NASA astronaut Scott Kelly spent a year in space while scientists monitored changes in his body, as well as that of his twin, Mark Kelly, who remained on the ground. Kelly came back to Earth in good shape, the experiment showed. And, some Russian cosmonauts have also spent even longer than Kelly in space without obvious long term ill effect from the low gravity or increased radiation exposure.
But humans ultimately want to venture far beyond Earth. And, so far, all long-term human spaceflight experiments have happened on space stations that orbit within Earth’s protective magnetic field, providing shielding from the highest-energy radiation. To travel to Mars, we’ll need to be prepared for an entirely different environment.
The longest Apollo trips to the the Moon lasted less than two weeks. A journey to Mars and back would take months, if not years. And NASA’s latest plans for the Moon would have humans stay there perhaps months.
That’s pushed researchers to get creative in testing human radiation tolerances. If they can’t experiment outside of Earth’s natural radiation shields, there are still places on Earth where scientists are already making their own high-energy radiation: particle accelerators. And the insights researchers are learning there could decide whether living off-world is a realistic goal in the next few decades.
By smashing heavy particles together at high speeds, scientists can create a slurry of particles that are similar in energy to cosmic ray events. A few labs are already performing such work, including Brookhaven National Laboratory in the United States and the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Germany. And while the doses are still higher than what humans would sustain in space, it’s the only practical way to test cosmic ray behavior on Earth in a controlled fashion.
And whether the radiation is low or high dose is less relevant to simple materials. That’s letting researchers test what kinds of substances block radiation, since these outcomes only rely on the type of radiation.
How much radiation is too much?
The most dangerous kind of radiation in space comes from cosmic rays. These are ultra-fast, ultra-heavy particles shot from across the cosmos. The good news is that they’re relatively rare. The bad news is that they’re highly dangerous.
Another concern is radiation from the Sun. While more numerous, these are simple protons; it’s like a BB bullet compared to a cosmic ray cannonball. This radiation can damage cells and genetic material, but they’re much easier to shield against, and only become truly dangerous during solar storms. And with technology already available today, solar scientists can see these events coming far enough in advance to give at least a few minutes of warning to take shelter for space farers on the Moon, Mars, or in a space station.
Yet for any type of radiation, it’s still difficult for scientists to predict what makes a truly dangerous dose. Horrific real-world events like Hiroshima, Nagasaki, and various nuclear power accidents have proven that high radiation doses in a short period are deadly. But what if that same dose is spread out over a year? Three years? Five? A lifetime? Scientists still don’t know. The simple tests that would tell them are impossible to perform for ethical reasons, and difficult to synthesize using tissue or cell samples, since radiation can affect different biological systems – the brain, cardiovascular, or reproductive organs – in different ways.
“The problem with radiation,” says Marco Durante, director of the Biophysics Department at Germany’s GSI, “is we don’t know the risk very well.” The tests they run are based on cell or tissue samples, or, at best, animals like mice. They also usually bombard their test subjects with lots of high-energy radiation all at once. “First you have to extrapolate to humans, and then low dose rate, and then to space,” Durante says. “And there are not very effective countermeasures. There’s no magic drug that can save you from radiation effects.”
So even though researchers can perform biology tests with particle accelerators, the results are tricky to interpret and apply to humans in situations that are likely to be realized within the next decade.
Durante wants future experiments to at least test the effects of high-energy, low-dose radiation on samples by keeping them in the room, for example, but not directly in the beam of the particle accelerator. But the labs, built for cutting edge physics research, aren’t set up that way, and those experiments haven’t happened yet.
What is testable is how to block radiation. And this is where the research can provide more straightforward conclusions.
Homemade cosmic rays
Durante says that materials with lots of hydrogen prove to be good shields. Polyethylene, a simple and ubiquitous type of plastic, shields well, as does a substance called lithium hydride. Both are also extremely lightweight, a necessity in space travel, where lifting something above Earth’s atmosphere is expensive. The problem is that both of these compounds are flammable, a big no-no in space travel. Aluminum, while much heavier, is still preferred because it won’t catch fire.
To build the next generation of better-shielded, lightweight spacecraft, engineers will have to figure out how to safely enclose the shielding material inside something airtight and inflammable.
Once on solid ground again, like the Moon or Mars, more options become available. Tunneling underground provides a cheap and easy shield underneath the regolith. Or, Durante points out, if Mars has more substantial stores of water, an igloo would be the perfect shield. Water is excellent at blocking radiation.
Until scientists can find a way to test the safe limits of long-term radiation exposure on humans, shielding may be our only option.
Astronautul NASA, Scott Kelly, a petrecut un an în spațiu timp în care oamenii de știință au monitorizat schimbările din corpul său, precum și cel al geamănului său, Mark Kelly, care a rămas pe pământ. Kelly a revenit pe Pământ în formă bună, a arătat experimentul. Unii cosmonauți ruși au petrecut și mai mult timp decât Kelly în spațiu, fără efecte evidente pe termen lung din cauza gravitației scăzute sau a expunerii la radiații crescute.
Dar oamenii în cele din urmă vor să se aventureze mult dincolo de Pământ. Și, până în prezent, toate experimentele de zbor spațial uman pe termen lung s-au întâmplat pe stații spațiale care orbitează în câmpul magnetic protector al Pământului, oferind protecție împotriva radiațiilor cu cea mai mare energie. Pentru a călători pe Marte, va trebui să fim pregătiți pentru cu totul alt mediu .
