Promieniowanie kosmiczne – największy problem Marsa

Niska temperatura, jałowa gleba, burze pyłowe, niezwykle przerzedzona atmosfera, złożona niemal wyłącznie z dwutlenku węgla. Jakby tego wszystkiego było mało, przyszłym zdobywcom Marsa przez cały czas towarzyszyć będzie niewidzialny zabójca, którego musimy obezwładnić – promieniowanie kosmiczne.

To co współcześnie mamy, zawdzięczamy przodkom, którzy mieli odwagę opuścić znany świat. Jeśli powstrzymamy takie inicjatywy, przekażemy potomnym mniej niż sami otrzymaliśmy.

Robert Zubrin

Magnetyczny stróż

Dość zabawny fakt. Nasze istnienie zawdzięczamy działaniu niematerialnej tarczy, chroniącej nas przed równie niematerialnym zagrożeniem. Wspaniała bariera ochronna, pod postacią pola magnetycznego Ziemi, pozwala nam na trwanie w błogiej nieświadomości. Na zapomnienie, iż Słońce jest nie tylko dawcą życia, ale również rozdętą kulą wodoru, targaną potężnymi procesami fizycznymi. Każda sekunda jego pracy oznacza miotanie dookoła ogromną ilością neutrin, elektronów, protonów i cząstek alfa, dominujących na przestrzeni kilkunastu miliardów kilometrów. A żeby było jeszcze ciekawiej, pustkę międzyplanetarną penetrują również energetyczne drobiny o pochodzeniu galaktycznym (GCRs). Nie przejmujemy się tym za bardzo, bo owe mikroskopijne pociski mknące z niebagatelną prędkością, zostają skutecznie odparte przez magnetosferę naszej planety. 

Nasza tarcza w akcji.

Musimy nauczyć się doceniać to błogosławieństwo matki natury, choćby dlatego, że jest pewnym ewenementem. Obecnie, wśród małych, skalnych światów Układu Słonecznego, tylko Ziemia posiada wyraźne i tak efektywne pole magnetyczne. Wszystko dzięki rozżarzonym i wciąż płynnym warstwom naszego globu, zwłaszcza aktywnemu żelazno-niklowemu jądru. Ruchy miliardów ton metalu we wnętrzu Ziemi, czynią z niej istne dynamo, przekształcające energię mechaniczną na pole elektromagnetyczne, odchylające igły kompasów i tamujące niebezpieczne promieniowanie kosmiczne. Merkury i Wenus posiadają bardzo ograniczone magnetosfery, natomiast Mars nie ma jej w ogóle. Niewykluczone, iż nasz sąsiad w dalekiej przeszłości dysponował własnym murem obronnym, lecz go postradał. Przepuszczony wiatr słoneczny wysterylizował planetę (zakładając, że coś tam żyło) i zdmuchnął większość tamtejszej atmosfery, czyniąc jego powierzchnię znanym obecnie, niegościnnym pustkowiem.

Mikroskopijne pociski

Nie ma rady. Marząc – nawet nie o kolonizacji, ale zwykłej załogowej wyprawie na Marsa – musimy zmierzyć się z tym bezlitosnym przeciwnikiem. Do tej pory kwestie promieniowania łatwo było ignorować. W domu nam nie grozi, stacje kosmiczne krążą na tyle nisko aby zmieścić się pod płaszczem magnetosfery (choć i tak istnieje pewne ryzyko), zaś misje księżycowe trwały zaledwie kilka dni. Mars to inna bajka. Niezależnie od przyjętego scenariusza, musimy być gotowi na naprawdę długą eskapadę. Mowa o trzymiesięcznej podróży (zapewne dłuższej, może nawet półrocznej) przez przestrzeń kosmiczną, spędzeniu 550 dni na powierzchni planety i kolejnych trzech miesiącach drogi powrotnej. Promieniowanie będzie towarzyszyło pionierom bez przerwy, przez 2-3 lata. Cienka marsjańska atmosfera zatrzyma część rozpędzonych protonów – optymistycznie dwie trzecie – ale nawet wtedy  natężenie wciąż będzie zbyt duże.

