Biti astronaut nikad nije bilo lako. Iako je to danas mnogo manje opasno zanimanje nego u prošlosti, muškarci i žene posvećeni osvajanju kosmosa znaju da tokom misije postoji mnogo stvari koje bi mogle poći kako ne treba. Ali od svih opasnosti postoji jedna koja obično ostaje neprimećena a koja je uprkos tome prisutna u svakoj misiji. Mislim na zračenje.
Kada Sunce u eksploziji odbacuje zračenje i materijal, to se naziva odbacivanje koronalne mase (CME). Zračenje od CME može da utiče na planete i satelite na orbitama, ali će delovati ubistveno na putnike koji budu ostajali godinama u kosmosu.
Svi astronauti tokom kosmičkog leta primaju pozamašne doze zračenja. Iako ne predstavlja glavnu prepreku za kratkotrajne misije, zračenje postaje ogroman problem ako želimo da živimo neograničeno u kosmosu ili pak da putujemo kroz Sunčev sistem. U stvari, za mnoge to predstavlja problem istraživanja kosmosa par excellence. Moglo bi se pomisliti da smo proučavajući nekoliko decenija učinke zračenja na ljude u stanju da precizno predvidimo uticaj kosmičkog zračenja na ljude. Ipak ne. Nismo ni blizu. Istina je da ne znamo mnogo o njegovim dugoročnim učincima.
Na početku kosmičke ere, zračenje je predstavljalo jednu od najvećih briga za naučnike. Mnogi su verovali da će svako ljudsko biće koje se odvaži da izađe van Zemljine atmosfere biti žrtva smrtonosnih doza zračenja koje će ih trenutno ubiti ili možda pretvoriti u neku vrstu mutiranog čudovišta. Prve kosmičke misije su pokazale postojanje stalnog protoka energetskih čestica u svemiru, ali je istovremeno utvrđeno da doze nisu smrtonosne. Za svaki slučaj, nekoliko životinja je putovalo u svemir pre nego što je bilo koji čovjek izašao u orbitu. Budući da nijedan od njih nije pokazao oštećenja od zračenja niti je postao mutantan, putovanje u kosmos s posadom smatralo se sigurnim.
Gotovo pet stotina muškaraca i žena putovalo je u kosmos u poslednjih pedeset godina, dokazujući da kosmičko zračenje nije smrtonosno. Pa ipak, tu je.
Svaki put kada se izvode vanbrodske aktivnosti (EVA) treba uzeti u obzir nivo radijacije.
Zračenje u svemiru
Za razliku od onoga što mnogi ljudi misle, kosmos u blizini Zemlje nije 'prazno' i netaknuto mesto, već je prosto vrvi od raznih vrsta čestica. Neke od njih poseduju dovoljno energije da nanesu štetu našem telu i razbiju DNA u našim ćelijama. A svi znamo šta to znači: rak. Jonizujuće zračenje kojem su astronauti izloženi ima tri moguća izvora: Sunce, kosmičke zrake i pojaseve Zemljinog zračenja. Pogledajmo ukratko karakteristike svakog izvora kosmičkog zračenja.
Uštećenja genetskog materijala u našim ćelijama usled zračenja.
Sunce
Sunce nije statična zvezda, već aktivni objekat koji kontinuirano izbacuje materijal sa svoje površine. Ta struja čestica se naziva solarni vetar, iako je to ime koje može da zavara. Sunčev vetar je zapravo plazma, odnosno fluks naelektrisanih čestica s pripadajućim magnetskim poljem, što je vrlo važno pri analizi njegovih učinaka na zdravlje. Tvore ga uglavnom jezgra vodonika (protoni) i helijuma (alfa čestice), najzastupljeniji elementi u našoj zvezdi i u kosmosu. Tu je i mali udeo teških jezgara, ali ništa spektakularno. Da je reč samo o solarnom vetru, Sunce ne bi predstavljalo nikakvu opasnost za astronaute.
Solarni vetar u funkciji solarne geografske širine.
