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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
Diskuze:
