|
Beskyttelse af rumrejsende
Farerne ved kosmiske stråler udgør alvorlige, måske uovervindelige, hindringer for menneskelig rumfart til Mars og hinsides
Eugene N. Parker*
I science fiction er de værste trusler mod rumrejsende store: asteroider, glubske væsener, kejserlige slagskibe. Men i virkeligheden er de mest skræmmende trusler for mennesker i rummet de mindste: hurtige elementarpartikler kendt som kosmiske stråler. På en lang rejse ville de give astronauter en dosis stråling, der er alvorlig nok til at forårsage kræft. Ulig de fleste af de andre udfordringer ved at vove sig ud i det dybe rum, som ingeniører burde kunne løse givet nok tid og penge, udgør kosmiske stråler risici, som ikke kan reduceres og det involverer fundamentale omkostninger at tage sig af dem. De kunne være show-stopper for at besøge Mars. I laboratoriet viste kosmiske stråler sig først som en mindre plage. De blev opdaget, da fysikere bemærkede, at elektrisk ladede legemer ikke forbliver sådan; deres ladning lækker langsomt bort gennem luften. Der måtte være noget, der ioniserede luften og tillod den at lede elektricitet. Mange forskere skød skylden på den omgivende radioaktivitet i jorden og klipperne nedenunder. Den østrigske fysiker Victor Hess afgjorde spørgsmålet i 1912, da han gik til vejrs i en ballon og viste, at jo højere han steg, jo hurtigere lækkede ladningen fra hans elektroskop. Så årsagen til den ioniserede luft var noget mystisk, der kom ind fra rummet – derfor navnet ”kosmiske stråler.” I 1950 havde fysikerne bestemt, at betegnelsen i virkeligheden er misvisende. Kosmiske stråler er ikke stråler men ioner – mest protoner, med nogle få tungere kerner indblandet – der rammer toppen af atmosføren med næsten lysets hastighed. De fleste kommer fra hinsides solsystemet, men hvad der slynger dem afsted med en sådan hastighed forbliver et spørgsmål til i dag. Eksperimentatorer, der engang betragtede kosmiske stråler som trættende, omfavnede dem som observationsredskab. Variationer i kosmiske strålers intensitet var en af måderne, hvorpå mine kolleger og jeg udledte eksistensen af solvinden sidst i 1950’erne. I modsætning til den populære tro er det ikke Jordens magnetiske felt, der skærmer folk på jorden mod disse strålers værste angreb men snarere vor atmosfæres omfang. Over hver kvadratcentimeter overflade er der et kilogram luft. Det kræver en lodret søjle på omkring 70 gram – omkring 1/14 del af afstanden gennem atmosfæren, opnået ved en højde på 20 til 25 kilometer (60.000 til 80.000 fod) – før den gennemsnitlige indkommende proton rammer kernen af et atom i luften. Resten af atmosfæren tjener til at absorbere stumperne fra denne første kollision. Slaget slår en proton eller en neutron eller to ud af kernen og udløser en byge af højenergi gammastråler og pi meson, eller pion, partikler. Hver gammastråle trænger dybere ind i atmosfæren og slutter med at frembringe en elektron og dens antistof modpart, en positron. Disse to partikler annihilerer hinanden, hvilket giver mindre energirige gammastråler og sådan fortsætter kredsløbet, indtil gammaerne bliver for svage til at producere partikler. I mellemtiden henfalder pionerne hurtigt til mu mesoner, eller muoner, som trænger igennem til jorden. Når de passerer gennem vore legemer producerer de ioner og bryder kemiske bindinger, men ikke nok til at gøre os betydningsfuld skade. Den årlige dosis kosmisk stråling på omkring 0,03 rem (afhængig af højde) svarer til et par røntgenundersøgelser af brystet. Udenfor atmosfæren er bombardementet af kosmiske stråler intenst. Omkring en proton eller tungere kerne ville passere gennem ens fingernegl hvert sekund med en total på måske 5.000 ioner, der suser gennem kroppen hvert sekund, som hver efterlader et spor af brudte kemiske bindinger og udløser den samme kaskade, der sker i atmosfæren. De relativt få tungere kerner blandt de kosmiske stråler gør lige så megen eller mere skade end protonerne, fordi deres evne til at bryde bindinger er proportional med kvadratet på deres elektriske ladning. For eksempel gør en jernkerne 676 gange mere skade end en proton. En uge eller en måned af denne stråling burde ikke have alvorlige konsekvenser, men et par år på en udflugt til Mars er en anden historie. En vurdering fra NASA er, at omkring en tredjedel af DNA’et i en astronauts krop ville blive gennemskåret af kosmiske stråler hvert år.