Promieniowanie kosmiczne napiera na Marsa

Dyskusja o konsekwencjach długotrwałej ekspozycji na kosmiczną radiację, prędko uaktywniła sceptyków kosmicznych wojaży. Od dawna biją oni na alarm, wzywając do opracowania znacznie lepszych zabezpieczeń, a nawet do zupełnego odpuszczenia załogowych misji w dalekie zakątki Układu Słonecznego. Fizyk jądrowy Cary Zeitlin, stwierdził na łamach Science, iż astronauci będą narażeni na wchłonięcie dawki około 0,66 siwerta. Nie będziemy się tu wdawać w szczegóły dotyczące pomiarów promieniowania (odsyłam do artykułu Złowieszczy pik-pik), ale musicie wiedzieć, że to dużo. Zbyt dużo. Przeciętnie, przebywając na Ziemi otrzymujemy jakieś 3 mSv w skali roku (milisiwertów, czyli tysięcznych części siwerta). Za powszechnie przyjętą granicę bezpieczeństwa, uważa się 20 mSv rocznie. Wedle tej zasady, najlepiej byłoby gdyby podczas całej misji załoga nie otrzymała więcej niż 40-60 mSv, czyli 0,04-0,06 siwerta. Jeśli Zeitlin w swoim czarnowidztwie ma słuszność, to astronauci przekroczą limit ryzyka jeszcze nim miną połowę drogi na Czerwoną Planetę…

Papierosy są groźniejsze?

Co to oznacza dla eksploratorów Układu Słonecznego? W tamtym roku próbował to sprawdzić Charles Limoli z Uniwersytetu Kalifornijskiego. Biolog wystawił gromadkę myszy na działanie radiacji imitującej promieniowanie kosmiczne, a następnie zbadał ich mózgi. Wyniki nie napawają optymizmem: doszło do wyraźnej degeneracji neuronów, uszkodzeń hipokampu oraz kory mózgowej, w praktyce mogących doprowadzić do zaburzeń funkcji poznawczych, pamięci oraz wzroku. Jednak to badanie nie jest do końca miarodajne, bo – jak podnoszą jego krytycy – Limoli bombardował myszy krócej, ale i znacznie intensywniej. Choć więc ziemscy wysłańcy przyjmą dawkę sumarycznie podobną do testowanych gryzoni, to jej rozłożenie będzie zupełnie inne. Niemniej, niepokój pozostaje. Nawet jeśli promieniowanie nie spustoszy głów astronautów, to nikt nie wątpi w “zwykłe” skutki promieniowania. Chodzi przede wszystkim o wpływ na komórki i zwiększenie ryzyka przyszłego zachorowania na nowotwór.

Pytanie tylko, jakie jest owe ryzyko i czy możemy je zaakceptować? Wielki orędownik eksploracji Marsa i architekt projektu Mars Direct, Robert Zubrin, od dawna odpiera zarzuty twierdząc wszem i wobec, że cała eskapada zwiększy szansę na zachorowanie o zaledwie 1%. Jak argumentuje: bardziej rakotwórcze są ziemskie używki, więc jeśli wyślemy na Marsa palacza bez papierosów, to jeszcze wyjdzie mu to na zdrowie. Niektórzy nazwaliby jednak Zubrina niepoprawnym optymistą. Wspomniany już Zeitlin szacuje w swoim artykule, że podróż zwiększy ryzyko nie o 1, lecz przynajmniej 5%.

W poszukiwaniu ochrony

Bez względu na to, który z panów ma rację, głównym zadaniem inżynierów pozostaje opracowanie w najbliższej przyszłości, skutecznej ochrony, choćby częściowo niwelującej wpływ wiatru słonecznego. Jak przyznała pracująca w NASA Sheila Thibeault: “Zrobiliśmy postęp w zmniejszaniu zagrożenia wysokoenergetycznymi cząstkami, ale wciąż pracujemy nad znalezieniem materiału, który będzie dobrą tarczą i spełni rolę podstawowej struktury statku kosmicznego”. Jasnym jest, że nie opancerzymy rakiety grubą warstwą ciężkiego ołowiu, musząc szukać złotego środka pomiędzy niską masą, wytrzymałością i ochroną przed promieniowaniem. Obecnie amerykańska agencja upatruje ratunku w azotku boru, tudzież w nanostrukturach opartych o węgiel, wodór, azot i bor. Kluczowy element stanowi ten ostatni pierwiastek. Bor ma olbrzymie możliwości absorpcyjne, przez co stosuje się go w prętach kontrolnych reaktorów jądrowych, do hamowania reakcji łańcuchowej. Tu ma robić mniej więcej to samo – pochłaniać rozpędzone cząstki.