Problem je u tome što Sunce s vremena na vreme izbljuvava velike količine visokoenergetskih čestica. Te 'solarne oluje' nazivaju se Događaji solarnih čestica, ili SPE (Solar Particle Events), a njihovo poreklo je prilično složeno. Krajnje pojednostavljeno, može se reći da je SPE stvoren u interakciji sa Sunčevim magnetnim poljem i povezan je s dva druga vrlo nasilna solarna fenomena: bljeskovima (flare) i CME(Coronal Mass Ejections). SPE se uglavnom sastoje od protona koji nose energiju od najviše nekoliko stotina megaelektronvolti (MeV), plus nešto alfa čestica i neobično teških jezgara.
SPA događaji do 2007. Tokom godina izloženosti aktivnostima energetskih protona sa Sunca, kosmički brodovi mogu da ostanu bez struje i da neki instrumenti budu isključeni.
Učinci SPE na ljudsko telo su mnogo gori od onih koje uzrokuje solarni vetar. I to mnogo. Recimo da za vreme takvog događaja niko ne bi želeo da se nađe nezaštićen u svemiru, osim ako ne želi kao ja da bude ozračen potencijalno smrtonosnim dozama (1-4 sieverta). Srećom, SPE su vrlo retki. Naša zvezda emituje jedan ili dva važna SPE svakih jedanaest godina, a samo 20% njih utiče na sistem Zemlja-Mesec. Iako je to nepredvidljivo, mnogo je verovatnije da će Sunce generisati SPE kada je bliže maksimumu svog 11-godišnjeg ciklusa aktivnosti. Jednom kad se oslobode, treba im između dvanaest sati i dva dana da dosegnu Zemljinu orbitu, što je obično više nego dovoljno vremena za upozoravanje astronauta ako je dostupna odgovarajuća mreža za detektovanje.
Kosmički zraci
Obdarene tajanstvenim imenom, kosmički zraci, ili GCR (Galactic Cosmic Rays), predstavljaju čestice koje potiču iz najegzotičnijih ćoškova naše galaksije. Većina ih je stvorena milionima godina ranije eksplozijom supernove ili u akrecionom disku crne rupe i putovali su hiljadama svetlosnih godina pre nego što su dosegli naš Sunčev sistem.
Za razliku od solarnog vetra, njihove energije su vrlo promenjive, ali ono što nas zanima je da mogu da dosegnu i do 10 GeV po nukleonu[1] (odgovara brzini protona od 99,6% brzine svetlosti), što je između deset i dvadeset puta više od protona koji emituje Sunce. To znači da se neke čestice kreću gotovo brzinom svetlosti. Većina kosmičkih zraka takođe su protoni (90%) i alfa čestice (8%), ali oko 2% su teška jezgra. Kao što ćemo videti, ovih 2% posebno je problematično za svemirske letove s posadom. Naravno, broj kosmičkih zraka u jedinici vremena – odnosno fluks – mnogo je manji od Sunčevog vetra ili protona SPE, što uveliko minimizuje opasnost od njih. Srećom, velik broj kosmičkih zraka skreće usled magnetskih polja Sunca i Zemlje.
Promena fluksa kosmičkih zraka na osnovu ciklusa solarne aktivnosti. Uočeno je da je fluks na LEO orbiti mnogo manji zahvaljujući magnetosferi.
Radijacioni pojasevi
Strogo govoreći, pojasevi nisu pravi 'izvor' zračenja, jer se zapravo sastoje od energetskih čestica zarobljenih u magnetnom polju naše planete. Te čestice potiču od kosmičkih zraka ili solarnog vetra, što objašnjava zašto većina protona ima maksimalnu energiju od nekoliko stotina MeV. Spoljnji pojasevi zračenja sastoje se od elektrona, ali su oni manje opasni. Oblik i intenzitet radijacionih pojaseva varira u zavisnosti od ciklusa Sunčeve aktivnosti, ali se većina protona nalazi u prstenu koji ima maksimalnu gustinu na visini od oko 6000 kilometara.
