Hva er den beste strålingsskjermingen for overflaten til Mars?

Planeten Mars kaller på oss. Det er i hvert fall det inntrykket man får når man undersøker alle de planlagte og foreslåtte oppdragene til den røde planeten i det kommende tiåret. Med så mange romfartsorganisasjoner som for tiden sender oppdrag dit for å karakterisere miljøet, atmosfæren og geologisk historie, virker det sannsynlig at mannskapsoppdrag er rett rundt hjørnet. Faktisk har både NASA og Kina gjort det klart at de har til hensikt å sende oppdrag til Mars på begynnelsen av 2030-tallet som vil kulminere i opprettelsen av overflatehabitater.

For å sikre astronauters helse og sikkerhet, både under transport og på overflaten av Mars, undersøker forskere flere måter å stråling beskyttelse. I en fersk studie studerte et team fra Blue Marble Space Institute of Science (BMSIS) hvordan ulike materialer kan brukes til å lage strålingsbeskyttende strukturer. Dette inkluderte materialer hentet fra jorden og de som kan høstes direkte fra Mars-miljøet. Dette er i tråd med in-situ-ressursutnyttelse (ISRU) prosessen, der lokale ressurser utnyttes for å møte behovene til astronautmannskapene og oppdraget.

Forskningen ble ledet av Dionysios Gakis, en gjesteforsker ved BMSIS og en fysikkutdannet ved University of Patras, Hellas. Han fikk selskap av Dr. Dimitra Atri, en seniorforsker ved BMISIS, en fysikkprofessor ved Center for Space Science ved New York University Abu Dhabi, og Gakis’ akademiske rådgiver. Artikkelen som beskriver funnene deres (“Modling the effectiveness of radiation shielding materials for astronaut protection on Mars”) vurderes for publisering av Astronautisk lov.

Mars-strålingsmiljøet er betydelig farligere enn jordens på grunn av sin tynne atmosfære og mangel på et planetarisk magnetfelt. På jorden er mennesker i utviklede land utsatt for et gjennomsnitt på 0,62 rads (6,2 mSv) per år, mens overflaten på Mars mottar omtrent 24,45 rads (244,5 mSv) per år – og enda mer når solarrangementer (aka. solutbrudd) skje.

Som Dr. Atri fortalte Universe Today via e-post, kommer denne strålingen i flere former: “Galaktisk kosmiske stråler består av ladede partikler som er en milliard (eller flere) ganger mer energiske enn synlig lys. De kan trenge gjennom skjerming og forårsake uopprettelig skade på Menneskekroppen. I tillegg kan solstormer noen ganger akselerere ladede partikler til svært høye energier (solenergipartikler), noe som kan forårsake sammenlignbare skader. Mengden stråling som kommer fra kosmiske stråler er svært forutsigbar, mens solstormer er svært vanskelig å forutsi.”

For sin studie undersøkte Gakis og Dr. Atri egenskapene til ulike skjermingsmaterialer som kunne transporteres til Mars eller høstes in situ. Disse besto av materialer som er vanlige i romfartsindustrien– som aluminium, polyetylen, cykloheksan, polymetylmetakrylat, Mylar og Kevlar – og vann, flytende hydrogen i karbonfiber og Mars regolit. Som Gakis forklarte, vurderte de hvert av disse materialene ved å bruke GEANT4 numerisk modell-en programvarepakke som simulerer passasje av partikler gjennom materie ved hjelp av statistiske Monte Carlo-metoder.

“Vi bygde en beregningsmodell av Mars og målte den kosmiske energiavsetningen inne i et hypotetisk menneskelig fantom, som representerer en astronaut,” sa han. “Et skjold av materiale ble satt til å absorbere en del av strålingen før det nådde astronauten. De mest effektive materialene, når det gjelder strålingsbeskyttelse, var de som slapp minst energi gjennom i astronautens kropp.”

Resultatene deres indikerte at hydrogenrike materialer (dvs. vannis) har en forutsigbar respons på GCR og derfor er det beste forsvaret mot kosmiske stråler. De fant videre at regolit har en mellomrespons og kan derfor brukes til ekstra skjerming – spesielt når den kombineres med aluminium.

Gakis sa: “For eksempel, selv om aluminium ikke ble funnet å være like effektivt som andre materialer, kan det fortsatt være nyttig for å redusere stråledoser, og vi tar til orde for å kombinere det med andre materialer. Mars regolit har lignende oppførsel og fordelen av å være en in-situ materiale, som ikke krever at vi bærer det fra jorden.”

NASA og andre romorganisasjoner vurderer flere design, materialer og teknologier som vil tillate å skape habitater på månen, Mars og utover. Spesielt NASA og den kinesiske nasjonale romfartsorganisasjonen (CNSA) planlegger for mannskapsoppdrag til Mars i det neste tiåret, som vil lanseres hver 26. måned (starter i 2033) og kulminerer med etableringen av habitater på overflaten. I følge Gakis og Dr. Atris analyse vil disse habitatene sannsynligvis bestå av en indre struktur laget med lette materialer som transporteres til lave kostnader fra Jorden.

Når det gjelder aluminium og karbonfiber, kan de produseres på stedet ved å bruke aluminium utvunnet fra stein fra Mars og karbon høstet fra atmosfæren. Disse kan deretter skjermes ved å bruke lokalt høstet vannis og regolit, som roboter vil 3D-printe for å lage en beskyttende overbygning. Slike habitater vil muliggjøre langvarige oppdrag langt utenfor jorden og kan til og med være et springbrett til permanente menneskelige bosetninger i verdensrommet.

“Stråling er et av mange spørsmål menneskeheten må ta tak i for å lykkes med mennesket [exploration of] den røde planeten,” oppsummerte Gakis. “Vi tror at vår forskning er enda et skritt i å forstå de ødeleggende effektene av kosmiske stråler i Mars-miljøet og planlegge effektive avbøtende strategier for fremtidige mannskapsoppdrag til Mars.”

---

---