Ale fizyczna tarcza to nie wszystko. Poza permanentnym wiatrem słonecznym i promieniowaniem galaktycznym, astronauci będą musieli zmierzyć się również z epizodycznymi kryzysami. Mowa przede wszystkim o nagłych i nieregularnych rozbłyskach słonecznych. 

Rozbłysk słoneczny
Słońce bywa groźne.

Edward Weiler z NASA stwierdził brutalnie: “Nie jesteśmy gotowi wysłać ludzi na Marsa. (…) Jedną z misji Apollo o tydzień ominął poważny rozbłysk słoneczny. Gdyby do niego doszło wcześniej, astronauci otrzymaliby dawkę promieniowania dopuszczalną podczas całego życia”. I rzeczywiście, wskutek takiego beknięcia naszej gwiazdy, niechroniona osoba może oberwać w jednej chwili nawet kilka siwertów! Zależnie od szczęścia, skończyłoby się to objawami choroby popromiennej, lub nawet zgonem. 

Zubrin nie lekceważy tej groźby, ale i na nią ma lekarstwo. Opracowane w ramach Mars Direct, okrągłe moduły mieszkalne (HAB-y), byłyby wyposażone w odpowiednie schrony, znajdujące się w ich centrach. Odpowiednie ekrany ochronne oraz otulenie wszystkimi posiadanymi zapasami, wymiernie zmniejszyłoby zagrożenie. Do tego, będąc już u celu, załoga obłożyłaby swój nowy dom workami z piaskiem (czy raczej regolitem). Inżynier przekonuje w swojej książce, że podczas przeciętnego rozbłysku, schowana osoba nie otrzyma więcej niż 8 mSv. Oczywiście macie prawo dostrzec pewien mankament w tym sprytnym planie. Skąd astronauci będą wiedzieli o zwiększonej aktywności Słońca?

Przykładowy HAB, który mógłby chronić przed promieniowaniem
Przykładowy schemat HAB-u. W centrum znajduje się schron.

Pogodę kosmiczną da się prognozować, choć to niełatwe. Najgroźniejsze cząstki poruszają się z prędkością około 70% prędkości światła, więc jesteśmy w stanie dostrzec zwiększoną aktywność naszej gwiazdy jeszcze zanim uderzy w nas główne natarcie. Mieszkańcy Marsa muszą zatem zostać wyposażeni we własny sprzęt (może satelity) pozwalający na monitorowanie Słońca i zachować ciągłą czujność. W razie alarmu będą mieli nie więcej niż kilkanaście minut na wskoczenie do schronu.

Ile możemy poświęcić?

Czy w tej perspektywie załogowa misja na Marsa jest możliwa? Bez wątpienia tak. Ale musimy być gotowi na podjęcie ryzyka. Co najmniej tak dużego, jak to, które podejmowali pierwsi kosmonauci, modlący się przed każdym uruchomieniem silników, aby rakieta pod nimi za moment nie eksplodowała. Taka jest cena. Jeśli Czerwoną Planetę odwiedzi kilkudziesięciu ludzi, zapewne u niektórych ujawnią się efekty długiej ekspozycji na promieniowanie. Jeśli systemy bezpieczeństwa zawiodą i astronauci nie schronią się w trakcie rozbłysku słonecznego: może dojść do ofiar śmiertelnych, a nawet straty całej załogi.

Wielki cel wymaga równie wielkiego ryzyka.

Literatura uzupełniająca:
C. Limoli, V. Parihar, Cosmic radiation exposure and persistent cognitive dysfunction, [online: www.nature.com/articles/srep34774];
E. Howell, 5 Mars Mission Radiation Shield Ideas Win NASA Challenge, [online: www.space.com/29512-mars-mission-radiation-nasa-challenge.html];
S. Frazier, Real Martians: How to Protect Astronauts from Space Radiation on Mars, [online: www.nasa.gov/feature/goddard/real-martians-how-to-protect-astronauts-from-space-radiation-on-mars];
Z. Jaworski, Promieniowanie jądrowe w środowisku, [online: www.clor.waw.pl/ochrona/promieniowanie/artykul_1_efw.pdf];
Wyprawa na Marsa, reż. S. Gill, prod. Canal+ 2004;
R. Zubrin, R. Wagner, Czas Marsa. Dlaczego i w jaki sposób musimy skolonizować Czerwoną Planetę, przeł. L. Kallas, Warszawa 1997;
H. McSween, Od gwiezdnego pyłu do planet, przeł. A. Pilski, Warszawa 1996.
5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o misji Hayabusa 2 Historia pewnego zdjęcia Ukryty chaos Układu Słonecznego