Naponta fellángol a vita, egy mars utazás során túlélhető-e a kozmikus sugárzás.
Honnan ered a sugárzás?
Az űrhajósokat három forrásból érheti az egészségüket károsan érintő sugárzás:
- A Napból,
- Galaxisunk csillagairól és egyéb égitestjeiről,
- A Föld mágneses tere által csapdában tartott részecskékből.
1. A napból eredő sugárzás.
A Nap aktív csillag, magjában fúziós reakciók zajlanak, amitől nagyon forró. Felületéről és légköréből különféle részecskék áramát zúdítja kifelé, át a naprendszeren a kozmikus térbe. A sugárzás erőssége 11 éves periodicitást mutat. Időnként néhányszor tíz perces, maximum másfél órás intenzív kitöréseket produkál, ilyenkor a sugárzás intenzitása soksorosára növekszik. A kitörések határozott iránnyal rendelkeznek, akkor veszélyesek, ha az űrhajó pont az útjába esik. Egy adott irányban, a naptevékenység minimumán évente átlagosan egyszer, maximumán havonta átlagosan egyszer történik nagyobb kitörés.
2. Galaxisunk csillagairól és egyéb égitestjeiről eredő sugárzás.
Természetesen az univerzum minden csillaga hasonló módon, bár "vérmérsékletétől" függően sugároz. Ezen kívül mindenféle más, sokszor egzotikus égitestről érkezik a részecskék zápora. A fekete lyukak felé spirálozó anyagból, a szupernóva robbanásokból, de neutroncsillagok forgó mágneses tere is felgyorsítja a csillagközi gázokat. A kozmológusok ámulnának, ha egy-egy száguldó proton elmesélné, honnan jött. Mivel a távolság növekedésével az intenzitás csökken, ez a fajta sugárzás zömmel a közelből, a Tejútrendszerből ered, ezért is nevezik galaktikus (kozmikus) sugárzásnak. Jellemző rá, hogy több benne a nagy energiájú részecske. Intenzitása, meglepő módon, fordított összefüggésben áll a fent említett naptevékenységi ciklusokkal. Annak maximumán a napszél, és a nap megerősödött mágneses aktivitása részben kiszorítja a naprendszerből. Az alábbi ábra a naptevékenység alakulását és a galaktikus sugárzásra való hatását mutatja:
A kép forrása: agupubs.onlinelibrary.wiley.com
3. A Föld mágneses tere által csapdában tartott részecskékből eredő sugárzás.
Erős mágneses térben az előző két forrásból eredő, nagy sebességű, elektromos töltéssel rendelkező részecskék különösen viselkednek. Ha a sebességük merőleges a mágneses térre, akkor fellép egy olyan erő ami mindkettőre merőleges. Nem lehet elrontani, mert több dimenzió nincs. B: a mágneses tér., v: a sebesség és F: a keletkező erő. Ime:
A kép forrása: mozaweb.hu
Az erő persze eltéríti a részecskét, de ahogy a sebesség iránya változik, úgy változik az erő iránya is. Mindig merőlegesek. A sebességre állandóan merőleges erő, körpályára állítja a részecskét. Mi van ha a sebesség nem merőleges a mágneses térre? Tökéletesen sohasem az. Akkor a sebességet felbontjuk két komponensre, a mágneses térre merőlegesre, és párhuzamosra. A merőleges komponens megcsinálja a körpályát, a párhuzamos változatlanul megmarad, így a részecske egy spirál mentén halad aminek a fő irány a mágneses tér. Íme:
A kép forrása: mozaweb.hu
Mi van, ha a mágneses tér iránya változik? Képzeljük el, hogy a részecske kirepül az egyik mágneses térből és be a másikba. Ott pályája hasonlóan feltekeredik a mágneses térre, a spirál követi annak irányát.