Van Alenovi radijacioni pojasevi. Sadrže zarobljene protone i elektrone. Zemlja ima dva osnovna pojasa koja se protežu između 640 i 58.000 km. Unutrašnji pojas se proteže od 1.000 do 12.000 km iunad površine, a proteže se od 13.000 do 60.000 km. Na magnetnom ekvatoru, fluks elektrona sa energijom većom od 5 MeV kreće se od 1,2×106 do 9,4×109 čestica po cm2 u sekundi.
U principu je dovoljno boraviti na putanjama visine ispod 500 kilometara da bi izbegli efekte radijacionih pojaseva. Nažalost, magnetno polje naše planete poseduje distorziju koja omogućava prodor protona Van Alenovih pojaseva na niže visine u područje smešteno uz obale Brazila (35° juž. i 35° zap.). Ova regija je prikladno nazvana 'Južnoatlanska anomalija' (SAA) i utiče na sve misije s ljudskom posadom sa orbitalnim nagibom većim od 30°, kao što je slučaj s Međunarodnom kosmičkom stanicom (ISS). Većina zračenja koje prima posada ISS-a posledica je upravo ove anomalije.
Nivoi zračenja na niskoj orbiti. Jedino se izdvaja SAA, gde je zračenje najbliže Zemlji i spušta se na oko 200 km. Na tom mestu je Zemljino magnetno polje najslabije.
Zemljina magnetosfera je ono što nas štiti od kosmičkog zračenja i SPE.
Na neki način se čini kao da se kosmos urotio kako bi spriječio astronaute da se brane od zračenja. Ako se ograničimo na misije u niskoj zemljinoj orbiti (LEO), Zemljino magnetno polje će nas zaštititi od SPE i kosmičkih zraka, ali ćemo morati da trpimo efekte radijacionih pojaseva. Naprotiv, misije izvan Zemlje će morati da se odupiru uticaju SPE i kosmičkih zraka. Tokom minimalne Sunčeve aktivnosti verovatnoća problema sa SPE je minimalna, ali zauzvrat se smanjuje intenzitet Sunčevog magnetnog polja a broj kosmičkih zraka koje dopiru do unutrašnjosti Sunčevog sistema se udvostručuje.
Distribucija fluksa protonskog pojasa.
Protok različitih vrsta čestica u kosmičkom zračenju u zavisnosti od njihove energije. Srećom, najenergetskije čestice su i one kojih ima najmanje u fluksu (NASA).
Doze i efekti
Kako izmeriti dozu zračenja? U međunarodnom sistemu jedinica, gray (Gy) se koristi za merenje apsorbovanje doze zračenja, jedinica koja zamenjuje tradicionalni rad (1 Gy = 100 rad). Zračenje od jednog greja apsorbuje jedan džul (1 J) energije u jednom kilogramu materije ili tkiva. Nemaju sve vrste zračenja istu prodornu snagu, tako da apsorbovana doza jako zavisi od prirode datih čestica.
Ako smo zainteresovani za merenje efekata zračenja na ljude, apsorbovana doza nije osobito korisna veličina, budući da efekti zračenja variraju u zavisnosti od tipa ozračenog organa. Zbog toga se koristimo konceptom ekvivalentne doze, koji je sličan apsorbovanoj dozi, ali ispravljen kako bi se uzelo u obzir oštećenje živog tkiva. Njegova jedinica je sivert (Sv; 1 Sv = 100 rem). Kao što je poznato, učinci jonizujućeg zračenja su stohastički. Lep način na koji možemo da kažemo da ne postoji minimalna doza koja može da nam naškodi. A priori, bilo koja doza zračenja može da uzrokuje rak, iako će očito verovatnoća da zavisi od doze[2]. Otuda panika koju uzrokuje samo pominjanje reči 'zračenje', ali pritom ne smemo da zaboravimo da smo svi podvrgnuti prirodnim izvorima zračenja. Osoba obično primi dozu od oko 3,6 milisieverta (mSv) – odnosno 0,0036 Sv – iz prirode tokom godine dana, između ostlog i od kosmičkih zraka. S druge strane, koliko je važna doza, toliko je važno i vreme izlaganja. Reći da je osoba pretrpela dozu od 1 mSv ne znači ništa ako ne odredimo trajanje zračenja.
