Amenaça per a la salut dels raigs còsmics

L'amenaça per a la salut dels raigs còsmics és el perill que representen els raigs còsmics galàctics i les partícules energètiques solars als astronautes en missions interplanetàries. Els raigs còsmics galàctics (GCR) consisteixen en protons d'alta energia (85%), heli (14%) i altres nuclis atòmics d'alta energia (HZE). Les partícules energètiques solars consisteixen bàsicament de protons accelerats pel sol en energies altes a través de la proximitat d'erupcions solars i ejeccions de massa coronal. Es tracta d'un dels obstacles més importants que impedeixen els plans per al viatge interplanetari en vehicles espacials tripulats.

Radiació de l'entorn de l'espai profund miniatura|Fonts de la radiació ionitzant a l'Espai Interplanetari

L'entorn de radiació de l'espai profund és molt diferent de la superfície terrestre o en òrbita terrestre baixa, a causa del flux molt més gran de raigs còmics galàctics d'alta energia (GCRs), juntament amb la radiació dels esdeveniments de protons solars (SPEs) i els cinturons de radiació de Van Allen.

Els raigs còmics galàctics creen una dosi de radiació continuada en tot el sistema solar que augmenta durant el mínim i màxim de l'activitat solar. L'interior i exterior dels cinturons de radiació són dues regions de partícules atrapades del vent solar que després són accelerades per la interacció dinàmica amb el camp magnètic de la Terra. Si bé sempre és alta, la dosi de radiació en aquests cinturons poden augmentar dràsticament durant tempestes geomagnètiques i subtempestes. Els esdeveniments solars de protons són ràfegues de protons energètics accelerats pel sol. Ocorren amb poca freqüència i poden produir nivells de radiació extremadament altes. Sense un gruix de blindatge, SPEs són prou forts per causar una síndrome d'irradiació aguda i la mort.Biomedical Results From Apollo - Radiation Protection and Instrumentation;

La vida a la superfície de la Terra està protegida dels raigs còsmics per un nombre de factors: L'atmosfera de la Terra és opaca als raigs còsmics primaris amb energies per sota d'uns 1 GeV, només la radiació secundària pot arribar a la superfície. La radiació secundària també és atenuada per l'absorció en l'atmosfera, així com per la desintegració radioactiva en vol d'algunes partícules, com ara muons. Les partícules que entren des d'un rumb pròxim a l'horitzó són especialment atenuats. La població mundial rep una mitjana de 0,4 mSv de la radiació còsmica anualment (separada d'altres fonts d'exposició a la radiació com el radó inhalat) causa del blindatge atmosfèric. A 15 km d'altitud, per sobre de la majoria de la protecció de l'atmosfera, la dosi de radiació en taxa anual s'eleva a 20 mili-Sieverts (mSv) en l'equador 50 - 120 mSv en els pols, variant entre el màxim solar i les condicions mínimes A excepció dels més alts raigs còsmics galàctics d'energia, el radi de gir en el camp magnètic terrestre és prou petit per assegurar que són desviades lluny de la Terra. Les missions més enllà de l'òrbita baixa de la Terra abandonen la protecció del camp geomagnètic, i realitzen el trànsit dels cinturons de Van Allen. Així necessiten ser protegits contra l'exposició de raigs còsmics, la radiació de Van Allen o erupcions solars. La regió entre dos a quatre radis de la terra two to four earth radii està entre els dos cinturons de radiació i es refereix de vegades com la "zona segura". El camp magnètic interplanetari, incrustat en el vent solar, també desvien els raigs còsmics. A conseqüència, el fluxos de raigs còsmics de l'heliopausa estan inversament correlacionats amb la cicle solar. Com a resultat, l'entrada d'energia de GCRs a l'atmosfera és insignificant — sobre el 10−9 de la radiació solar - aproximadament el mateix que la llum estel·lar.Jasper Kirkby; Cosmic Rays And Climate CERN-PH-EP/2008-005 26 March 2008

Dels factors anteriors, tot però primer s'apliquen en els vehicles en òrbita terrestre baixa, com el Transbordador Espacial i l'Estació Espacial Internacional. L'exposició sobre l'EEI té una mitjana de 150 mSv anualment, encara que les rotacions freqüents de la tripulació minimitzen el risc individual.Space Radiation Organ Doses for Astronauts on Past and Future Missions Table 4 Els astronautes de les missions Apollo i Skylab van rebre de mitjana 1,2 mSv/dia i 1,4 mSv/dia respectivament. Atès que la durada de les missions Apollo i Skylab van ser dies i mesos, respectivament, en lloc d'anys, les dosis involucrades eren més petites del que s'esperava en les futures missions de llarga durada, com un asteroide proper a la Terra o a Mart (llevat que pogués proporcionar molt més blindatge).

