Fantomok a NASA űrhajójának fedélzetén

2018.09.25. 06:58

A NASA új űrhajójának első, egyelőre emberek nélkül végzett Hold körüli próbarepülésén az MTA Energiatudományi Kutatóközpont dózismérői segítenek felmérni, milyen sugárzás éri majd az űrhajósokat. Ismerje meg közelebbről a kísérletet, mely lényeges szerepet kap a későbbi emberes Mars-küldetések előkészítésében is!

A NASA új Orion űrhajójának első, egyelőre emberek nélkül végzett Hold körüli próbarepülésére (Orion Exploration Mission 1, Orion EM-1) várhatóan 2019 végén kerül sor. A kísérlet lényeges eleme a későbbi emberes Mars-küldetések előkészítése, hiszen elsődleges célja, hogy az űrhajósok védelme érdekében minél pontosabb ismereteink legyenek az űrbéli viszonyokról.

A világűrben az embernek a hideg, az oxigén, a víz, a talaj és a család hiánya mellett a még mindig nem eléggé ismert kozmikus sugárzás káros hatásaival is szembe kell néznie. Ez utóbbi a Föld felszínén mért értéknek akár több százszorosa is lehet. A sugárzási tér, valamint a következtében létrejövő dózis ismerete nagyon fontos az egészségügyi kockázatok becslése, valamint a minél hatékonyabb védelem kiépítése szempontjából.

Fantáziarajz az OrionrólForrás: NASA

Magyar műszerek az űrbeli részecskezáporban

A Föld körül keringő űrjárművek, mint a Nemzetközi Űrállomás (ISS) fedélzetén rendkívül összetett sugárzási tér alakul ki. A kozmikus sugárzásnak alacsony földkörüli pályán három fő összetevője van:

  1. a Naprendszeren kívülről érkező galaktikus kozmikus sugárzás (főként protonok, alfa-részecskék, kisebb részben elektronok és nehezebb atommagok),
  2. a Napból érkező szoláris sugárzás (protonok és elektronok),
  3. a Föld mágneses mezeje által befogott töltött részecskék (protonok és elektronok),

melyek úgynevezett sugárzási övekben vannak jelen a Föld körül. Ezek az ún. elsődleges részecskék az űrjárművet alkotó anyagokkal kölcsönhatásba lépnek, és másodlagos részecskéket generálnak (neutronok, protonok, nehezebb ionok). Mindezek mellett jelen van a kozmikus sugárzás nem részecskékből álló része is, a gammasugárzás. A kialakult sugárzási tér vizsgálata annak komplexitása folytán nem egyszerű feladat, ezért általában több, egymást kiegészítő mérési módszer alkalmazását igényli, és nemzetközi együttműködésben zajlik. Mivel pedig térben és időben is változik, folyamatos monitorozást igényel.

A Magyar Tudományos Akadémia Energiatudományi Kutatóközpontjának munkatársai először 2001-ben (a Nemzetközi Űrállomás első állandó legénységének felbocsájtásakor) kaptak meghívást, hogy passzív detektorokkal részt vegyenek az ISS-en zajló sugárzásmérési és űrdozimetriai programokban. Azóta számos további küldetésben részt vettek, köztük szerepelt az a kettő, melyek megalapozták a mostani, Hold körüli repülésben való részvételt. Egyikük a Német Repülési és Űrkutatási Központ (DLR) vezetésével 2004–2011 között zajlott MATROSHKA nevű kísérlet volt, melynek célja a dóziseloszlás vizsgálata volt egy űrhajósokat szimuláló emberszerű fantom belsejében. Ugyancsak a DLR vezeti a 2009-ben indult DOSIS, majd ennek folytatásaként 2012-től a DOSIS-3D programot, melynek keretében az ISS európai Columbus moduljának dózistérképezését végzik. Utóbbi a tervek szerint egészen az ISS üzemidejének végéig, azaz 2024-ig folytatódik.

