se jako hadrony s vysokou energií. Ty mohou způsobovat další tříštivé reakce. Vzniká tak hadronová sprška velkého počtu silně interagujících částic.

 

Identifikace nabitých částic v detekčním systému RAD. Na ose Y jsou ionizační ztráty a na ose X je celková deponovaná energie. Je vidět, že lze velice dobře identifikovat částice a jejich energii (zdroj D. M. Hassler: RAD stránky).
Identifikace nabitých částic v detekčním systému RAD. Na ose Y jsou ionizační ztráty a na ose X je celková deponovaná energie. Je vidět, že lze velice dobře identifikovat částice a jejich energii (zdroj D. M. Hassler: RAD stránky).

Tento jev je třeba brát v úvahu při stínění před zářením pomocí vrstvy materiálu. To je nejčastější způsob ochrany před ním. Pokud však bude ochranná vrstva nedostatečně tlustá, nebo bude z nevhodného materiálu, bude mít vzniklé sekundární kosmické záření větší dozimetrické dopady, než by mělo to primární, Podrobně jsou složení a další vlastnosti kosmického záření i ochrana před jeho radiačními účinky popsány v přednášce, jejíž odkaz je na konci článku.

 

Dozimetrické monitorování na Marsu

Marťanské vozítko Curiosity pracuje na Marsu už od poloviny roku 2012. Na jeho palubě je i systém RAD (Radiation Assessment Detector), který zkoumá radiační situaci v místech pohybu vozítka.

Systém RAD s hmotností pouhých 1,5 kg obsahuje systém detektorů, který umožňuje charakterizaci částic kosmického záření. Schéma jejich umístění je na obrázku. Jde o trojici křemíkových detektorů A, B a C, která definuje směr příletu a určují ionizační ztráty energie nabitých částic (protonů i těžších iontů). Anorganický scintilátor CsI, který dobře detekuje a určuje energii gama a dokáže podle energie zjistit energii nebo ionizaci nabitých částic, je označen jako D. Jako E je označen velký plastikový scintilátor, který detekuje podle její energie buď celou nebo část energie nabité částice. Plastikové scintilační detektory F1 – F3 pak obklopují zmíněné scintilační detektory D a E. Jsou zapojeny v antikoincidenci a identifikují nabité částice, které přicházejí ze špatného směru.

 

Rozsah energií jednotlivých typů částic pokrytý detekčním systémem (zdroj D. M. Hassler: RAD stránky).
Rozsah energií jednotlivých typů částic pokrytý detekčním systémem (zdroj D. M. Hassler: RAD stránky).

Určení ionizace dvěma různými detektory, případně určení ionizace a celkové energie umožňuje identifikovat iont a určit jeho energii. Signály v různých detektorech umožňují identifikovat a určit energii neutrálních částic, fotonů gama a neutronů.

 

Pro zjištění ekvivalentní dávky, která určuje biologické účinky záření, je třeba tok částic a deponovanou energii v křemíkových detektorech přepočítat na lineární přenos energie ve vodě, která odpovídá nejlépe tělesné tkáni. Pak je ještě třeba převést určenou dávku ukazující uvolněnou energii na ekvivalentní dávku, která určuje její biologické účinky. K tomu se využívá jakostní koeficient Q, který určuje relativní biologické účinky konkrétního záření ku účinkům fotonů a elektronů.

 

Závislost jakostního faktoru Q na lineárním přenosu energie LET (zdroj N.A. Swadron et al: Space Weather 11(2013)47
Závislost jakostního faktoru Q na lineárním přenosu energie LET (zdroj N.A. Swadron et al: Space Weather 11(2013)47

V našem případě jsou konkrétními částicemi nabité protony i těžší ionty kosmického záření. Na obrázku je závislost jakostního koeficientu na lineárním přenosu energie LET ve vodě. To je veličina, která ukazuje velikost přenosu energie z primárních částic na sekundární částice, kterými jsou elektrony.

 

Měření Curiosity při letu na Mars

Sestava RAD pracovala i při přeletu za Země na Mars. V té době byla umístěna uvnitř vesmírné lodi. Získávala tak hodnoty dávky, kterou by obdrželi kosmonauti při samotném letu na Mars. Připomeňme výsledky získané při letu na Mars (zde). Vidíme je na přiloženém grafu. Přelet a tím i měření trvaly od 6. prosince 2011 do 14. července 2012. Průměrný dávkový příkon zaznamenaný křemíkovými detektory byl mezi 300 až 400 µGy/den, střední hodnota pak byla 332 ± 23 μGy/den.

 

Tok částic jako funkci předpokládané energie deponované ve vodě – lineárního přenosu energie LET (bílé experimentální body s nejistotami) naměřený v době přeletu k Marsu. V grafu je také zeleně závislost jakostního faktoru Q, který ukazuje relativní biologické dopady vůči dopadům elektronů a gama se stejnou dávkou, na lineárním přenosu energie LET. Je vynásoben faktorem 0,1. Až po hodnotu lineárního přenosu energie ve vodě LET = 10 keV/mikrometr je hodnota Q =1, (zdroj NASA).
Tok částic jako funkci předpokládané energie deponované ve vodě – lineárního přenosu energie LET (bílé experimentální body s nejistotami) naměřený v době přeletu k Marsu. V grafu je také zeleně závislost jakostního faktoru Q, který ukazuje relativní biologické dopady vůči dopadům elektronů a gama se stejnou dávkou, na lineárním přenosu energie LET. Je vynásoben faktorem 0,1. Až po hodnotu lineárního přenosu energie ve vodě LET = 10 keV/mikrometr je hodnota Q =1, (zdroj NASA).

