Faszination Technik Wie ein bemanntes Mars-Raumfahrzeug konstruiert sein muss

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: die Simulation der Weltraumstrahlung und deren Auswirkung auf Raumfahrzeug und Astronauten.

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(Bild: dottedyeti - stock.adobe.com)

Eine Reise zum Mars dauert nach aktuellem Stand rund neun Monate in eine Richtung. Während Menschen auf der Erde und in erdnahen Umlaufbahnen durch den Erdkörper und sein Magnetfeld vor Weltraumstrahlung geschützt sind, stellt letztere für Reisen in den tieferen Weltraum, etwa zum Mars, ein erhebliches Risiko dar. Dabei sind Astronauten zwei Arten gefährlicher Strahlung ausgesetzt: Energiereiche Teilchen solaren Ursprungs (SEP), bei denen es sich hauptsächlich um positiv geladene Protonen handelt, und die galaktische kosmische Strahlung (GCR). Sie besteht ebenfalls überwiegend aus Protonen (84 Prozent), sowie aus positiv geladenen Alpha-Teilchen (zwei Protonen + zwei Neutronen, 14 Prozent) und negativ geladenen Elektronen (2 Prozent). Ein Schutz vor diesen Teilchen ist technisch sehr schwierig und aufwändig, weil sie mit sehr hohen Energien durch den Weltraum fliegen und daher tief in Materialien ein- bzw. sie auch durchdringen können. Im Material kann es zudem zu Streuprozessen kommen, bei denen neue, sogenannte Sekundär-Teilchen erzeugt werden. Diese hoch-energetische Teilchenmix kann sowohl in der menschlichen Haut als auch in inneren Organen Zellen schädigen.

Verschiedene Strahlungssituationen und Schutzoptionen

Ein internationales Team um Yuri Shprits vom Geo-Forschungs-Zentrum Potsdam (GFZ) und der Universität Potsdam sowie Mikhail Dobynde vom Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) in Moskau hat nun anhand von umfassenden Simulationen gezeigt, unter welchen Bedingungen eine Mission zum Mars machbar ist. Bei der Ermittlung der Strahlungsumgebung für das Raumschiff stützten sie sich auf Messungen der solaren Teilchen SEP aus den Jahren 1998 bis 2012. Für die galaktische Strahlung GCR nutzten sie ein empirisches Modell, in dem auch die Effekte des Sonnenzyklus berücksichtigt wurden.

Der Einfluss des Sonnenzyklus auf die Strahlung

Laut GFZ variiert die Intensität der beiden Strahlungsarten während des elfjährigen Sonnenzyklus. Bei diesem Prozess polt sich das solare Magnetfeld um: magnetischer Nord- und Südpol tauschen die Plätze. Dementsprechend haben auch verschiedene Sonnenaktiviäten diesen elfjährigen Rhythmus. So ist die Wahrscheinlichkeit und die Intensität der solaren Strahlung auf dem Höhepunkt der Sonnenaktivität am größten. Im Gegensatz dazu ist die galaktische kosmische Strahlung (GCR) von gleichmäßigerer Natur. Obwohl die Teilchenflüsse nicht so hoch sind, können sich bei langen Reisezeiten im All die Strahlungsdosen gefährlich aufsummieren. Auch die kosmische Strahlung wird durch die Sonnenaktivität beeinflusst: Sie wird von ihr abgeschirmt und ist daher im Maximum der Sonnenaktivität am schwächsten.

Das Berechnungsmodell für die Strahlendosis

Simulation der Strahlung am Raumschiff: 100 einfallende Protonen mit einer vergleichsweise geringen Energie von 100 MeV (links) und 10 Protonen mit einer sehr hohen Energie von 1000 MeV (rechts) treffen auf ein 10 g/cm2 Aluminium Schutzschild und einem Astronauten-Dummy.
Simulation der Strahlung am Raumschiff: 100 einfallende Protonen mit einer vergleichsweise geringen Energie von 100 MeV (links) und 10 Protonen mit einer sehr hohen Energie von 1000 MeV (rechts) treffen auf ein 10 g/cm2 Aluminium Schutzschild und einem Astronauten-Dummy.
(Bild: Mikhail Dobynde)

Das Raumschiff wurde nach Angaben des GFZ durch eine Kugel mit einem Innendurchmesser von zwei Metern modelliert. Als Material für die Hülle wählten die Forschenden das gängige Aluminium, die Dicke dieses Schutzmantels wurde variiert. Eine Wasserkugel von 35 Zentimetern Durchmesser diente als Modell für den menschlichen Körper. Auf dieser Basis haben die Forschenden die Strahlendosis berechnet, die sich im Laufe einer Reise zum Mars unter verschiedenen Bedingungen im Körper akkumuliert. Dabei analysierten sie auch verschiedene Eindringtiefen in den Körper, um die Empfindlichkeit von Haut, blutbildenden und anderen Organen zu differenzieren.

Es wurde klar: Aufgrund von Streuprozessen im Schutzschild können die wenigen hochenergetischen Partikel im Inneren des Raumschiffs eine wesentlich größere Menge gefährlicher Teilchen erzeugen als sehr viele Primär-Partikel mit geringerer Energie, gegen die der Schutz besser wirkt (siehe Bild). Farberläuterung: Primär-Protonen in Blau, Streuprozesse in Grün, Neutronen in Rot, Gamma-Strahlung in Gelb und Elektronen in Cyan.

Die optimalen Bedingungen für einen Flug zum Mars

„Bislang gehen die meisten Weltraumorganisationen davon aus, dass die gesamte Strahlungsbelastung für Astronauten im Laufe ihres Lebens den Wert von 1 Sievert nicht überschreiten sollte“, sagt Yuri Shprits. Die neuen Berechnungen zeigen, dass dieser Wert eingehalten werden kann, wenn das Raumschiff eine optimal dimensionierte Hülle hat, wenn der Flug während des Sonnenmaximums startet, und wenn die gesamte Reisezeit 3,8 Jahre nicht überschreitet.

Für den Aluminium-Schutzschild erweist sich eine Materialstärke von 30 Gramm pro Quadratzentimeter als optimal. Wird das Material dicker, so kommt es in ihm vermehrt zu Streuprozessen, bei denen Sekundär-Teilchen entstehen, die die Strahlenbelastung im Inneren wieder erhöhen können. Auch bei dünnerem Material wäre die kritische Strahlendosis bereits bei kürzeren Flugzeiten erreicht, heißt es..

Komposit-Materialien für eine bessere Schutzwirkung

Sollte es neue Erkenntisse zur biologischen Wirksamkeit von Strahlung und neue Materialentwicklungen geben, lassen sich die vorliegenden Modelle anpassen. „Wir haben uns hier zunächst auf Aluminium als das zurzeit gängige Material für den Strahlenschutzschild konzentriert. Seit längerem werden auch Komposit-Werkstoffe wie Kohlefaser-Verbundwerkstoffe (CFK) diskutiert, die mit leichten Elementen wie Wasserstoff gespickt sind. An diesen Materialien würden wir weniger Streuprozesse beobachten und daher weniger sekundär-induzierte Teilchen“, prognostiziert Shprits. Insgesamt dürfte das aber nur zu einer Verbesserung der Schutzwirkung um rund 20 Prozent führen, schätzt der Weltraumphysiker. Damit wäre dann eine Verlängerung der Reisezeit um ein Jahr möglich.

Die Ergebnisse der Untersuchungen sind im Fachmagazin Space Weather erschienen.

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