A MATROSHKA fantom (középen) a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén űrhajósok társaságábanForrás: NASA

Fantomok a fedélzeten

Ezeknek az eredményes együttműködéseknek köszönhetően a napokban az MTA Energiatudományi Kutatóközpont Űrdozimetriai Csoportja meghívást kapott a MARE (MATROSHKA AstroRad Radiation Experiment) kísérletében való részvételre, melyet a Német Repülési és Űrkutatási Központ és az Izraeli Űrügynökség javasolt a NASA Orion EM-1 küldetésére. Az Orion fedélzetén az ISS-en mérhető sugárzástól eltérő összetételű és mennyiségű sugárzás, valamint nagyobb dózis várható. Egyrészt át fog haladni a Földet körbe vevő sugárzási öveken, másrészt a Hold körüli térségben már nem érvényesül a földi mágneses mező hatása, ami az ISS-t még védi a kozmikus sugarak egy részétől. A MARE kísérletben az űrhajósok helyére 1-1 antropomorf – azaz emberszerű – női fantomot helyeznek el.

A fantomok emberi csontvázra épülő szövetekvivalens anyagból készülnek, és a MATROSHKA kísérlethez hasonlóan különféle, felszínükre és belsejükbe telepített passzív és aktív dózismérőkkel szerelik fel őket. Így mérhetők a bőrfelszínen és a belső szervek (szem, pajzsmirigy, tüdő, gyomor, máj, vese stb.) helyén kialakuló dózisok, valamint a dóziseloszlás a fantomok belsejében. Az egyik fantom az izraeli StemRad cég által fejlesztett AstroRad sugárvédelmi mellényt fogja viselni, így annak árnyékolási képességeit éles küldetésben is vizsgálhatják.

Az AstroRad sugárvédelmi mellényt viselő nő az Orion EM-1 előkészületei közbenForrás: NASA

A sugárzásmérési kísérletek több ország (Egyesült Államok, Németország, Ausztria, Lengyelország, Magyarország, Csehország, Belgium, Japán) részvételével zajlanak majd. Az MTA EK által összeállított passzív, vagyis energiaellátást nem igénylő detektorcsomagokban kétféle anyagot használnak. Az úgynevezett szilárdtest nyomdetektorok képesek a nagyobb energialeadással rendelkező részecskék regisztrálására. míg a termolumineszcens detektorok a kisebb energialeadású részecskéket és az egyéb sugárzásokat detektálják. Ezeket a detektorokat a küldetés végén, a földi laboratóriumba való visszaérkezés után lehet kiértékelni, az általuk mért dózisértékeket is csak ekkor lehet majd meghatározni. (Az Űrdozimetriai Csoportban készült a Pille dózismérő rendszer is, amely szintén termolumineszcens detektorokra épül, viszont kiolvasó készülék is tartozik hozzá. Automata üzemmódban üzemeltethető vagy az űrhajósok a jármű fedélzetén akár maguk is meg tudják vele határozni a dózisértékeket. A Pille rendszer az Orion EM-1 küldetésben nem vesz részt, de az ISS-en jelenleg is használják.)

A Nemzetközi Űrállomáson repült nyomdetektorról optikai mikroszkóppal készült felvétel. A képen többek között megkülönböztethetünk proton és alfa-részecske (p, α) nyomokat, kis rendszámú (Z) elemek nyomait (C, O, Si, Fe) és egy nagy rendszámú (Z>26) és energiájú részecske nyomát. A nyomok átmérője a becsapódó részecske rendszámával, hossza pedig az energiájával hozható összefüggésbeForrás: MTA EK

Az Orion EM-1-et a jelenlegi tervek szerint 2019. december 16-án bocsátják fel. A küldetés teljes időtartama még nem tudható pontosan, 26–42 nap a tervezett hosszúsága. Jelenlegi ismereteink szerint a kozmikus sugárzás által okozott dózis egy ilyen út során csak nagy bizonytalansággal becsülhető meg, ehhez hasonló komplex mérés még soha nem történt, mindenképp jelentős előrelépés várható ezen a területen. A NASA fő célja a MARE kísérlettel, hogy az űrhajósok minél biztonságosabb körülmények között vághassanak neki az űr felfedezésének, amihez ezúttal magyar kutatók is hozzájárulhatnak.

A felkéréssel nem jár közvetlen finanszírozás, pontosabban a NASA állja a feljuttatás és a visszahozatal költségeit, ami azért nem elhanyagolható szempont, tekintve, hogy ez a legjelentősebb költségtétel. A detektorokat, azok összeállítását, kalibrálását, repülés utáni kémiai maratásának és kiértékelésének költségeit viszont saját (például hazai pályázati vagy intézeti) forrásból kell biztosítani.

Forrás: MTA