Po konverzi na dávkový příkon ve vodě se dostalo 481 ± 80 μGy/den. To je v mezích nejistot totožné s hodnotou dávkového příkonu z plastikového scintilačního detektoru, ten byl 461 ± 92 μGy/den. To je přirozené, protože organický plastový materiál je podobný lidskému tělu i vodě.

 

Pro určení ekvivalentní dávky, která popisuje biologické účinky obdržené dávky záření, potřebujeme získat z měření závislost toku částic na lineárním přenosu energie LET, tedy spektrum lineárního přenosu energie LET. V grafu je bílou barvou ukázáno spektrum změřené při letu k Marsu. Zelenou barvou je pak ukázán odpovídající jakostní koeficient Q ukazující biologické riziko daných částic v závislosti na LET.

Střední hodnota jakostního faktoru Q je z něj určena jako 3,82 ± 0.25. Kombinací dat o dávkovém příkonu ve vodě a jakostního faktoru dostaneme ekvivalentní dávkový příkon 1.84 ± 0.33 mSv/den. Je třeba zdůraznit, že ekvivalentní dávkový příkon se mění s vývojem slunečního cyklu. Výsledky Curiosity ukazují situaci v době slunečního minima.

 

Během doby přeletu Curiosity bylo zaznamenáno pět dramatických zvýšení dávkového příkonu způsobených slunečními bouřemi, při kterých se řádově zvýšila intenzita slunečního větru. Toto zvýšení je natolik dramatické, že dávka obdržená během těchto slunečních bouří byla srovnatelná s dávkovým příkonem v normálních podmínkách za měsíc. Spolu s RAD na Curiosity je pozorovaly i další sondy. V obrázku je srovnání pozorování RAD a družice GOES-11. Tyto sluneční erupce jsou tvořeny hlavně protony s nižším lineárním přenosem energie LET a jejich jakostní faktor Q je blízký hodnotě Q = 1. Celkový příspěvek ze slunečních bouří k ekvivalentní dávce je 24,7 mSv. Let trval 253 dní.

 

Průběh nabírané dávky při přeletu vozítka Curiosity ze Země na Mars. Dávkový příkon je vyjádřen v mikrogray za den. V normální situaci byla její hodnota mezi 300 až 400 mikrogray za den. Pět velkých píků je způsobeno slunečními bouřemi (zdroj NASA).
Průběh nabírané dávky při přeletu vozítka Curiosity ze Země na Mars. Dávkový příkon je vyjádřen v mikrogray za den. V normální situaci byla její hodnota mezi 300 až 400 mikrogray za den. Pět velkých píků je způsobeno slunečními bouřemi (zdroj NASA).

Pokud vezmeme ekvivalentní dávkový příkon za normální situace po tyto dny a připočteme dávkový příkon během slunečních bouří, dostaneme 466 ± 84 mSv. Získaná experimentální data jsou klíčová pro různé modely popisující kosmické záření a jeho interakci s hmotou využívané pro předpověď dávek u vesmírných lodí. Ukazuje se, že se získává poměrně slušná shoda s výsledky simulací modelů a programů.

 

V současné době se předpokládá doba letu lidské posádky 180 dní, Curiosity letěla po delší dráze. Pro samotný let na Mars a zpět, který zabere 360 dní, máme celkovou ekvivalentní dávku 660 ± 110 mSv. Připomínám, že jde o situaci předpokládající sluneční minimum. Ekvivalentní dávka závisí pochopitelně i na stínění, které bude kosmická loď poskytovat. Stínění Curiosity bylo slabší, než bude to u lidské kosmické lodi. Víme však, že bude potřeba se projektu stínění opravdu věnovat. Problém je, že galaktické kosmické záření má velmi vysoké energie a dochází u něj ve stínění k rozvoji hadronové spršky, která může při nedostatečné tloušťce a nevhodném materiálu vést ke zhoršení situace. Tomu se musí zabránit.

 

Dávkové příkony tří slunečních bouří měřené křemíkovým detektorem systému RAD při přeletu k Marsu (černá čára) a družicí GOES-11 (šedá čára) (zdroj R. Kerr et al: Science. 340 (6136): 1031).
Dávkové příkony tří slunečních bouří měřené křemíkovým detektorem systému RAD při přeletu k Marsu (černá čára) a družicí GOES-11 (šedá čára) (zdroj R. Kerr et al: Science. 340 (6136): 1031).

Připomeňme, že radiační limity pro celou profesní kariéru se pro kosmonauty u různých organizací pohybují mezi 0,6 až 1,0 Sv. Let na Mars je tak na hraně možností těchto současných limitů.

 

Dozimetrická měření přímo na Marsu

Po přistání začala sestava RAD pracovat na povrchu Marsu. Mars sice nemá magnetické pole, ale má atmosféru. Ta je však tenká, je pouze zhruba setinou té pozemské. Dost významně se také mění v průběhu dne a se změnami ročního období. Vede to k dost významným změnám atmosférického tlaku. Vyšší tlak je ráno a nižší večer, tento cyklus závisí na ohřívání atmosféry a vznikajících termálních proudech, které způsobuje rotace planety. Sezonní změny pak závisí na vypařování a zase namrzání oxidu uhličitého. Na jaře roztávají na jižní polokouli rudé planety tisíce tun zmrzlého oxidu uhličitého. Proto je velmi důležité spolu s radiační situací sledovat i vývoj počasí. Je tak velmi dobře, že má Curiosity i meteorologickou stanici.

 

Současné měření dávkového měření přístroje RAD a atmosférického tlaku brzy po přistání vozítka Curiosity. Sol je marťanský den, který trvá 24 hodin 39,5 minuty (zdroj NASA).
Současné měření dávkového měření přístroje RAD a atmosférického tlaku brzy po přistání vozítka Curiosity. Sol je marťanský den, který trvá 24 hodin 39,5 minuty (zdroj NASA).