A kép forrása: scienceblogs.com
A spirálozó részecskék maguk is sugárzást bocsátanak ki, néha összeütköznek, ezáltal újabbak jönnek létre, másodlagos sugárzás formájában. De a lényeg az, hogy elsősorban az előző két forrásból eredő, nagy sebességű, elektromos töltéssel rendelkező részecskék kis térben hosszú utat járnak be. Spirál pályán egyszerűen nagyobb eséllyel találják el az űrhajóst. Ha átrohanok a Blaha Lujza téren, akkor vagy nekiütközöm valakinek, vagy nem. Ha körbe-körbe szaladok, miközben lassan egy irányba tendálok, szinte biztos hogy valakinek neki fogok menni. A sugárzásnak ezt a fajtáját Van Allen-ről nevezték el.
Nem ő az (máshogy írja a nevét), 
hanem ő:
Intenzitása időbeli változása az elsődleges forrástól függ, napkitörések idején a legerősebb. A térbeli elhelyezkedését a következő ábra mutatja:
A kép forrása: nasa.gov
Mit bír az űrhajós?
Ezzel kapcsolatba a NASA tett közzé világos elveket.
Emberes küldetést akkor lehet végrehajtani, ha az űrhajósok által elszenvedett sugárdózis maximum három százalékkal emeli meg a teljes élet során a halálos, rákos megbetegedés esélyét. A kockázatot vállalóknak részletesen ismerni kell a veszély természetét. és mértékét.
Ez a gondolat széleskörű társadalmi elfogadottságra talált. Ha hozzátesszük a baleset néhány százalékos esélyét, ez sokaknak belefér, nekik irány a kaland!
Na de, mennyi ez pontosan? A fizikai sugárdózis mértékegysége a gray [Gy]. Egy gray dózis azt jelenti, hogy a test egy kilogrammja egy joule energiájú sugárzást nyel el. A dózis tehát, annak a mértéke, hogy a test mekkora energiájú sugárzást nyelt már el, és nem a térrészben lévő, vagy egy felületen időegység alatt áthaladó sugárzás mennyiségének.
Nem minden sugárzási típus egyformán káros az egészségre. Ezért szét kell bontani azt típus (becsapódó részecskék) szerint, és külön-külön kell meghatározni károsítás mértékét. Minden sugárzási fajtára meghatároztak egy biológiai károsítási tényezőt,
| részecske típus | károsítási tényező |
| röntgen foton | 1 |
| gamma foton | 1 |
| elektron | 1 |
| neutron | energiától függ |
| proton | 2 |
| egyéb atommagok | 20 |
Figyelem, a részecskék nem darabonként, hanem az összes azonos típusú részecske összes becsapódási energiája számít!
A sugárdózis biológiai károsító hatása a biológiai ekvivalens dózis. Mértékegysége a sievert [Sv].
A típusonkénti biológiai ekvivalens dózis = a típusonkénti fizikai dózis * a típusra jellemző károsítási tényezővel.
A teljes biológiai ekvivalens dózis a típusonkénti biológiai ekvivalens dózisok összege.
Példa: A test minden kilogrammja 0.2 joule energiát nyel el gamma fotonok, és 0.05 joule energiát nehéz atommagok formájában.
A gamma fotonok: fizikai dózisa 0.2 Gy -> biológiai ekvivalens dózisa 0.2 Gy * 1 = 0.2 Sv.
A nehéz atommagok: fizikai dózisa 0.05 Gy -> biológiai ekvivalens dózisa 0.05 Gy * 20 = 1 Sv.
A teljes biológiai ekvivalens dózis 0.2 Sv + 1 Sv = 1.2 Sv.