Hvad udsætter astronauterne sig for?
Det er ikke helt så slemt som at bevæge sig ind i en kernereaktor, men at rejse gennem rummet kan alligevel være farligt for ens helbred. Denne graf viser en vurdering af den årlige strålingsdosis astronauter ville modtage fra kosmiske stråler. En rem er en fælles enhed for udsættelse for stråling. Interplanetare astronauter ville absorbere mere stråling på et år, end strålingsarbejdere antages at modtage i en levetid og et stort antal ville udvikle kræft og andre sygdomme. Soludbrud og Jordens Van Allen strålingsbælter kan direkte dræbe, men er lettere at undgå. KENT SNODGRASS
Den eneste kvantitative information, der er til rådighed om de biologiske konsekvenser af energirig stråling, kommer fra de uheldige individer, der har været udsat for korte, men intense udbrud af gammastråler og hurtige partikler under kerneeksplosioner og laboratorieulykker. De har lidt celleskade og forøgede kræftrater. En Mars rejsende ville få lignende doser endskønt spredt ud over tid. Ingen ved, hvorvidt de to situationer virkelig er ækvivalente, men sammenligningen er bekymrende. Naturlige biologiske reparationsmekanismer vil måske eller måske ikke kunne holde trit med skaden. Hvad det indebærer blev fornylig studeret af Wallace Friedberg fra Federal Aviation Administration’s Civil Aerospace Medical Institute i Oklahoma City og hans kolleger. I en rapport, der blev publiceret i august 2005, vurderede de, at Mars astronauter ville modtage en dosis på mere end 80 rem om året. Til sammenligning er den lovlige dosisgrænse for arbejdere på kernekraftværker i U.S.A. fem rem om året. En af 10 mandlige astronauter ville med tiden dø af kræft og en ud af seks kvinder ( på grund af deres større sårbarhed for brystkræft). Endvidere kunne de tunge kerner forårsage grå stær og hjerneskade. (Det er sikkert, at disse tal er yderst usikre.)
Plan 1: Materialeskærm
En stor masse omkring astronauterne absorberer indkommende stråling og de sekundære partikler den frembringer. En fem meter tyk, kugleformet skal af vand giver samme beskyttelse som Jordens atmosfære tilbyder i en højde på 5.500 meter (18.000 fod). Fordele: Enkel, virkning garanteret. KENT SNODGRASS
Det konstante haglvejr af kosmiske stråler er naturligvis ikke den eneste trussel fra stråling. Solen kan også slippe mægtige udbrud løs af protoner og tungere kerner, der næsten bevæger sig med lysets hastighed. Sådanne udbrud leverer lejlighedsvis over et par hundrede rem i løbet af omkring en times tid – en dødelig dosis for en uskærmet astronaut. Det store udbrud den 23. februar, 1956 er et notorisk eksempel. Alle forholdsregler, der tages for at afbøde kosmiske stråler, burde også beskytte mod disse solstorme. Alligevel kunne det være klogt at planlægge en tur til Mars i løbet af årene med minimum magnetisk solaktivitet. I anerkendelse af strålingstruslerne oprettede NASA Space Radiation Shielding Program på Marshall Space Flight Center i Huntsville, Ala. i 2003. Den første tanke var at beskytte astronauterne ved at omgive dem med stof ved analogi med Jordens atmosfære. Et andet forslag var at afbøje de kosmiske stråler magnetisk meget på samme måde, som Jordens magnetfelt yder nogen beskyttelse til ækvatoriale områder og Den Internationale Rumstation. En mere nylig ide har været at give rumskibet en positiv ladning, hvilket ville frastøde de positivt ladede kerner. NASA oprettede et todages møde i august 2004 på University of Michigan at Ann Arbor for at vurdere, hvor tingene stod. Konklusionen var ikke forhåbningsfuld. Det var ikke indlysende, hvad løsningen til problemet med de kosmiske stråler kunne være. Det var heller ikke indlysende, at der overhovedet er en løsning.