Velika većina astronauta otputovala je u Zemljinu orbitu (LEO), gde preovlađuju efekti radijacionih pojaseva. Stoga LEO doze zavise od Sunčeve aktivnosti. One su unutar ISS-a obično u rasponu od 0,4-1,1 mSv dnevno, uključujući efekte zaštite. Dugotrajne ekspedicije ostaju u orbiti i po šest meseci, pa ekvivalentna doza doseže vrednosti od 70-500 mSv godišnje.
Dnevne doze zračenja primljene u različitim misijama. Zelene tačke su misije 'Apollo'. Vidi se kako misije u LEO s velikim visinama i nagibima mogu da primaju doze zračenja slične onima na 'Apollu' (NASA).
Poređenje doza zračenja – uključen je i iznos izmeren tokom putovanja rovera 'Curiosity' od Zemlje do Marsa nemačkim instrumentom-detektorom RAD.
I šta sad – je li ovo puno ili malo? Pa recimo da je to dovoljno. Zakoni u SAD i drugim zemljama, poput Nemačke, Italije ili Španije[3], ograničavaju maksimalnu godišnju dozu koju radnik može primiti u okruženju izloženom zračenju na 50 mSv, iako se obično na tim poslovima godišnje ne premašuje 2 mSv. Postoje i druge 'konvencionalnije' profesije koje su takođe izložene zračenju.Naprimer, piloti lajnera koji lete na interkontinentalnim letovima mogu da prime 1-5 mSv godišnje od kosmičkog zračenja. NASA je 2000. godine odlučila da smanji maksimalne doze koje je astronaut mogao da primi tokom svoje karijere, na takav način da verovatnoća da će tokom života zakačiti fatalni karcinom kao posljedicu zračenja ne prelazi 3%.
Maksimalne doze zračenja koje astronauti smeju da akumuliraju tokom 10 godina. Jedino mi nije jasno zašto muškarci primaju 25-50% veće doze od žena ako smo već ravnopravni?
Kao što vidimo, dopuštene doze koje se tolerišu povećavaju se s godinama putnika. Žene imaju veći rizik od raka zbog mlečnih žlezda, stoga su maksimalne doze niže nego u slučaju muškaraca (a naša jajca?). Jesu li ove doze bezbedne? Za sada ne znamo. Broj astronauta nije dovoljno velik da bi podaci bili statistički značajni. Nadalje, problem je što su ove doze utvrđene na temelju podataka dobivenih izlaganjem gama zracima ili X-zracima, ali o učincima teških jezgara na ljudsko tijelo znamo vrlo malo. Ta su jezgra osnovni deo kozmičkih zraka i vrlo je teško smanjiti njihove učinke, za razliku od onoga što se događa sa SPE. Nažalost, dostupni podaci sugerišu da su tumori generisani delovanjem teških jezgara gori i agresivniji i imaju tendenciju da se pojave ranije.
Nekoliko primera dnevnih doza u različitim misijama.
Maksimalne doze po astronautu tokom kosmičke trke.
Poređenje doza koje su primili astronauti koji su izvodili EVA na niskoj orbiti i onih koji to nisu činili. Nema velikih razlika.
Detektori zračenja na ISS (NASA)
Kako se obraniti od zračenja?
Iako zvuči kao truizam, najbolja obrana je izvođenje kratkih kosmičkih letova. Ova jednostavna tehnika omogućila je ograničavanje doze koju su primali astronauti iz programa 'Apollo', iako su putovali van zaštite radijacionih pojaseva. Šanse da se SPE pojavi tokom misije od nekoliko dana minimalne su. To je ono što se naziva 'statistička zaštita'.
Međutim, u slučaju misije na Mars, ne preostaje nam ništa drugo do da rešimo pomenute neugodnosti. Ako zaboravimo na neke revolucionarne pogonske metode, trajanje putovanja do Crvene planete dovoljno je dugo da će se lako dogoditi jedan ili dva SPE tokom misije. Kao da to nije dovoljno, kosmički zraci – praktički beznačajni u orbitnim letovima – poprimiće ogroman značaj u ovim dugotrajnim međuplanetnim misijama.