Také Perseverance má meteorologickou stanici, dozimetrickou sestavu RAD však toto vozítko nemá. Specifikou Marsu je i interakce vysokoenergetického záření s povrchovou vrstvou a produkce sekundárního záření.

 

Novinky o práci Curiosity přednesl na pracovní poradě WRMISS 26 v září 2023 B. Ehresmann. Pravidelné denní změny dávkového příkonu jsou mezi 3 až 5 %. Z počátku šla v případě Curiosity sluneční činnost z minima do maxima, pak zase do minima a nyní jde zase do maxima. V době, kdy je Slunce v maximu, je galaktické kosmické záření v minimu. Dávkový příkon je dán z dominantní části sekundárním zářením vzniklým ve spršce produkované primární částicí galaktického kosmického záření. Takže v době maxima sluneční činnosti je minimální a v době minima pak maximální. Na záznamu měření dávkového příkonu je vidět průběh maxima sluneční činnosti, který proběhl po přistání, pak průběh minima a nyní se začínáme opět blížit k maximu. Mise je nyní prodloužena na léta 2023 až 2025, kdy by mělo nastat následující maximum slunečního cyklu. Na obrázku je znázorněn výsledek z plastikového scintilátoru E, který je podobný tělu a vodě. V době slunečního maxima byl dávkový příkon okolo 210 μGy/den a v době slunečního minima pak okolo 310 μGy/den.

 

Dávkový příkon měřený plastikovým scintilátorem E zařízením RAD na vozítku Curiosity (zdroj: prezentace B. Ehresmanna na 26. WRMISS 2023).
Dávkový příkon měřený plastikovým scintilátorem E zařízením RAD na vozítku Curiosity (zdroj: prezentace B. Ehresmanna na 26. WRMISS 2023).

To znamená, že je to o třetinu až polovinu méně, než tomu bylo při přeletu k Marsu. Jakostní faktor Q má v tomto případě podobnou hodnotu, takže i ekvivalentní dávka bude mít na povrchu Marsu odpovídajícím způsobem nižší hodnotu oproti vesmírnému prostoru.

 

Během činnosti přístroje bylo zaznamenáno několik silných slunečních bouří, které byly pozorovatelné i na povrchu Marsu. Dvě největší v letech 2021 a 2022. Je vidět, že u sluneční bouře 28. října 2021došlo v maximu o zvýšení dávkového příkonu až na dva a půl až trojnásobek hodnoty mimo ni. Vyšší zvýšení bylo u křemíkového detektoru B, který má menší stínění než plastikový scintilátor E a dostanou se do něj protony i s nižší energií.

 

Průběh měření dávkového příkonu během sluneční bouře 28. 10, 2021 (zdroj: prezentace B. Ehresmanna na 26. WRMISS 2023).
Průběh měření dávkového příkonu během sluneční bouře 28. 10, 2021 (zdroj: prezentace B. Ehresmanna na 26. WRMISS 2023).

Erupce, která za ní stála, byla třídy X, tedy ta nejsilnější. A byla první takovou erupcí daného nového slunečního cyklu. Sluneční bouře pak zasáhla celou Sluneční soustavu, byla zaznamenána i na Zemi, která byla v té době na opačné straně od Slunce. Zaznamenala ji i řada dalších sond, které sledují sluneční počasí. K ještě většímu zvýšení dávkového příkonu došlo při sluneční bouři 16. února 2022, poprvé překročil 1000 μGy/den, tedy 1 mGy/den.

 

Curiosity potvrdila i silný vliv geografie na dozimetrickou situaci. Na sklonku léta 2022 projíždělo vozítko průsmykem Paraitepuy, kde byl zvláště při pohybu v blízkosti hory s přezdívkou Bolivar pozorován pokles dávkového příkonu a vliv stínění geologickými strukturami. Pokles dosahoval hodnot mezi 10 až 15 %. Podobný jev byl pozorován i u rokle Maria Gordon a hory Mt Mercou. Je vidět, že by se v budoucnu mohly vhodné průsmyky využívat pro vybudování chráněných základen, zvláště pokud by v nich byly i jeskyně nebo tunely. Na přiloženém grafu jsou vidět i denní změny dávkového příkonu vlivem dýchání atmosféry a změnám jejího tlaku.

Cesta vozítka Curiosity průsmykem Paraitepuy (zdroj: prezentace B. Ehresmanna na 26. WRMISS 2023)
Cesta vozítka Curiosity průsmykem Paraitepuy (zdroj: prezentace B. Ehresmanna na 26. WRMISS 2023)

 

Nejen novinky z dozimetrie na orbitě i povrchu Měsíce

Velmi zajímavé informace o dozimetrické situaci na orbitě okolo Měsíce se podařilo získat indické sondě Čandraján-1, která se dostala na oběžnou dráhu okolo Měsíce v listopadu 2008. Na orbitální sekci této sondy byla umístěna dozimetrická sestava RADOM (RAdiation DOse Monitor). Pracovala sice relativně krátce, do srpna 2009, ale přinesla zajímavé informace.

Sonda pracovala necelých šest měsíců na dráze okolo Měsíce ve výšce 100 km a poslední tři měsíce pak na dráze ve výšce 200 km.

 

Měření dávkového příkonu pomocí detektoru E sestavy RAD při průjezdu vozítka Curiosity průsmykem Paraitepuy (zdroj: prezentace B. Ehresmanna na 26. WRMISS 2023)
Měření dávkového příkonu pomocí detektoru E sestavy RAD při průjezdu vozítka Curiosity průsmykem Paraitepuy (zdroj: prezentace B. Ehresmanna na 26. WRMISS 2023)

V první etapě byl střední dávkový příkon v době bez slunečních erupcí 227 µGy/den a na vyšší oběžné dráze pak o něco vzrostl na 257 µGy/den. Zvýšením dráhy se totiž snížil stínící vliv Měsíce. Připomeňme, že v té době probíhalo minimum cyklu sluneční aktivity.