Cele mai lungi călătorii ale lui Apollo pe Lună au durat mai puțin de două săptămâni. O călătorie către Marte și înapoi ar dura luni, dacă nu chiar ani. Iar ultimele planuri ale NASA pentru Lună ar face ca oamenii să rămână acolo, probabil, luni întregi.
Aceasta a determinat cercetătorii să devină creativi în testarea toleranțelor la radiațiile umane. Dacă nu pot experimenta în afara scuturilor de radiații naturale ale Pământului, există totuși locuri pe Pământ unde oamenii de știință își produc deja propria radiație cu energie mare: acceleratoarele de particule. Iar cercetătorilor ar putea decide acolo dacă trăirea în afara Terrei este un obiectiv realist în următoarele câteva decenii.
Prin împletirea particulelor grele la viteze mari, oamenii de știință pot crea o suspensie de particule care sunt similare în energie cu razele cosmice. Câteva laboratoare efectuează deja astfel de lucrări, inclusiv laboratorul național Brookhaven din Statele Unite și Centrul GSI Helmholtz pentru cercetări cu ioni grei din Germania. Și, în timp ce dozele sunt încă mai mari decât cele pe care oamenii le-ar susține în spațiu, este singura modalitate practică de a testa comportamentul razelor cosmice pe Pământ într-un mod controlat. Acest lucru îi permite cercetătorilor să testeze ce tipuri de substanțe blochează radiațiile, deoarece aceste rezultate se bazează doar pe tipul de radiație.
Câtă radiație este prea mult?
Cel mai periculos tip de radiații în spațiu provine de la razele cosmice. Acestea sunt particule ultra-rapide, ultra-grele, prezente în întregul cosmos. Vestea bună este că sunt relativ rare. Vestea proastă este că sunt extrem de periculoase.
O altă preocupare este radiația de la Soare. Deși mai numeroși, aceștia sunt protoni simpli; sunt ca niște gloanțe în comparație cu razele cosmice. Această radiație poate deteriora celulele și materialul genetic, dar oamenii sunt mult mai ușor de protejat împotriva acestora și devin cu adevărat periculoase doar în timpul furtunilor solare. Și cu tehnologia deja disponibilă astăzi, oamenii de știință anticipa aceste evenimente pentru a da cel puțin câteva minute de avertisment pentru astronauți în a se adăposti pe Lună, Marte sau într-o stație spațială.
Cu toate acestea, pentru orice tip de radiații, oamenilor de știință este încă dificil să prezice ce face o doză cu adevărat periculoasă. Evenimentele din lumea reală precum Hiroshima, Nagasaki și diverse accidente de energie nucleară au dovedit că dozele mari de radiații într-o perioadă scurtă sunt mortale. Dar ce se întâmplă dacă aceeași doză este distribuită peste un an? Trei ani? Cinci? O viață? Oamenii de știință încă nu știu. Testele simple care le-ar spune sunt imposibil de efectuat din motive etice și dificil de sintetizat folosind probe de țesut sau celule, deoarece radiațiile pot afecta diferite sisteme biologice – creierul, organele cardiovasculare sau de reproducere – în moduri diferite.
„Problema cu radiațiile”, spune Marco Durante, director al departamentului de biofizică din GSI din Germania, „este că nu știm foarte bine riscul. Testele pe care le efectuează se bazează pe probe de celule sau țesuturi sau, în cel mai bun caz, animale ca șoarecii. De asemenea, de obicei, își bombardează subiecții de testare cu o mulțime de radiații cu energie mare, deodată. „În primul rând, trebuie extrapolate la oameni”, spune Durante. „Și nu există contramăsuri foarte eficiente. Nu există niciun medicament magic care să vă poată salva de efectele radiațiilor. ”
Deci, chiar dacă cercetătorii pot efectua teste de biologie cu acceleratoare de particule, rezultatele sunt dificil de interpretat și aplicat oamenilor în situații care sunt probabil realizate în următorul deceniu.
Razele cosmice de acasă
Durante spune că materialele cu mult hidrogen se dovedesc a fi scuturi bune. Polietilena, un tip de plastic simplu și omniprezent, protejează bine, la fel ca și o substanță numită hidrură de litiu. Ambele sunt de asemenea extrem de ușoare, o necesitate în călătoriile spațiale, unde ridicarea a ceva peste atmosfera Pământului este costisitoare. Problema este că ambii compuși sunt inflamabili, un no-no mare în călătoriile spațiale. Aluminiul, deși este mult mai greu, este încă preferat, deoarece nu va lua foc.
Pentru a construi următoarea generație de nave spațiale mai bine protejate, ușoare, inginerii vor trebui să își dea seama cum să izoleze în siguranță materialul de ecranare în ceva ermetic și neinflamabil.
Odată ajuns pe sol solid din nou, precum Luna sau Marte, mai multe opțiuni devin disponibile. Tunelarea subterană oferă un scut ieftin și ușor sub regimul. Sau, subliniază Durante, dacă Marte are apă, un iglu ar fi scutul perfect. Apa este excelentă la blocarea radiațiilor.
Până când oamenii de știință nu pot găsi o modalitate de a testa limitele sigure ale expunerii la radiații pe termen lung la om, ecranarea poate fi singura noastră opțiune.
***
Mihail stories 