Promieniowanie kosmiczne a podróże międzyplanetarne
Część pierwsza omówienia
Uwaga: część druga, w której skupiam się na szczegółowej analizie problemu promieniowania w kontekście systemu SpaceX Starship, dostępna jest pod tym linkiem.
Odkąd Elon Musk, założyciel i zarazem główny inżynier firmy SpaceX, roztoczył wizję stałej osady na Marsie, temat wyzwań, towarzyszących przedsięwzięciu tej skali, przebija się powoli (acz konsekwentnie) do medialnego mainstreamu.
Ostatnie sukcesy kampanii testowej (zachęcam obejrzeć video w całości) eksperymentalnego statku Starship, zdolnego na przestrzeni użytkowej około 1000 m³ zabrać na Marsa kilkudziesięciu astronautów w komfortowych warunkach, pozwalają patrzeć na plany Muska z rosnącym optymizmem.
Tymczasem w dyskusjach – najczęściej tych internetowych – dot. przyszłej marsjańskiej bazy, jak również długich, załogowych misji kosmicznych ogółem, regularnie przewija się problematyka promieniowania kosmicznego oraz jego szkodliwości dla ludzkiego organizmu. Sam termin „promieniowanie kosmiczne” brzmi złowrogo, stąd jest często używany przez laików w ramach kwestionowania sensu pozaziemskich kolonii.
Przyjrzymy się więc bliżej temu zagadnieniu – niniejszy wpis (stanowiący część pierwszą cyklu, przybliżającego naukę oraz technologię przez pryzmat „nowego wyścigu kosmicznego”, który nabiera właśnie tempa za sprawą prywatnych inicjatyw, ze SpaceX na czele) ma na celu przystępne omówienie następujących kwestii:
czym jest promieniowanie kosmiczne i co jest jego źródłem;
czemu nie słyszy się o jego szkodliwości w kontekście ludzi na Ziemi, która wszak też jest w kosmosie;
jakie skutki dla zdrowia wywołuje ekspozycja na promieniowanie ogółem, po jakim czasie oraz czy są to skutki nieodwracalne;
na jakie dawki promieniowania narażeni będą astronauci w misji na Marsa i czy zagrażają one jej powodzeniu.
W kolejnym wpisie skupimy się natomiast na:
teoretycznych i praktycznych metodach ochrony astronautów przed promieniowaniem
rozwiązaniach inżynieryjnych dla statku oraz habitatów bazy marsjańskiej, ze szczególnym uwzględnieniem koncepcji Starship i planów kolonizacyjnych SpaceX.
Zapraszam:)
Co naukowcy nazywają promieniowaniem kosmicznym?
Najkrótsza odpowiedź: to zależy.
Termin ten jest bowiem używany do opisu całej gamy zjawisk, w zależności od kontekstu. Tu natomiast skupimy się na takim promieniowaniu kosmicznym, przed którym należy chronić astronautów przez wzgląd na ich zdrowie oraz zdolność do wykonywania zadań misji.
Tak zdefiniowane promieniowanie kosmiczne to po prostu promieniowanie jonizujące, którego źródło nie jest na Ziemi. O promieniowaniu jonizującym mówimy, gdy wypromieniowana cząstka niesie ze sobą na tyle dużo energii, że zderzając się z materią na swej drodze może ją nieco „sponiewierać” (tj. wpłynąć na jej strukturę molekularną, np. „odrywając” elektrony od danej molekuły). Jest to, rzecz jasna, opis uproszczony, lecz taki właśnie w zupełności wystarczy nam do dalszych rozważań.
Jako ludzie, musimy się wystrzegać takich silnie naładowanych cząstek, gdyż są one w stanie przeniknąć do wnętrza naszych komórek oraz mechanicznie uszkodzić podwójną helisę DNA, a komórki pozbawione instrukcji zakodowanej w genach „nie wiedzą, co mają robić” i mogą w rezultacie stać się np. komórkami nowotworowymi (gdy utracone zostaną wytyczne, kiedy mają przestać się dzielić) lub zupełnie obumrzeć. Tu warto uświadomić sobie, że nasz układ odpornościowy codziennie „czyści” organizm z takich niesprawnych komórek, lecz ma w tym działaniu ograniczone „moce przerobowe”, różne u danego człowieka, w zależności od jego ogólnej kondycji zdrowotnej.