 

Měření této sondy probíhalo souběžně s měřením sestavy CRaTER (Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation) na známé měsíční sondě LRO, která se na orbitu okolo Měsíce dostala 23 června 2009. V první fázi pracovala na dráze ve výšce okolo 50 km nad povrchem Měsíce. Detekční sestava měřila protony a těžší ionty s energií překračující 12 MeV/nukleon, které nepohltilo relativně tenké stínění. Dominantně tak šlo o částice galaktického kosmického záření. Využívala detektory složené z plastů, které dobře simulovaly lidské tělo či vodu. První fáze měření detektoru (podrobný popis zde) pokrývá právě období blízké měřením sondy Čandraján-1. Ukazovala na hodnoty 220 až 270 µGy/den na dráze ve výšce 50 km od Měsíce. To je v poměrně dobré shodě s měřeními přístroje sondy Čandraján-1.

 

Měření neutrálních částic, neutronů a fotonů gama, pomocí sestavy RAD při průjezdu vozítka Curiosity průsmykem Paraitepuy (zdroj: prezentace B. Ehresmanna na 26. WRMISS 2023)
Měření neutrálních částic, neutronů a fotonů gama, pomocí sestavy RAD při průjezdu vozítka Curiosity průsmykem Paraitepuy (zdroj: prezentace B. Ehresmanna na 26. WRMISS 2023)

Dlouhodobější měření je ukázáno v souhrnné práci z roku 2016. Bylo možné pozorovat průběh změn dávkového příkonu při cestě od minima sluneční aktivity k maximu. Na přiložených grafech jsou zobrazeny změny počtu slunečních skvrn, tedy průběh sluneční aktivity, modelové výpočty dávkového příkonu z primárního kosmického záření u Měsíce a také experimentálních hodnot získaných pomocí sondy ACE sledující sluneční počasí v libračním bodu L1 a pomocí měsíční družice LRO. Je vidět, že modelové předpovědi jsou ve velice dobré shodě s pozorováním obou kosmických přístrojů. Zároveň data z družice LRO velmi dobře navazují na měření ACE.

 

Letový model přístroje RADOM umístěný na družici měsíce Čandraján-1 (zdroj S.V. Vadawale et al: arXiv:1012.2014).
Letový model přístroje RADOM umístěný na družici měsíce Čandraján-1 (zdroj S.V. Vadawale et al: arXiv:1012.2014).

V grafech je dávkový příkon vyjádřen v jednotkách cGy/rok (cGy/rok = 27,4 µGy/den). V minimu sluneční činnosti se pohyboval až okolo 330 µGy/den a v době slunečního maxima klesala až k hodnotě 140 µGy/den.

 

Pomocí sestavy CRaTER se podařilo změřit také měsíční protonové albedo. Jde o protony vzniklé v tříštivých reakcích vysokoenergetických protonů a těžších jader s měsíčním regolitem. Ukazují se změny tohoto albeda v závislosti na změnách složení regolitu v různých místech, jsou rozdíly mezi tímto albedem u pevninských oblastí a měsíčních moří.

Na Měsíci zatím přistávají pouze automaty. Některé z nich nesou dozimetrické přístroje a mohou tak přispět k monitorování radiační situace na měsíčním povrchu.

 

Sestava CRaTER na družici Měsíce LRO (zdroj H.E. Spence et al: Space Sci Rev 150(2010)243)
Sestava CRaTER na družici Měsíce LRO (zdroj H.E. Spence et al: Space Sci Rev 150(2010)243)

Dne 3. ledna 2019 přistál na Měsíci, a to poprvé na jeho odvrácené straně v kráteru von Karman, čínský lunární modul Chang´e 4 (na Oslovi zde a zde). Jedním z jeho úkolů bylo i studium kosmického záření a dozimetrie na povrchu Měsíce. K tomu sloužila sestava LND (Lunar Lander Neutrons and Dosimetry), která kromě primárního kosmického záření studovala i neutrony vznikající interakcí primárních nabitých částic s lunárním regolitem. Přístroj vyvinuli vědci německé University v Kielu.

 

Srovnání vývoje počtu slunečních skvrn (aktivity Slunce) a dávkového příkonu z kosmického záření na povrch Měsíce z modelových výpočtů (světle modrá čára) a měření sondou ACE (červeně) a LRO (zeleně) (zdroj J.W. Keller et al: Icarus 273(2016)2)
Srovnání vývoje počtu slunečních skvrn (aktivity Slunce) a dávkového příkonu z kosmického záření na povrch Měsíce z modelových výpočtů (světle modrá čára) a měření sondou ACE (červeně) a LRO (zeleně) (zdroj J.W. Keller et al: Icarus 273(2016)2)

V době, kdy neprobíhají velké sluneční erupce, dominuje dozimetrické situaci v případě lehkého stínění, které bylo třeba i u Curiosity, galaktické kosmické záření a sekundární neutrony a další částice produkované v jeho interakci s měsíčním povrchem. Za dominantní část dávkového příkonu mohou protony a ionty s energií v oblasti 100 MeV/nukleon až 100 GeV/nukleon. V případě masivnějšího stínění se zmíněný rozsah přesunuje k vyšším energiím. Hadronové spršky produkované ionty s nižší energií se sice pohltí, ale ty s vyšší energií se více rozvinou a produkují velké množství sekundárních částic.