Az orvosbiológusok a biológiai ekvivalens dózist még szervek szerint is differenciálták, így jött létre az effektív dózis. Mivel az űrhajósok testét egyenletesen éri a sugárzás, nekünk ez nem fontos, számolhatunk a teljes biológiai ekvivalens dózissal. Nekünk az
effektív dózis = biológiai ekvivalens dózis
A teljes biológiai ekvivalens dózis, ami a teljes élet során három százalékkal emeli meg a halálos, rákos megbetegedés esélyét:
| űrhajós | dózis |
| 30 éves nő | 0.47 Sv |
| 30 éves férfi | 0.62 Sv |
| 45 éves férfi | 0.95 Sv |
Láthatóan a nők érzékenyebbek, mint a férfiak, ez biológiai adottság. A kor előrehaladtával a sugárzás hatására kialakuló betegségek esélye csökken. Ennek a kevesebb várható sejtosztódás az oka. Egyrészt, a korral ritkábban osztódnak a sejtek, másrészt rövidebb a természetes halálig várható élettartam.
Ezek a dózisok hosszú, éves nagyságrendű besugárzás esetén jelentik a fenti kockázatokat, 0.5 Sv egy perc alatt súlyos sugárbetegséget okoz.
Megjegyzendő, hogy ekkora dózisok esetén javasolt az ivarsejtek lefagyasztása az esetleges utódok egészségének érdekében.
Mit tud az űrhajó?
Az űrhajót képzeljük most egy BFS szerű, kémiai energiával működő rakétának. Egy nukleáris meghajtású jármű esetében, nyilván, komolyabb védelem kell, már csak a saját sugárzás miatt is, de ott a nagyobb hatékonyság miatt a lehetőségek is tágabbak.
Az űrhajóról feltételezzük, hogy vékony, néhány milliméteres kompozit anyagú fala van, Az utasteret e mellett hasonló vastagságú alumínium burkolat védi. Az utastérben van egy sugárvédelmi óvóhely, amit néhány centiméteres víz, plusz műanyag, és azon belül több milliméteres nehézfém pajzs vesz körbe. Tömegkorlátozási okokból nagyon kicsi helyről van szó. Az egymástól elválasztott boxokban éppen elfér egy ember, megfordulni nem, mozogni alig lehet. A hajó minden funkciója vezérelhető, és szórakoztató multimédia is van, de ez egy kemény élet. Kötél idegekre, és spártai fegyelemre van szükség. Az űrhajó hátuljában vannak a hajtóművek a segédberendezésekkel együtt, a maradék üzemanyag, és a tehertér.
Érdekes fejlesztési irány, a töltött részecskék elterelése, a hajó saját mágneses terével. Ehhez szupravezető tekercsek kellenek, rendkívül tömegtakarékos hűtési és szigetelési rendszerrel.
Mekkora a teljes biológiai ekvivalens dózis az utazás során?
Az űrhajó alacsony föld körüli pályára áll, ahol üzemanyaggal feltöltik. Az űrhajósokat védi a Föld mágneses tere, és a hajó fala. A sugárzás intenzitása hasonló a nemzetközi űrállomáson tapasztaltakhoz. A tartózkodási idő rövid, néhány nap, az elszenvedett teljes biológiai ekvivalens dózis a teljes utazásra megengedetthez képest elenyésző.
Az űrhajó áthalad a Van Allen övezeteken. A sugárzás intenzitása nagyban függ az útvonaltól, és az időponttól. A "piros", és "sárga" területeket el kell kerülni (ld. fenti ábra). Ez többlet üzemanyag fogyasztást jelent, de mivel az űrhajó nem az egyenlítőről indul, és nem a föld forgási síkjában halad tovább, a különbség nem jelentős. Fontos, hogy az átkelés idején ne legyen napkitörés. Ez valamennyire előre jelezhető, de ehhez szerencse is kell. Az átkelési idő néhány óra, és az űrhajósok a sugárvédelmi óvóhelyen tartózkodnak, így az elszenvedett teljes biológiai ekvivalens dózis a teljes utazásra megengedetthez képest szintén elenyésző.