Plan 2: Magnetisk skærm
En elektromagnet skubber indkommende partikler tilbage i rummet. For at afbøje størstedelen af de kosmiske stråler, som har energier op til to gigaelektronvolt, kræves et magnetfelt der er 600.000 gange så stærkt som Jordens ækvatoriale felt. Fordele: Meget lettere end materialeskærmen. Ulemper: Giver ingen beskyttelse langs aksen. Stærkt magnetisk felt kan i sig selv være farligt.
For at undertrykke feltet inde i beboelsesområdet kunne rumfartøjets konstruktører tilføje en anden, indre elektromagnetisk ring. Men udligningen er kun delvis og forøger systemets kompleksitet meget. KENT SNODGRASS
At matche beskyttelsen, der ydes af Jordens atmosfære, kræver det samme ene kilogram skærmmateriale pr. kvadratcentimeter, skønt astronauterne bekvemt kunne nøjes med 500 gram, hvilket svarer til luftmassen over en højde på 5.500 meter. Alt mindre end det ville begynde at være utilfredsstillende, fordi skærmmaterialet ikke ville absorbere shrapnel.
Hvis materialet er vand, skal det være fem meter dybt. Så en kugleformet vandtank, som indhyller en lille kapsel, ville have en masse på omkring 500 tons. Større, mere komfortable beboelsesområder ville kræve endnu mere. Til sammenligning kan rumfærgen bære en maksimal last på omkring 30 tons. Vand foreslås alment, fordi astronauter alligevel ville behøve det og fordi det er rigt på hydrogen. Tungere grundstoffer udgør mindre effektive skærme, fordi de ekstra protoner og neutroner i deres kerner ligger i hinandens skygger, hvilket begrænser deres evne til at vekselvirke med en indkommende kosmisk stråle. For at forøge hydrogenindholdet kunne ingeniørerne bruge ethylen (C2H4), som har den yderligere fordel, at det kan polymeriseres til polyethylen, et faststof, og derved undgås behovet for en tank til at indeholde det. Alligevel ville den krævede masse være mindst 400 tons – stadig ikke gørligt. Ren brint ville være lettere, men ville kræve en tung beholder under tryk. Overvej så udsigterne til magnetisk afskærmning. En ladet partikel, der bevæger sig gennem et magnetisk felt, afbøjes i rette vinkler til bevægelsens retning. Afhængigt af feltliniernes arrangement kan partiklerne sendes i næsten enhver retning eller endda tvinges til at cirkulere uden slutning. Når den nærmer sig Jordens magnetiske felt ved lave breddegrader, sendes en ladet partikel tilbage ud i rummet, hvis den ikke er for energirig. Et rumfartøj kunne bære en magnet til at gøre det samme.