Sestava LDN na lunárním přistávacím modulu Chang´e 4 (zdroj R.F. Wimmer-Schwengruber et al: Space Sci Rev (2020) 216:104)
Sestava LDN na lunárním přistávacím modulu Chang´e 4 (zdroj R.F. Wimmer-Schwengruber et al: Space Sci Rev (2020) 216:104)

V práci v Science Advance z roku 2020 byly publikovány výsledky z tohoto přistávacího modulu. Během ledna a února 2019 byl celkový dávkový příkon měřený křemíkovými detektory 317 µGy/den, z čehož 74 µGy/den připadalo na neutrální částice. Dávkový příkon nabitých částic tak byl 243 µGy/den. Připomeňme, že v té době bylo minimum sluneční aktivity. Po konverzi spektra lineárního přenosu energie z křemíku na vodu se získala průměrná hodnota jakostního faktoru Q = 4,3. Z celkového dávkového příkonu tak dostaneme hodnotu ekvivalentního dávkového příkonu 1360 µSv/den, tedy zhruba 1,4 mSv/den a 0,51 Sv/rok.

 

Let Artemis I

Velkým přínosem pro dozimetrii cesty kosmonautů k Měsíci a pobytu na jeho orbitě je velice úspěšný let lodi Orion v rámci mise Artemis 1. Připomeňme, že let proběhl mezi 16. listopadem a 11. prosincem 2022 v sestavě lodi MPCV Orion, servisního modulu ESA a ICPS (Interim Cryogenic Propulsion System). Na palubě byla celá řada dozimetrů a také dva dozimetrické fantomy Helga, přičemž Zohar měla navíc ochranou protiradiační vestu (podrobněji na Oslovi zde a zde) Fantomy mají složení odpovídající lidskému tělu a jeho orgánů, v tomto případě ženských. Jsou navíc prošpikovány tisícovkami dozimetrických senzorů.


Naměřené spektru lineárního přenosu energie LET (zdroj S. Zhang: Science Advaces 6(2020))
Naměřené spektru lineárního přenosu energie LET (zdroj S. Zhang: Science Advaces 6(2020))

První výsledky z experimentu prezentovali Thomas Berger a Diego Lamore na již zmíněné pracovní poradě WRMISS 26. Podrobné analýzy získaných dat, jejich interpretaci a publikaci je třeba teprve realizovat, takže je možné zmínit jen několik předběžných závěrů. Efektivní dávka byla během celé mise okolo 22 mSv. Metody pro výpočet a předpověď efektivních dávek během letu se osvědčily, měřená hodnota byla jen o 10 % vyšší. Rozdíl a velice rozsáhlá sestava měřících bodů dovoluje vylepšit používané modely. Můžeme se tak těšit na řadu zajímavých výsledků a připravovat z dozimetrického hlediska lety Artemis 2 a 3.

 

Závěr

Člověk se chystá vrátit na Měsíc a vypravit na Mars. Kritickou výzvou je v tomto případě ochrana před kosmickým zářením. Pro projektování stínění připravovaných kosmických lodí, vesmírných stanic, ochranných vest a skafandrů potřebujeme modely a programy, které dokážou simulovat vlastnosti kosmického záření v různých místech, jejich interakci a biologické účinky. Na jejich přesnosti závisí kvalita budoucích lodí i zdraví kosmonautů. Pro jejich kontrolu a vylepšování jsou nutná kvalitní a dlouhodobější měření v meziplanetárním prostoru i na povrchu Měsíce a Marsu.

Proto je velice dobře, že se podařilo realizovat řadu potřebných měření. Několik sond pracovalo v okolí Měsíce a na jeho povrchu monitoroval dozimetrickou situaci přistávací modul Chang´e 4. Při cestě k Marsu a na jeho povrchu měřilo dozimetrickou situaci vozítko Curiosity. Ve všech případech v případě, kdy není sluneční bouře, má dominantní vliv galaktického kosmického záření. To je silně závislé na sluneční aktivitě a v průběhu jejího minima může být dávkový příkon o řadu desítek procent vyšší.

 

Získané hodnoty ekvivalentního dávkového příkonu z galaktického kosmického záření tedy silně závisí na sluneční aktivitě a na dalších podmínkách. Například v blízkosti Měsíce na stínění tímto tělesem. Ukazuje se, že jejich hodnoty jsou podobné v okolí Měsíce i na cestě k Marsu, kde jsou mezi 1 až 2 mSv/den. Podobné hodnoty má dávkový příkon i na povrchu Měsíce. Na povrchu Marsu je díky jeho atmosféře o desítky procent nižší.

K současným limitům pro profesní dávku kosmonautů se tak dostáváme zhruba během roku. Situaci lze pochopitelně zlepšit dobře udělaným stíněním a dalšími opatření. Je tak vidět, že z hlediska galaktického kosmického záření by měly být plánované lety k Měsíci i Marsu realizovatelné. Musí však být také zajištěn úkryt a ochrana před slunečními erupcemi. Dostatečnou tloušťku stínění lze díky nižší energii jejich částic vytvořit snadněji. Ovšem i tak budou dostatečně dobře stíněné prostory spíše menší částí kosmické lodi. Proto je potřeba mít kvalitní předpověď slunečního počasí pro včasný úkryt posádky v připraveném krytu.

Podrobněji se diskutují možné způsoby ochrany a také principy interakce a vhodné materiály v přednášce. Kritické je už zmíněné modelování. Jako příklad modelu a jeho testování může sloužit REDMoon (Radiation Environment and Dose at the Moon)

Napsáno pro OSEL a Kosmonautix.