'Apollo' misije nisu patile od velikih doza zračenja zahvaljujući relativno kratkim trajanjima.
Misije na Mars podijeljene su u dve vrste: konjunkcione i opozicione. Konjunkcione misije uključuju dugo zadržavanje na površini (300-600 dana) i kratko jednosmerno putovanje od 150-250 dana (trajanje zavisi od uzejanog položaja planeta). Opozicione misije karakteriše kratak boravak na planeti od samo 20-60 dana i dugim putovanjima od 100-400 dana. Efekti zračenja bi bili manji u slučaju konjunkcionih misija, jer bi se tokom boravka na Marsu doze znatno smanjile zahvaljujući masi planete i tankoj atmosferi.
Doze zračenja na površini Marsa zbog kosmičkih zraka. Najviša područja su najmanje zaštićena, jer se nalaze van atmosfere (NASA).
Stoga je očito da će marsovska letilica morati da budu opremljene posebnim 'skloništem' za zaštitu astronauta od SPE. Materijali koji najbolje zaustavljaju zračenje koje sadrži protone jesu materijali s elementima niskog atomskog broja, poput vodonika. Ali ostaju nam teška jezgra kosmičkih zraka. I tu se krije problem. Teška jezgra iz komičkih zraka kreću se relativističkim brzinama, pa kada se budu sudarila s metalnom strukturom kosmičkog broda generisaće kaskadu sekundarnih čestica, uključujući neutrone, alfa čestice i mezone. Te sekundarne čestice će predstavljati dodatni izvor zračenja koji izaziva veliku zabrinutost. Kao rezultat toga, ponekad čelična ili aluminijumska konstrukcija letilice neće smanjivati dozu zračenja, već je povećavati.
Zato se veruje da će upotreba nekoliko slojeva polietilena (ugljovodonika bogatog vodonikom) i vode biti najbolji način zaštite posade broda, barem u slučaju SPE. Druga mogućnost bi bila uključivanje aktivne zaštite pomoću magnetnih ili elektrostatičkih polja. Međutim, ovaj sistem troši puno energije, što će zahtevati upotrebu nuklearnih reaktora ili golemih solarnih panela. Uz to, takođe, ne nude potpunu zaštitu od najenergetskijih teških jezgara.
Zaštita od zračenja prema materijalima različite gustine (NASA).
Efikasnost različitih probnih štitova u dve misije shuttlea (NASA).
Učinak na doze zračenja pri korišćenju različitih štitova (NASA).
Predlog elektrostatičke zaštite za lunarnu bazu (NASA).
Bez aktivnog štita, doza zračenja na putovanju na Mars bila bi najmanje jedan ili dva siverta, znatno iznad trenutnih Nasinih limita. Imajući ove brojke na umu, ne bi bilo iznenađujuće da prvo ljudsko biće koje će kročiti na Crvenu planetu bude čovek stariji od šezdeset godina.
Na kraju, ispostavlja se da zračenje u kosmosu nije prepreka za dostizanje Zemljine orbite. Ali ako u budućnosti želimo da živimo na drugim planetama, ne preostaje nam drugo nego da naučimo kako da se zaštitimo od ovog nevidljivog neprijatelja.
[1] Ekstremi postoje, i najviše izmerena energija je premašivala 1020 eV, što je ekvivalentno energiji teniske loptice koja leti 200 km/h!
[2] Obično se kaže da jednomesečna doza ozračenosti od 1 sieverta povećava šansu da neko umre za 50%. Smatra se nekim maksimumom koji bi jedan Nasin astronaut smeo da primi tokom karijere.
[3] Iz našeg pravilnika o granicama izlaganja SRBATOM: Granica efektivne doze za profesionalno izložena lica iznosi 100 mSv za pet uzastopnih godina (prosečna vrednost 20 mSv godišnje), uz dodatno ograničenje da ni u jednoj godini efektivna doza ne pređe vrednost od 50 mSv.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