Jeżeli dany materiał emituje takie wysokoenergetyczne cząstki, nazywamy go promieniotwórczym.
Pod tym względem, specyfika promieniowania kosmicznego nie różni się zasadniczo od wielu źródeł ziemskich, na które ludzie są codziennie narażeni – od palenia papierosów (inhalacja radioaktywnego polonu-210, bombardującego następnie płuca promieniowaniem cząstkami alfa, tj. jądrami helu) po przejście przez bramkę na lotnisku. Łatwo się jednak domyśleć, że nie specyfika promieniowania ma tu kluczowe znaczenie, a jego dawka, którą najczęściej mierzymy w siwertach (Sv). Przykładowo, ratownicy interweniujący na miejscu katastrofy reaktora elektrowni Fukushima Daiichi mogli przyjąć ponad 600 mSv, czyli 600 milisiwertów (dla porównania, palenie 1,5 paczki papierosów dziennie to dawka około 160 mSv rocznie).
Słońce zaś to wielki reaktor termojądrowy, który naturalnie także wypromieniowuje we wszystkich kierunkach naładowane cząstki, głównie protony i elektrony. Tak zwany wiatr słoneczny „wieje” cały czas – Słońce traci w ten sposób 4-5 mln ton materii na sekundę – aczkolwiek z różną intensywnością. Kwestię 11-letniego cyklu aktywności słonecznej, wpływającego na tzw. pogodę kosmiczną, na ten moment pominiemy (wrócimy do niej niedługo).
Cząstki pochodzące ze Słońca, w naszym otoczeniu najliczniejsze, to nie jedyne składowe promieniowania kosmicznego. Przez Układ Słoneczny w każdym momencie przelatują również cząstki wyemitowane w centrum Drogi Mlecznej, przez supernowe (a dokładniej, pozostawione po eksplozjach supernowych, potężne pola magnetyczne), a nawet takie, które swoją podróż zaczęły dosłownie „dawno, dawno temu w odległej galaktyce”. Co więcej, te poza-słoneczne (oraz poza-galaktyczne) promieniowanie zawiera też cząstki o gigantycznych energiach1, całe rzędy wielkości większych niż te, emitowane przez naszą gwiazdę.
Co nas chroni?
Naszą pierwszą i najważniejszą linią obrony przed tego rodzaju promieniowaniem jest ziemskie pole magnetyczne, które „odchyla” wiatr słoneczny. Mówiąc precyzyjniej, dipol magnetyczny Ziemi powoduje, że trajektoria naładowanych cząstek ulega zmianie i docierają one do atmosfery w okolicach biegunów. Dlatego w rejonie koła podbiegunowego możemy obserwować zorze – efekty świetlne są wynikiem kontaktu promieniowania jonizującego z górnymi warstwami atmosfery, gdzie jej atomy są wzbudzane, czego skutkiem jest emisja fotonów (barwy zorzy zależą od tego, jakie gazy zostały wzbudzone, co jest z kolei pochodną „stopnia penetracji” atmosfery przez cząstki wiatru słonecznego).
Drugą linią obrony jest właśnie atmosfera – te cząstki z kosmosu, które przedostają się przez „tarczę” pola magnetycznego, zderzają się z cząstkami w górnych warstwach atmosfery i rozpadają w całą kaskadę kolejnych cząstek (w ten sposób wytracana jest ich pierwotna energia) – nazywamy je wtórnym promieniowaniem kosmicznym. Każdy dostaje skromną jego dawkę (personel pokładowy linii lotniczych adekwatnie większą), analogicznie jak przyjmujemy jonizujące promieniowanie z szeregu innych źródeł pochodzenia ziemskiego. Łącznie otrzymujemy ze źródeł naturalnych około 3 mSv rocznie.
Podróże międzyplanetarne
Jak rysuje się kwestia promieniowania w przypadku przyszłych misji kolonizacyjnych?
Podstawowa różnica polega, co powinno być już jasne, na opuszczeniu przez statek kosmiczny ochronnego „pola siłowego” ziemskiego magnetyzmu, które w znacznym stopniu ochrania np. Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS), ale już nie Księżyc.
Nasuwa się zatem pytanie: co konkretnie grozi astronautom, lecącym na Marsa? Jaką dawkę promieniowania przyjmą?
Zanim sformułujemy odpowiedź, warto jeszcze „odhaczyć” jedną, ważną kwestię: Słońce nie promieniuje w sposób jednostajny. Jeśli wciąż czytasz ten tekst, prawdopodobnie nie jest Ci obcy termin „burza magnetyczna” (czasem zwana też burzą słoneczną) – w istocie, naszej gwieździe zdarzają się czasem „nerwowe dni”, podczas których jej aktywność znacząco przekracza normę. Podczas okresów podwyższonej aktywności bywa, że turbulencje pola magnetycznego Słońca wyrzucają w stronę Ziemi (jeśli ta akurat przypadkowo znajduje się w niefortunnym miejscu swej orbity) duże ilości materii słonecznej; czasem tak duże, że ziemska magnetosfera nie jest sobie w stanie z nią „poradzić”. Dzieją się wtedy rzeczy dziwne. Na niebie w Bieszczadach pojawiają się zorze polarne, występują problemy z łącznością radiową, w przypadkach ekstremalnych satelity mogą ulec uszkodzeniu lub doświadczyć nieplanowanych zmian trajektorii (może się to skończyć ich przedwczesnym spaleniem w atmosferze), a nawet instalacje naziemne mogą zostać zniszczone (co miało już miejsce2 i kwestią czasu jest, jak stanie się ponownie).
Teoretycznie, potężny, „wycelowany” w Ziemię koronalny wyrzut masy (tak brzmi bowiem nazwa fenomenu) mógłby spowodować globalne w skali kataklizmy naturalne, lecz tego rodzaju wątki nawiązują do naszych obecnych rozważań jedynie w takim sensie, iż pozaziemskie przyczyny (zbłąkane planetoidy, rozbłyski gamma, itd.) w istocie mogą być odpowiedzialne za globalne kataklizmy i właśnie dlatego ludzie powinni dążyć, by stać się gatunkiem międzyplanetarnym jak najszybciej.
Wracamy więc do naszych astronautów...
Ustaliliśmy wyżej, że mogliby się oni obawiać trzech rodzajów zjawisk, z których każde mieści się w pojemnej definicji „promieniowania kosmicznego”. Są to:
naładowane cząstki niesione przez tzw. wiatr słoneczny;
(bardzo) wysokoenergetyczne cząstki spoza naszego Układu Słonecznego, a nawet z odległych galaktyk;
okazjonalne burze magnetyczne i towarzyszące im wyjątkowo silne (acz krótkie) rozbłyski na Słońcu.
Zważywszy na fakt, że zjawisko ostatnie jest okazjonalne i może nie wystąpić przez dłuższy okres wcale, a nawet jak wystąpi, to rozbłysk bynajmniej nie musi być po tej samej stronie Słońca co marsjański statek, poziom jego wpływu na zdrowie załogi omówimy na końcu (a wnioski mogą być dla niektórych zaskakujące).
Natomiast pozostałe dwa fenomeny są relatywnie stałe w swej naturze (uwzględniając jedenastoletnie cykle słonecznej aktywności), a zatem możemy w odniesieniu do nich posługiwać się konkretnymi liczbami, choć konieczne będzie sformułowanie pewnych założeń wyjściowych.
Nie musimy jednak spekulować – wszak odbywaliśmy już podróż na Marsa wielokrotnie, a naukowcom organizującym misje nie umknęło na szczęście, że warto dokonać po drodze pewnych pomiarów.
I tak np. sonda Mars Science Laboratory (MSL), wystrzelona w 2011 roku w celu dostarczenia na Marsa łazika Curiosity, miała na pokładzie detektor promieniowania RAD (Radiation Assessment Detector).
Zakładając, że MSL byłaby statkiem załogowym, a podróż na Marsa trwała 6 miesięcy (może trwać krócej, zależy to od wzajemnego położenia planet), każdy członek załogi przyjąłby w tym czasie około 300 mSv.
Na marginesie…Dla porównania, ekspozycja na 350 mSv stanowiła kryterium relokacji ludzi z terenów dotkniętych opadem radioaktywnym po katastrofie w Czarnobylu. Przy czym fakt relokacji danego człowieka, w ramach wysiłków zmierzających do ograniczenia skutków zdrowotnych eksplozji reaktora, nie oznacza jeszcze, iż odczuwał on później jakiekolwiek reperkusje zdrowotne (wg raportu WHO z 2006 roku, w grupie 600 tys. osób najbardziej narażonych na napromieniowanie po katastrofie, odnotowano 4 tys. więcej zgonów na raka, niż wskazywałaby statystyka).
Dawkę 100 mSv rocznie uznaje się za najniższy poziom, powyżej którego wpływ promieniowania na zwiększenie ryzyka choroby nowotworowej jest ewidentny. I tu znowu pamiętajmy: zwiększenie ryzyka wystąpienia nowotworu nie jest jednoznaczne z jego wystąpieniem (bardzo wiele zależy od trybu życia danej osoby).
Idąc dalej, przyjmowanie takiej dawki przez 10 lat, czyli sumarycznie 1000 mSv (1 siwert), statystycznie u pięciu osób na sto byłoby główną przyczyną wykształcenia przez organizm śmiertelnego nowotworu w okresie następnych lat po zakończeniu ekspozycji. Przyjęcie tej samej dawki (1 siwert) jednorazowo wywoła (po około miesiącu) objawy choroby popromiennej, w pełni jednak uleczalnej. W scenariuszu, w którym dana osoba posiada zawczasu wiedzę o swojej ekspozycji na promieniowanie, jego skutki można częściowo ograniczać metodami farmakologicznymi. Pięć siwertów spowoduje chorobę popromienną, z której (z pomocą medyczną) wyjdzie więcej niż co druga osoba (w pozostałych <50 procentach przypadków choroba będzie z czasem śmiertelna). Dziesięć siwertów zabije napromieniowaną osobę w prawie każdym przypadku (>99%), niezależnie od udzielonej pomocy medycznej, w około dwa tygodnie.
Konieczne jest jednak odnotowanie trzech rzeczy:
powyższa wartość nie uwzględnia rozbłysków słonecznych (tych w okresie 253 dni tranzytu Ziemia-Mars RAD zarejestrował łącznie 5);
poszycie sondy jest bardzo cienkie – ekranowanie przed promieniowaniem w statku bezzałogowym ma na celu ochronę jedynie najbardziej wrażliwej elektroniki;
za praktycznie 100% ww. dawki odpowiadają wysokoenergetyczne cząstki spoza Układu Słonecznego – ogromna większość cząstek pochodzenia słonecznego (nie licząc silnych rozbłysków) ma zbyt niską energię, by spenetrować nawet cienkie poszycie sondy.
Uświadomienie sobie konsekwencji ostatniego punktu jest kluczowe dla właściwego zrozumienia problematyki. Przyjrzyjmy się najpierw maksymalnym, dopuszczalnym przez NASA dawkom promieniowania dla astronautów w okresie całej kariery (różnice wynikają z faktu, że przyjęcie dużej dawki w młodym wieku może np. przyczynić się do rozwoju nowotworu kilkadziesiąt lat później):
Dodatkowo, stosowany jest maksymalny limit roczny w wysokości 500 mSv.
Powyższe limity mają znaczenie przy planowaniu misji na ISS – jej moduły są jednak znacznie lepiej ekranowane niż w przypadku sondy MSL, a poza tym stacja orbituje na tyle blisko Ziemi, że chroniona jest przez jej pole magnetyczne. Oznacza to w praktyce, że prawie żadne cząstki pochodzące ze Słońca, nawet podczas jego silnych rozbłysków, nie przedostają się do jej wnętrza. By proton promieniowania kosmicznego „sięgnął” astronautów wewnątrz ISS, penetrując najpierw pole magnetyczne Ziemi, jego energia powinna wynosić powyżej 150 MeV, a tymczasem nawet silne burze słoneczne rzadko emitują cząstki o energii znacznie przekraczającej 100 MeV.
Co więc napromieniowuje astronautów?
Cząstki spoza Układu Słonecznego – te same, które napromieniowują też nas, tylko w znacznie mniejszym stopniu, z uwagi na atmosferę. Te wysokoenergetyczne cząstki nie dają się łatwo zatrzymać, lecz planując długie kosmiczne misje, można minimalizować ich wpływ. I to jest moment, w którym wracamy do 11-letniego cyklu aktywności słonecznej.