Video: Populární přednáška o ochraně kosmonautů před kosmickým zářením

Datum: 14.02.2024
Tisk článku


Diskuze:

F M,2024-02-16 16:05:26

Dobrý den děkuji za článek i přednášku a moc se těším na další.
Jak dobrá ochrana se očekává od té vesty/obleku a jsou již nějaké výsledky?
Jak velký je příspěvek druhotné radiace, jak z komponent lodi tak potravin ,vody, vzduchu, předpokládám, že relativně malý?
Děkuji

Odpovědět


Re:

Karel Marsalek,2024-02-17 18:23:12

Vesta Astrorad je produktem firmy Stemrad. Stemrad ma fakticke sidlo na Floride, ale vyrabi v Izraeli. Jelikoz se jedna o podnikani (narozdil od nas, vedcu :-) ), byla velka ocekavani ve stinicich schopnostech vesty. Vestu jsme integrovali v DLR (https://www.dlr.de/me/mare/) na jeden z mericich fantomu. Slunecni protony (do max. stovek MeV) se daji odstinit nekolika centimetry H2O nebo plastu bohateho na vodik. Materialy s vyssim atomovym cislem by produkuovaly vice sekundarnich castic a ty by zvysily davku pro astronauta. Energetictejsi zareni, ktere pochazi z nasi galaxie (nebo i dale), je natolik energeticke, ze pri snaze jej odstinit je efekt kontraproduktivni a takto vznikle sekundarni castice davku meritelne zvysuji.

Takze pokud bychom leteli s vestou na ISS, kde priblizne polovina davky astronauta pochazi ze solarnich protonu zachycenych pri pruletech jihoatlanticke (magneticke) anomalii SAA (vnitrni van Allenuv pas, https://en.wikipedia.org/wiki/South_Atlantic_Anomaly), tak by vesta nosena (pouze) pri pruletech SAA (celkem ca. 1 az 1,5 hodiny denne) mela meritelny pozitivni efekt. Jelikoz jsme s Helgou a Zohar leteli k Mesici, proletli jsme pasem se solarnimi nizkoenergetickymi protony behem asi 30 minut - v te dobe byl pozitivni stinici efekt vesty meritelny nasimi (mymi :-) ) aktivnimi dozimetry. Mimo tuto oblast produkovala vesta interakci s galaktickm vysoce enegetickym kosmickym zarenim sekundarni castice, ktere zvysovaly davku oproti fantomu, ktery vestu nemel. Tim se potvrdily nase vypocetni simulace zareni. Fyzika opet fungovala OK :-)

Takze je potreba zduraznit, ze vesta by mela smysl pouze nosena pri vyskytu solarnich nizkoenergetickych protonu bud v SAA nebo pri "solarnich erupcich". Mimo tuto dobu by bylo potreba vestu odlozit. Podle nasich mereni radiace na 25 dennim "vylete" ARTEMIS 1 kolem Mesice a zpet se NASA rozhodla nezaradit vestu do vybavy pro dalsi mise ARTEMIS 2 a dale. Modul posadky Orion byl postaven se zohlednenim ochrany posadky pred kosmickym zarenim a evidentne se to nasim kolegum u NASA a Lockheed Martin povedlo. Nase mereni ukazaly, ze astronauti budou dostatecne chraneni i bez vesty. N.B. donedavna byly davkove limity astronautu u NASA pro muze a zeny rozdilne (muzi smeli obdrzet vice), ale jelikoz jiz neni zadny vedecky duvod rozlisovat mezi muzi a zenami, nebot jde nove o konstrukt pouze genderovy, byly limity u NASA stanoveny pro vsechny osoby na urovni drivejsich limitu zenskych :-)
Zdravim do CR!

Odpovědět


Re: Re:

F M,2024-02-17 18:50:33

Děkuji za odpověď. Škoda, že je přínos tak malý jak jsem očekával. Test simulací je také důležitý, a získané zkušenosti se předpokládám uplatní v radiační ochraně na naší matičce.
Předpokládám, že stejný problém se sekundárními částicemi je i u "stínění konstrukcí", což mi trošku bere naději na možnost delšího pobytu ve vesmíru. Na ten Mars to každopádně, pokud bude vůle, bude :-)

Odpovědět


Re: Re:

Vladimír Wagner,2024-02-19 16:53:34

Moc díky za perfektní aktuální doplnění a také zdravím. Vladimír Wagner

Odpovědět

Poděkování

Pepa Vondrák,2024-02-15 13:32:11

Dobrý den pane Wagnere,

děkuji za připojení přednášky, článek je pro mě obtížně prostupný, kdežto přednáška je zábavná a dá se pustit večer, místo televize (rodina promine :-). Vůbec jsem netušil, že takhle na YouTube publikujete, už koukám po dalších přednáškách.

Díky za ně,

JV

Odpovědět


Re: Poděkování

Vladimír Wagner,2024-02-19 16:55:31

Moc díky za pochvalu, potěší. Článek je trochu odbornější a zaměřen více na detaily. Jsem rád, že se vám přednáška líbí.

Odpovědět

Tunely na Marsu?

Florian Stanislav,2024-02-15 10:26:32

Článek
"Z celkového dávkového příkonu tak dostaneme hodnotu ekvivalentního dávkového příkonu 1360 µSv/den, tedy zhruba 1,4 mSv/den a 0,51 Sv/rok---
Ukazuje se, že jejich hodnoty jsou podobné v okolí Měsíce i na cestě k Marsu, kde jsou mezi 1 až 2 mSv/den".
Průměrná dávka záření z přírodních zdrojů na Zemi – včetně kosmického pozadí – je 2,2 milisievertu za rok.
Pak poměr 0,51 Sv/ 0,0022 Sv = 232 krát víc na Marsu (podobně na cestě k Marsu) jak na Zemi.
Gravitace na Marsu je asi 1/3 pozemské, takže zatížené mělkých tunelů by bylo menší, na povrchu lze očekávat spíše prach. Vyrobit něco jako marsovský beton, bude energeticky náročné. A je otázka kolik času budou muset být kosmonauté na Marsu kvůli budování tunelů ( a kontrole robotů) ve skafandrech, které ochrání málo.