Plan 3: Elektrostatisk skærm
Affyring af en elektronstråle ud i rummet forårsager, at en positiv ladning opbygges på rumfartøjet. Denne ladning frastøder kosmiske stråler. For at afbøje partikler med energier op til to gigaelektronvolt, skulle skibet oplades til to milliarder volt. Fordele: Ingen gab i dækningen, intet farligt magnetisk felt. Ulemper: Skaber væmmelig flux ind af negativt ladede partikler. Kræver gigantisk elektrisk strøm. KENT SNODGRASS
Et stort problem er dog en individuel kosmisk-stråle protons umådelige kinetiske energi. Tilstrækkelig beskyttelse for astronauterne betyder afvisning af de meget talrige kosmisk-stråling protoner med to milliarder elektronvolt (standardenheden for energi brugt i partikelfysik). For at stoppe dem på nogle få meter ville en skærm skulle have et magnetfelt på 20 tesla, eller omkring 600.000 gange styrken af Jordens felt ved ækvator. Et så stærkt felt kræver en elektromagnet konstrueret med superledende ledninger, som minder om dem der bruges i partikelacceleratorer. Samuel C.C. Ting fra Massachusetts Institute of Technology ledede en designgruppe, der udtænkte et sådant system med en masse på kun ni tons – et stort fremskridt frem for materialeafskærmning men stadig afskrækkende tungt at tænke på at tage med hele vejen til Mars’ overflade og tilbage. Den magnetiske plan har et antil fine punkter, som burde påskønnes. Magnetiske felter yder ingen betydelig afskærmning nær de magnetiske poler, hvor indkommende partikler kommer parallelt med, snarere end tværs over, feltet. Det er derfor Jordens felt giver lille beskyttelse undtagen for folk, der lever i ækvatoriale områder. For at holde astronauter i ækvivalensen til ækvatoriale områder skulle rumfartøjets beboelsesområder være doughnut-formede. Astronauterne skulle udholde et magnetisk felt på 20 tesla og ingen ved, hvad de biologiske virkninger ville være. Den afdøde John Marshall, University of Chicago eksperimentalfysiker, bemærkede for mange år siden til mig, at da han stak sit hoved i et 0,5 tesla felt i gabet på en gammel partikelaccelerator magnet, frembragte enhver bevægelse af hans hoved små lysglimt i hans øjne og en syrlig smag i hans mund, antageligt forårsaget af elektrolyse i hans spyt. Givet at et stærkt felt kan påvirke legemets kemi på denne måde, behøver forskerne at udføre nogle laboratorieeksperimenter for at bekræfte sikkerheden ved en 20-tesla skærm. Hvis den viser sig farlig, kan ingeniørerne blive nødt til at udligne feltet inde i beboelsesområdet ved brug af en modsat elektromagnet. En sekundær magnet gør klart systemet mere kompliceret og mere massivt. Nogle forskere har foreslået at bruge et felt, der strækker sig over en afstand meget større end nogle få meter. Feltet kunne skubbes ud ved brug af en plasma, meget som solvindens ioniserede gas bærer solens magnetiske felt ud til store afstande fra solen. Fortalere hævder, at et sådant ”oppustet” felt ikke ville behøve at være så intenst; 1 tesla, eller endda mindre, kunne være tilstrækkeligt. Uheldigvis ser denne plan bort fra den kendsgerning, at plasma er notorisk ustabilt. Anstrengelser i laboratoriet de sidste 50 år på at fange plasma i et magnetisk felt med det formål at frembringe energi fra kernefusion, har vist en plasmas bemærkelsesværdige evne til at sno sig fri af ethvert forsøg på at kontrollere den. Selv hvis plasmaen kunne beherskes til at oppuste et magnetfelt, ville den kun tjene til at svække, snarere end forbedre, skærmen. Feltlinierne ville blive skubbet radialt ud og spredes over en større omkreds, så en indkommende proton skulle krydse færre feltlinier. Skærmens styrke ville falde, ligesom den gør i Jordens mellembreddegrader og polarområderne.