Spadki Forbusha
Wiemy już, że ziemskie pole magnetyczne osłania nas przed wiatrem słonecznym. To samo zjawisko działa również w większej skali – pole magnetyczne Słońca osłania cały Układ Słoneczny przed promieniowaniem galaktycznym (te będziemy nazywać od teraz GCR, od Galactic Cosmic Rays). Wraz ze wzrostem aktywności naszej gwiazdy (ta mierzona jest z reguły liczbą tzw. plam słonecznych), której maksimum przypada co 11 lat, natężenie jej pola magnetycznego odchyla coraz więcej cząstek, dzięki czemu penetracja przestrzeni międzyplanetarnej przez GCR jest mniejsza. Zdecydowanie mniejsza: różnica w dawkach promieniowania pochodzenia galaktycznego w okresach słonecznego minimum i słonecznego maksimum może być nawet ponad dwukrotna (siła “słonecznej tarczy” determinuje nie tylko liczbę cząstek GCR, lecz również ich średnią energię), a to ma zasadniczy wpływ na kosmiczne podróże.
Co więcej, koronalne wyrzuty masy (zdarzające się w okresach szczytowej aktywności Słońca regularnie) niosą ze sobą „bańki” własnego, silnego pola magnetycznego, dodatkowo „osłaniając” przestrzeń na swojej drodze przed intruzami spoza Układu Słonecznego.
To tak zwany efekt Forbusha, znany nauce już od roku 1937 i rejestrowany później nawet przez odległe sondy Pioneer.
Wnioski
Efekt Forbusha ma bardzo istotne, praktyczne znaczenie dla przyszłych astronautów w marsjańskich misjach – przed cząstkami emitowanymi przez „niespokojne” Słońce stosunkowo łatwo się chronić (różne metody ekranowania statku omówimy przy okazji następnego wpisu), a jego zwiększony wtedy magnetyzm znacząco redukuje napływ cząstek GCR, przed którymi chronić się o wiele trudniej. Konkluzja jest jasna – na Marsa najlepiej latać w okresach słonecznego maksimum, pomimo tego, że potencjalnie groźnych rozbłysków jest wtedy zdecydowanie najwięcej.
Rzut oka na wykres słonecznej aktywności pozwala stwierdzić, że dla SpaceX idealnie byłoby zdążyć z pierwszą misją załogową na okno transferowe (te pojawiają się co 26 miesięcy, w związku z mechaniką orbitalną obu planet) w roku 2024 lub 2026 – tuż przed lub tuż po prognozowanym maksimum 25 cyklu słonecznego.
Wyposażeni w nową wiedzę, wracamy do pomiarów wykonanych przez instrumenty sondy MSL – lecąc w momencie wzrostu aktywności cyklu 24 (ten został oficjalnie uznany za zakończony w grudniu 2019), ale nie w jego maksimum, RAD rejestrował średnio 1,75 mSv dziennie na skutek GCR. Dodatkowo wykrył 5 rozbłysków słonecznych o łącznej dawce promieniowania 25 mSv. Gdyby przelot przypadał na maksimum cyklu, średnia dzienna dawka wynosiłaby około 1 mSv na skutek GCR, lecz należałoby się spodziewać większej liczby rozbłysków (byłyby one też statystycznie silniejsze). Przyjmując sześciomiesięczny okres trwania misji, bezpiecznym założeniem jest w tym przypadku dodatkowe 100 mSv na skutek rozbłysków.
Oznacza to, że nawet gdyby nie ekranować astronautów przed rozbłyskami (powyższe liczby dotyczą bowiem wartości zarejestrowanych przez detektor bezzałogowej sondy), sumaryczna dawka promieniowania w maksimum cyklu i tak byłaby mniejsza, niż w warunkach rzeczywistego przelotu MSL. Zaś ochrona astronautów przed słonecznymi rozbłyskami jest nie tylko technicznie wykonalna, co wręcz relatywnie prosta. Tym bardziej, że cząstki emitowane przez rozbłyski nie poruszają się z prędkością światła (jak komunikacja radiowa z Ziemią), a wolniej – w praktyce oznacza to, że załoga statku otrzyma informacje o ryzyku z dużym wyprzedzeniem (z reguły od kilkudziesięciu minut do kilku godzin). Dzięki temu nie zachodzi konieczność ekranowania całego statku – wystarczy, by załoga miała do dyspozycji „opancerzony” schron, w którym przeczeka słoneczną zawieruchę (te trwają najczęściej od kilkunastu do kilkuset minut).