Odpovědět


Re: Tunely na Marsu?

Vladimír Wagner,2024-02-15 11:07:01

Jen bych upřesnil, že vámi kopírované hodnoty se týkají povrchu Měsíce. Na povrchu Marsu by šlo o hodnoty nižší. Podle toho, jaké by to bylo období z hlediska sluneční aktivity, by se jednalo o hodnoty zhruba mezi 0,8 - 1,2 mSv/den, tedy 290 - 440 mSv/rok. Zároveň jsou i místa v Evropě, kde je radiační pozadí i o řád větší než u nás a ve světě jsou i místa s vyšším radiačním pozadím. Ovšem na Marsu je zmíněné pozadí čistě z kosmického záření a v podstatě všude. A určitě tam budou místa, kde je to i dramaticky horší. V každém případě jde o zásadní výzvu pro případnou činnost na Marsu.

Odpovědět

Limity ozáření pro pracovníky se zářením

Alexandr Malusek,2024-02-14 23:18:52

Zajímavá přednáška se spoustou informací. Jenom dodám, že roční limity ozáření pro pracovníky se zářením byly sníženy z 50 mSv na 20 mSv. Formulace ve vyhlášce č. 422/2016 Sb je obecnější, nicméně měla by se řídit směrnicí 2013/59/Euratom, která říká:
Dose limits for occupational exposure are as follows:

- for effective dose limit: 20 mSv in any single year;
- in special circumstances: upto 50 mSv in a single year (the average annual dose over any five consecutive years must not exceed 20 mSv);

Odpovědět


Re: Limity ozáření pro pracovníky se zářením

Vladimír Wagner,2024-02-15 08:48:04

Pane Malusku, děkuji za pochvalu i doplnění. Pravidlo, nejvýše 50 mSv v roce a nejvýše 100 mSv za pět let (nejlépe 20 mSv ročně) platí už hodně dlouho. Alespoň to mám z pravidelného zkoušení z radiační bezpečnosti hodně silně zafixované :-) V přednášce jsem nešel do detailů, protože se věnovala pobytu v kosmickém prostoru a tam jsou limity vyšší. Ještě jednou děkuji za příspěvek do diskuze.

Odpovědět


Re: Re: Limity ozáření pro pracovníky se zářením

Alexandr Malusek,2024-02-15 11:54:25

Ano, pravidlo, které uvádíte, bylo v české legislativě používáno dlouho. Změna byla provedena v roce 2017. Vyhláška 422 ze 14. prosince 2016 uvádí (cituji):

Limity pro radiačního pracovníka musí být použity pro omezení profesního ozáření a jsou
a) pro součet efektivních dávek ze zevního ozáření a úvazků efektivních dávek z vnitřního ozáření 20 mSv za kalendářní rok nebo hodnota schválena Úřadem podle § 63 odst. 4 atomového zákona, nejvýše však 100 mSv za 5 po sobě jdoucích kalendářních let a současně 50 mSv za jeden kalendářní rok, (konec citace)

Takže v současnosti je ten limit 20 mSv, ale SÚJB může povolit používání starého limitu 50 mSv s tím, že nedojde k překročení 100 mSv v průběhu 5 let. Pro jistotu se zeptejte toho, kdo to školí. Já se řídím legislativou Švédska, tam je limit 20 mSv natvrdo. Českou legislativu neznám do detailu.

Odpovědět


Re: Re: Re: Limity ozáření pro pracovníky se zářením

Vladimír Wagner,2024-02-15 12:24:33

To už je trochu slovíčkaření a rozebírání toho, co platí za jakých podmínek a pro koho. I v práci s radiací na zemi (nejen ve vesmíru) jsou specifické práce, kde je třeba pracovat v horších radiačních podmínkách. I dříve platilo, že možnost využít limit 50 mSv (přes 20 mSv) byla jen ve velmi opodstatněných podmínkách. Pokud je možné i nyní využívat limit 50 mSv ročně, nejde o starý limit, ale současný. Ale, jak už jsem zmiňoval, jde už o "detaily", které nejsou pro veřejnost úplně podstatné, ale pochopitelně pro pracovníka v radiačním prostředí a hlavně pro jeho zaměstnavatele jde o pravidla klíčová. Já jsem nikdy nedosáhl ani limitu 20 mSv, naopak kolegové, kteří na cyklotronu produkují radionuklidy pro radiofarmaka na tuto limitu naráželi a narážejí. V každém případě děkuji za diskuzi a upřesňování.

Odpovědět

Aktivna ochrana

Martin Para,2024-02-14 15:24:08

Skúšala sa už niekedy aj aktívna ochrana typu umeleho mag. poľa?
Zemské mag. pole má 30 000 - 60 000 nT. To by nemal byt az taky problém

Odpovědět


Re: Aktivna ochrana

Vladimír Wagner,2024-02-14 15:55:06

Problémem je, že při takto slabém poli potřebujete tak velký prostor, který zaujímá zemské magnetické pole. Pokud je ovšem prostor, který pokrýváte polem o mnoho řádů menší, musí být pole pro zachycení částic s danou energií o mnoho řádů větší. A dostáváte se do problémů. Zatím se reálně ochrana magnetickým polem na vesmírných lodích nezkoušel.

