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Bemannte Missionen jenseits der Erdumlaufbahn sind erhöhter kosmischer Strahlung ausgesetzt. Im Auftrag der ESA untersucht die GSI, Gesellschaft für Schwerionenforschung, mit ihrem Teilchenbeschleuniger mögliche Schutzschilde für Astronauten, darunter auch Mond- und Marsgestein.
 
Im Rahmen des zweijährigen ESA-Projekts ROSSINI -'Strahlungsabschirmung durch ISRU (Rohstoff-Ausnutzung vor Ort) und/oder innovative Materialien für EVA, Fahrzeug und Habitat' – hat man damit begonnen, die vielversprechendsten Materialien für den Schutz künftiger Astronauten auf dem Mond, den Asteroiden oder dem Mars auszuwerten. „Wir arbeiten mit der einzigen Einrichtung Europas zusammen, die in der Lage ist, hochenergetische schwere Kerne zu simulieren, die in der galaktischen kosmischen Strahlung vorkommen: Die GSI, Gesellschaft für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt“, erklärt ESA-Projektmanagerin Alessandra Menicucci. 

„Die GSI hat auch Zugang zu ihrem amerikanischen Pendant, dem Space Radiation Laboratory der NASA in Brookhaven im US-Bundesstaat New York, wo unser erster Testdurchlauf vor Kurzem durchgeführt wurde.“

„Wir haben Materialien wie Aluminium, Wasser, Polyethylen-Kunststoffe und Vielschichtstrukturen untersucht und Mond- und Marsmaterial simuliert, letzteres anhand der Beschaffenheit, wie sie bei Planetenexpeditionen verfügbar sein werden. Wir haben auch ein neuartiges Material zur Lagerung von Wasserstoff gefunden, das besonders vielversprechend ist.“

Astronauten offiziell als Strahlenarbeiter klassifiziert

Der Weltraum ist voll mit geladenen Teilchen, was bedeutet, dass Astronauten offiziell als Strahlenarbeiter klassifiziert sind. Die Internationale Raumstation bewegt sich in ihrer Erdumlaufbahn innerhalb des Erdmagnetfelds und schützt so ihre Insassen vor dem Großteil der Weltraumstrahlung. Bewegt man sich weiter weg, wird eine entsprechende Abschirmung erforderlich sein.

Die Weltraumstrahlung kommt von der Sonne, und zwar in Form von intensiven, aber kurzlebigen Sonneneruptionen; galaktische kosmische Strahlung stammt von außerhalb unseres Sonnensystems: Atomkerne, die aus explodierenden Sternen entstehen und von Magnetfeldern beschleunigt werden, während sie durch die Galaxie reisen.

„Sonneneruptionen bestehen aus Protonen, die recht einfach abzuschirmen sind“, fügt Alessandra Menicucci hinzu.

„Die große Herausforderung für Deep-Space-Missionen ist die galaktische kosmische Strahlung, der man über ein breites Energiespektrum ausgesetzt ist – obwohl sich der Expositionsgrad mit dem 11-jährigen Sonnenzyklus verändert.“

Die meisten Partikel der kosmischen galaktischen Strahlung sind kleine Protonen oder Heliumkerne. 1 % jedoch sind größer, von der Größe eines Eisenatoms oder mehr - bekannt als „hochionisierte hochenergetische Partikel“ oder kurz HZE genannt.
 
 
"Je leichter der Atomkern eines Materials ist, desto besser ist der Schutz"
 
Strahlungsabschirmung kann widersinnig sein, denn dichter und dicker bedeutet nicht unbedingt immer besser. HZEs, die auf Metallschilde auftreffen, können einen Regen von Sekundärpartikeln erzeugen, die sogar noch schädlicher sein können. Mit der zunehmenden Dicke eines Schutzschildes nimmt der Energieverlust der ionisierenden Strahlung bis zu einem Spitzenwert zu und sinkt dann schnell wieder ab.

„Das heißt, je leichter der Atomkern eines Materials ist, desto besser ist der Schutz“, so Menicucci.

Wasser und Polyethylen verhielten sich zum Beispiel besser als Aluminium, und neue, wasserstoffreiche Materialien, wie von der britischen Firma Cella Energy entwickelt, schnitten in den Tests noch besser ab. Das in Oxfordshire beheimatete Unternehmen Cella Energy entwickelte seine zum Patent angemeldeten Materialien ursprünglich zur Lagerung von Wasserstoff als Treibstoff, untersucht jedoch derzeit die Strahlungsfestigkeit.

Im Rahmen von ROSSINI werden auch komplexe "Monte Carlo"-Simulationen durchgeführt, um einen statistischen Überblick über Strahlungseffekte zu erhalten. Eine wichtige Ressource ist der von CERN in internationaler Zusammenarbeit entwickelte und im Large-Hadron-Collider eingesetzte Geant4-Toolkit, mit dem simuliert wird, wie Partikel auf Materie auftreffen.

„Die Simulationsergebnisse werden dann mit den Testdaten verglichen. Das ist ein wichtiger Schritt, denn dies ist ein so komplexes Feld mit vielen Unbekannten, besonders was die Humanbiologie angeht“, so Menicucci weiter. Unsere abgeschlossene Forschung wird dann für die Planung von bemannten Missionen verfügbar sein.“

Das Unternehmen Thales Alenia Space Italy leitet das ROSSINI-Projekt für die ESA. Die GSI sorgt dabei für die Tests und Datenanalysen, das Schweizer Unternehmen SpaceIT arbeitet an den Simulationen.

Die Zusammenarbeit zwischen ESA und GSI geht auch über ROSSINI hinaus: Die ESA wird ein Hauptnutzer der neuen FAIR-Beschleuniger-Anlage zur Forschung mit Antiprotonen und Ionen sein. Nach der Fertigstellung ermöglicht FAIR Experimente mit einem noch größeren Spektrum an Partikelenergien.

Quelle: ESA