Różnym rozwiązaniom inżynieryjnym w tym zakresie przyjrzymy się w następnej części cyklu.
Po wylądowaniu na Marsie
Analogiczne wnioskowanie możemy z powodzeniem odnieść do samej bazy marsjańskiej – tam jednak sytuacja jest nieco lepsza, ponieważ po pierwsze Mars posiada atmosferę (aczkolwiek znacznie gorzej chroniącą przed promieniowaniem niż ziemska), a po drugie koloniści będą narażeni na burze słoneczne jedynie w okresie marsjańskiego dnia (w nocy oddziela ich od Słońca cała planeta). Niestety, pole magnetyczne Marsa jest śladowe z uwagi na brak aktywnego jądra, stąd średnia dawka promieniowania „na poziomie morza” jest większa niż na ISS – wg danych z RAD średnio 0,7 mSv dziennie.
Metodom wykorzystania rzeźby marsjańskiego terenu w celu ograniczenia wpływu cząstek GCR oraz innym koncepcjom, mitygującym ryzyko dla ludzi na Marsie, poświęcony zostanie odrębny wpis na Substack.
Już teraz jednak rekomenduję zostawić Substack swojego maila (Substack nie wysyła spamu ani ofert) – zainteresowani subskrybenci otrzymają niniejszy artykuł w formie zredagowanej „gazetowo”, uzupełniony o źródła danych i obszerną bibliografię (30 pozycji). Możesz też zasubskrybować, by okazać swoje wsparcie dla popularyzacji wiedzy naukowej:)
Masz pytania dotyczące tego wpisu lub uważasz, że znajduje się w nim błąd?
Nie wahaj się zostawić swojego komentarza:
Przypisy
Detektory na Ziemi wykrywały już cząstki o energii 50 J, czyli porównywalnej do tej, jaką ma piłka bejsbolowa, lecąca z prędkością 90 km/h (całkiem nieźle, jak na proton, którego masa jest „nieco” mniejsza). W ramach dygresji można dodać, że fizycy lubią się czasem „pobawić” cząstkami o wysokich energiach, wykorzystując w tym celu m.in. Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), który służy do rozpędzania cząstek w polu magnetycznym – energia 50 J jest około 40 milionów razy większa niż ta, na jaką stać LHC, a ponieważ energia cząstki jest wynikową jej prędkości, można obliczyć, że gdyby taki proton leciał równolegle do fotonu, to foton zyskiwałby nad nim 1 cm dystansu na każde 215 tys. lat, pomijając relatywizm wynikający z teorii względności.
W 1859 roku Ziemia znalazła się na „kursie kolizyjnym” z największym, zarejestrowanym do tej pory koronalnym wyrzutem masy – jego efektem były zorze widoczne na wszystkich szerokościach geograficznych i poważne uszkodzenia sieci telegraficznej. Burza magnetyczna o zbliżonej intensywności została też zaobserwowana w roku 2012, kiedy wyrzucona ze Słońca materia minęła Ziemię o zaledwie 9 dni. Wg raportu konglomeratu ubezpieczeniowego LLOYDS, gdyby Ziemia znalazła się w zasięgu tej burzy, zniszczenia sieci energetycznej w samych tylko USA zostałyby wycenione od 600 miliardów do ponad 2 bilionów dolarów, zaś przywrócenie pełnej sprawności sieci trwałoby co najmniej 4 lata. Z kolei w roku 1989, wydarzenie o znacznie mniejszej skali pozbawiło prądu 6 milionów mieszkańców kanadyjskiej prowincji Quebec, na około 9 godzin.
Dobry tekst, zastanawiałem się jakiś czas temu nad tym co z tym promieniowaniem kosmicznym i wiele mi rozjaśniłeś. Dzięki.
Tekst wspaniale wyważony pomiędzy przystępnością a dogłębnością. Wrócę po więcej!