Odpovědět


Re: Re: Aktivna ochrana

Martin Para,2024-02-14 17:11:04

Díky

Odpovědět


Re: Re: Re: Aktivna ochrana

Jarda Ticháček,2024-02-14 21:10:10

Má reakce je zároveň otázkou směrovanou na pana Wagnera.
Mám totiž pocit, že už to někdo zkoušel. Byť ne cíleně, ale nevědomky. To jsou třeba mikrofony a sluchátka.
Ale je to jen takový ad hoc nápad u piva po lyžování. Nějak se mi nechce zjišťovat, jaká je intenzita magnetického pole kolem starého mikrofonu Shure Green Bullet, ale vím, že mávat s ním deset cm nad snímači Telecasteru je zážitek.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Aktivna ochrana

Vladimír Wagner,2024-02-15 11:14:58

Na Zemi se intenzivní magnetické pole pro změnu pohybu nabitých částic v celé řadě zařízení (urychlovače, spektrometry, shromažďovací prstence, magnetické nádoby pro udržení plazmatu ...). Máme tak s tím velice rozsáhlé zkušenosti. Magnetický spektrometr AMS je i na stanici ISS. Když jsem psal, že se magnetická ochrana před nabitými částiceminetestovala, měl jsem na mysli specifický test magnetické ochrany kosmické lodi nebo družice.

Odpovědět


Re: Re: Aktivna ochrana

Pavel A1,2024-02-14 21:47:43

Navíc, i kdyby se podařilo nasimulovat vliv magnetického pole Země, pořád bude chybět těch 100 km atmosféry, která pohltí záření, co to magnetické pole neodchýlí.

Odpovědět


Re: Re: Re: Aktivna ochrana

F M,2024-02-18 14:56:14

Jestli tomu dobře rozumím, tak existuje něco jako limita pro "rozumně masivní" stínění materiálem, kdy při odstínění slabších částic je již další kontraproduktivní, odvozuji že s vzdáleností od slunce bude níž. Tedy k té atmosféře, s dobrým (zatím nereálným) magnetickým štítem, bude nejlepší malé nejlépe žádné. Pro cesty mimo sluneční soustavu to tedy vypadá buď na nanokonstruktory, nebo Rámu.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Aktivna ochrana

F M,2024-02-18 17:25:52

Omlouvám se nevím čím to je, ale zobrazuje se jiný text než jsem odeslal. Původně jsem se domníval, že je to zcela moje chyba, ale text který se zobrazuje zde kde reaguji na tu chybnou verzi je správně. Nemá s tím někdo zkušenost? Jde o zkomolení "nanokonstruktorů" a zřejmě smíchání některých oprav které jsem provedl. Píši z mobilního telefonu.

Odpovědět


Re: Re: Aktivna ochrana

Martin Para,2024-02-17 20:14:52

A ak by sa pouzilo nieco na sposob toroidneho jadra transformatora? Kde by v zeleznom jadre bolo indukovany omnoho silnejsi magnoticky tok s vacsou intenzitou na odtienenie priestoru vo vnutri ako v otvorenom priestore....

Odpovědět


Re: Aktivna ochrana

Karel Marsalek,2024-02-17 17:40:08

Velmi dobra otazka! Ano, pred par lety jsem zasechl u Thales Alenia Space (Turin, Italie), ze se snazi magentickymi poli odchylit nabite kosmicke castice. Pri kratkem dosahu takoveho umeleho mag. pole jsou potrebne intenzity mag. pole velmi vysoke a krome energetickych naroku je to potiz s pusobenim mag. pole na posadku :-)

Odpovědět

Prostě smaženice

Tomáš Novák,2024-02-14 12:37:48

Z astronautů mimo magnetické pole zanedlouho mnoho nezbyde - resp. nezůstanou naživu :-(

Odpovědět


Re: Prostě smaženice

Vladimír Wagner,2024-02-14 12:57:11

Pane Nováku, můžete mi prosím vysvětlit, jak jste ke svému závěru přišel? Četl jste prosím vůbec alespoň kousek článku nebo jste se pouze potřeboval projevit v diskuzi.

Odpovědět


Re: Prostě smaženice

F M,2024-02-14 19:33:58

Prostě i se stíněním na úrovni "lehké" sondy po jedné expedici změní náplň zaměstnání. Věřte, že spoustě lidí by stálo za to i to. S dalšími vylepšeními by to mělo vyjít i lépe. Při delším pobytu se samozřejmě bude muset omezit pobyt na povrchu, naštěstí jak na Marsu tak Měsíci je, narozdíl od kosmických stanic, kam se zahrabat.

Odpovědět


Re: Re: Prostě smaženice

Vojtěch Kocián,2024-02-15 08:44:50

Záleží na délce expedice. Na ISS pod ochranou magnetického pole Země je radiační zátěž zhruba poloviční (zdroj: starší článek pana Wagnera https://www.osel.cz/11797-jak-chranit-kosmonauty-pred-radiaci.html) a některé mise trvají i rok. Pokud to nějaká mise k Měsíci nebo na jeho povrch bude trvat řekněme dva až tři měsíce, tak to ještě na ukončení kariéry aktivního astronauta nebude. Jen na nějakou tu pauzu. Pro pilotovanou misi na Mars už by to nějaké lepší stínění chtělo. Posádka by to nejspíš přežila, ale následky by nemusely být příjemné.

Odpovědět


Re: Re: Re: Prostě smaženice

F M,2024-02-15 12:11:08

Loď pro lidskou posádku by měla nést mnohem více materiálu a díky tomu mít lepší stínění. Myslím, že by to i díky poloviční době letu mohlo radiačně rozumně vyjít i teď, ale samozřejmě jakékoli finančně únosné zlepšení je vítáno. Myslím cestu k Marsu. U cesty k Měsíci to snad může pokazit jen špatné počasí. Ta reakce byla spíše na zalepení tohoto vlákna které by se asi klidně mohlo ustřihnout.

Odpovědět

Flame war

Michal Ex laugaritio,2024-02-14 09:09:30

Most funny thing: variation in energy input from this particles are not considered in climate models, therefore during solar X-class flare, models indicate decrease in solar energy, as they count just on UV ;)

Odpovědět


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce








Zásady ochrany osobních údajů webu osel.cz