Andre forskere er gået i en anden retning og har foreslået at lade rumfartøjet elektrisk. Hvis de ydre vægge havde en ladning på to milliarder volt i forhold til det omgivende rum, ville de frastøde alle den kosmiske strålings protoner med energier op til to milliarder elektronvolt. En lignende plan er blevet foreslået til en månebase. Forslagsstillerne syntes ikke at være klar over, at rummet ikke er tomt. I nærheden af Jorden fylder solvinden rummet med omkring fem ioner og fem elektroner pr. kubikcentimeter. Da disse elektroner er negativt ladede ville de blive kraftigt tiltrukket af et positivt ladet rumfartøj. Fordi det elektriske felt ville strække sig ud til hvor dets potentielle energi faldt under elektronernes termiske energi – en afstand på titusinder af kilometer udad fra rumfartøjet – ville det trække elektroner ind fra et umådeligt stort rumfang. De ville ramme væggene med en energi på to milliarder elektronvolt og opføre sig ligesom kosmiske stråler; hver af dem ville have lige så megen energi, som de protoner systemet frastøder. Derfor ville den naturlige kosmisk-stråle flux blive erstattet af en enormt mere intens kunstig flux. Elektronerne ville frembringe gammastråler, når de ramte rumfartøjet og intensiteten af det bombardement ville være forbløffende og få det oprindelige problem til at se lille ud. Det er ikke alt. Enkle vurderinger af kravene til kraft for at opretholde rumfartøjets ladning er utrolige. En ampere strøm ved 2 milliarder volt udgør 2.000 megawatt – output fra en velvoksen kraftstation. Grove vurderinger antyder, at strømmen ville overskride 10 millioner ampere. Forslagsstillerne har heller ikke forklaret, hvordan de håber at oplade rumfartøjet til to milliarder volt. Som ideen om oppustede magnetiske felter har ideen om at lade rumfartøjet for at skærme astronauterne mærkeligt nok modtaget betragtelig opmærksomhed og midler uden en klar forklaring på, hvordan den kunne virke. Andre har foreslået mere prosaiske valg. Større raketter eller avancerede fremdriftsteknologier kunne forøge rejsens hastighed og mindske den tid astronauterne er udsat. Men den optimale rejsetid til Mars er mere eller mindre en fast brøkdel af planeternes baneperiode og at justere den ret meget ville kræve en hel del mere brændstof (og derfor penge). På selve Mars forsvinder problemet ikke. Atmosfæren er tynd, bare 10 gram pr. kvadratcentimeter. Begravelse af basen under hundreder af tons jord ville give beskyttelse men kræve tungt maskineri.
På nuværende tidspunkt giver forslagene til at beskytte astronauter mod kosmiske stråler således lille opmuntring. Men på den lyse side er, at forskerne kun lige er begyndt at udforske den biomedicinske side af problemet. Naturlige helbredelsesprocesser i cellen er måske i stand til at behandle stråledoser, der akkumulerer gennem en forlænget periode og nogle folks legemer er måske bedre til det end andres. Hvis det er tilfældet, overvurderer de nuværende vurderinger af kræfthyppigheden, som alle er baseret på korte, intense udbrud af stråling, måske faren. I 2003 oprettede NASA National Space Radiation Laboratory at Brookhaven National Laboratory for at bestemme cellebeskadigelsens molekylære stier med håbet om at finde medicin til at reducere eller reparere den. Laboratoriet undersøger præcis, hvordan stråling bearbejder DNA og hvilke typer skader der ikke let heler. Indtil videre er de eneste kendte kemikalier, der forbedrer laboratorierotters resistans overfor strålingsskade, selv giftige. Det ville være en skam, hvis romantikken ved menneskelig rumrejse sluttede på skændigste vis, med at kosmiske stråler gjorde den umulig. Egnede folk ville måske være villige til at tage til månen eller Mars blot for eventyret, komme hvad der vil. Alligevel ville strålingsfaren tage glansen af ideen med menneskelig rumrejse, for ikke at tale om kolonisering i fuld skala.
Shielding Space Explorers from Cosmic Rays. Eugene Parker I Space Weather, Vol. 3, No. 8, Artikel no. S08004; 18. august, 2005.
Præsentationer fra 2004 NASA workshop om strålingsskærme er til rådighed på aoss.engin.umich.edu/Radiation
NASA’s egen Web site om rumstråling er på www.radiationshielding.nasa.gov
* Eugene N. Parker er verdens førende ekspert i interplanetar gas og magnetiske felter. Han er bedst kendt for hypotesen om og forklaringen på solvinden i 1958. Nu er det lærebogsstof, men ideen om en kraftig udstrømning af partikler fra solen var i begyndelsen så kontroversiel, at Astrophysical Journal næsten afviste hans papir. Parker udviklede også den moderne teori om solens magnetfelt, inkluderende magnetisk genforbindelse. Som emeritus fysikprofessor på University of Chicago og medlem af National Academy of Sciences har Parker modtaget talrige priser inkluderende U.S. National Medal of Science, Henry Norris Russell Lectureship of the American Astronomical Society og Kyoto Prize in Basic Sciences.
Fra Shielding Space Travelers, Scientific American marts 2006, siderne 22-29.
7. september 2006.
|