Utazás a bolygóközi térben. A hajó hátuljával a Nap felé fordul, így a hajtóművek, a segédberendezések, a maradék üzemanyag, és a rakomány védi az űrhajósokat a Napból eredő normál sugárzástól. Napkitörések idején az űrhajósoknak a sugárvédelmi óvóhelyre kell menni, méghozzá gyorsan. Erre szó szerint néhány másodpercük van.
A galaktikus sugárzás viszont nem irányfüggő. Az összetétele:
- nagy energiájú fotonok (röntgen, gamma),
- elektronok,
- neutronok (ezek pont nincsenek, elbomlottak galaktikus utazásuk során),
- protonok,
- alfa részecskék és nehezebb atommagok.
1. Nagy energiájú fotonok
Meglepő, de a "részecske" sugárzáshoz képest nem nagy az összes energiájuk. A hajó fala véd ellenük. A biológiai károsítási tényező is 1. A teljes biológiai ekvivalens dózishoz csak néhány százalékban járul hozzá.
2. Elektronok
Hasonló a helyzet, mint a fotonokkal, de a hajó fala nagyon jó védelmet nyújt. Hatásuk nem jelentős.
4. + 5. Protonok + alfa részecskék és nehezebb atommagok.
Ezekkel van a legtöbb baj. Védekezni alig lehet. Ha nagyon keményen eléjük állunk, az egyrészt hatalmas tömeg, másrészt a pajzsba való becsapódásuk esetén veszélyes másodlagos ionizáló sugárzás keletkezik. A bolygóközi térben sugárzásuk intenzitása erősen függ a naptevékenységtől. (ld. fent) ennek maximumán a az intenzitás alacsony, minimumán magas.
| dózis, nap tevékenység maximum | dózis, nap tevékenység minimum | |||
| sugárzás típusa | fizikai | biológiai ekvivalens | fizikai | biológiai ekvivalens |
| proton | 0.035 Gy/év | 0.07 Sv/év | 0.105 Gy/év | 0.21 Sv/év |
| alfa részecske és atommag | 0.005 Gy/év | 0.10 Sv/év | 0.015 Gy/év | 0.30 Sv/év |
| teljes | 0.17 Sv/év | 0.51 Sv/év | ||
Tevékenység a Mars felszínén. Lényegében nem különbözik a bolygóközi térben való utazástól. Az űrhajó falának szerepét a vékony légkör játssza. A Marsnak alig van mágneses tere. Az óvóhelyre itt is szükség van. Ez terepen nehezen oldható meg.
Összefoglalva. A legnagyobb veszélyt a galaktikus sugárzás protonjai és nehezebb atommagjai jelentik, de komoly gond a Nap közvetlen sugárzása is. Különösen ügyelni kell a napkitörésekre. Alapból egy két éves úton a teljes dózis 0.4 és 1.1 Sv között mozog. A galaktikus sugárzás éves dózisának kétszerese, plusz ami a Napból jön. Ezt minden eszközzel csökkenteni kell. A lehetőségek:
- A hajó fejlesztése során, a jelenlegieknél hatékonyabb sugárvédelem kiépítése, akár a hasznos terhelés rovására is. A töltött részecskék elterelése a hajó saját mágneses terével.
- Útközben, a sugárvédelmi óvóhelyen alvás, pihenés.
- A Mars felszínén helyi anyagokból épített menedék.
Bár nincs nagy margin, mint általában az űrkutatásban, űriparban, de az utazás és a letelepedés is megvalósítható. Hatalmas kihívás, hogy a 2022-re tervezett első utazás naptevékenységi minimum, tehát galaktikus sugárzási maximum idejére esik. Összevetve a várható és a megengedett dózisokat, látható, hogy inkább középkorú férfiak kiválasztására lehet számítani, különösen az első 2022 körüli úton.
Az eddigiekből kiderül, hogy a Marsi kolónia már csak sugárvédelmi okokból is hosszú ideig zárttéri civilizáció lesz.