Efectes sobre la salut humana miniatura|esquerra| Comparació de la dosi de radiació - inclou la quantitat detectada en el viatge des de la Terra a Mart per la RAD a la MSL (2011 - 2013).

Els possibles efectes aguts i crònics a la salut de la radiació espacial, igual que amb altres exposicions de radiació ionitzant, impliquen un dany directe a l'ADN i efectes indirectes a causa de la generació d'espècies d'oxigen reactives. L'agudesa (o la radioteràpia primerenca) dels efectes resultants d'altes dosis de radiació, i aquests és més probable que passi després d'esdeveniments de partícules solars (SPEs). Els possibles efectes crònics de l'exposició a la radiació espacial són els dos esdeveniments estocàstics, com la radiació carcinogènesi i els efectes deterministes degeneratius dels teixits. Fins ara, però, l'única patologia associada amb l'exposició a la radiació espacial és un major risc de cataractes per radiació del cos d'astronautes.

L'amenaça per a la salut depèn del flux, espectre de l'energia, i composició nuclear de la radiació. El flux i l'espectre d'energia depenen d'una varietat de factors: temps solar a curt termini, tendències a llarg termini (com ara un augment aparent des de la dècada de 1950The Cosmic Ray Radiation Dose in Interplanetary Space – Present Day and Worst-Case Evaluations R.A. Mewaldt et al., page 103, 29th International Cosmic Ray Conference Pune (2005) 00, 101-104), i la posició en el camp magnètic del Sol. Aquests factors resten desconeguts. El Mars Radiation Environment Experiment (MARIE) es va posar en marxa el 2001 amb la finalitat de recollir més dades. S'estima que els éssers humans no blindats en l'espai interplanetari rebrien anualment aproximadament de 400 a 900 milliSieverts (mSv) (en comparació amb els 2,4 mSv de la Terra) i que una missió a Mart (12 mesos en vol i 18 mesos a Mart) podria exposar als astronautes blindats de ~500 a 1000 mSv. Aquestes dosis s'acosten d'1 a4 Sv dels límits de carrera assessorats pel National Council on Radiation Protection and Measurements en activitats d'òrbita terrestre baixa.

Els efectes quantitatius biològics dels raigs còsmics són poc coneguts, i són objecte d'investigació en curs. Diversos experiments, tant en l'espai i en la Terra, es duen a terme per avaluar el grau exacte de perill.

Sistema nerviós central Els possibles efectes primerencs i tardans en el sistema nerviós central són de gran preocupació per la NASA i una àrea d'interès actiu d'investigació actual. Tots dos efectes a curt i llarg termini de l'exposició de CNS a radiació còsmica galàctica (GCR) són probablement el planteig d'importants riscos per a la salut humana neurològicament per a viatges espacials de llarga durada. Segons les estimacions, l'exposició considerable a ions pesants d'alta energia (HZE) així com els protons i radiacions secundàries durant missions prolongades a Mart o la Lluna amb les estimacions de dosis sencer al cos efectivament que van des de 0,17 a superior d'1,0 Sv. Donada l'alta transferència lineal d'energia (LET) del potencial d'aquestes partícules, una proporció considerable de les cèl·lules exposades una radiació HZE és probable que morin. D'acord amb càlculs de fluxos d'energia de ions pesants durant els vols espacials, així com diversos models experimentals de cèl·lules, quan el 5% de les cèl·lules dels astronautes podrien morir durant aquestes missions. Pel que fa a les cèl·lules en crítiques regions del cervell, quant al 13% d'aquests cèl·lules poden ser travessats almenys una vegada per un ió de ferro durant un període de tres anys en missió a Mart. Segons una estimació de la NASA, per cada any que els astronautes passen a l'espai profund, aproximadament un terç dels seus ADNs seran colpejats directament per ions pesants. Així, la pèrdua de cèl·lules crítiques en estructures funcionals altament complexes i organitzades com el sistema nerviós central (CNS) podria resultar en una funció compromesa astronauta, com ara canvis en la percepció sensorial, propiocepció, i comportament o més disminucions a llarg termini en les funcions cognitives i de comportament, incloent l'aparició o la progressió accelerada de malalties cerebrals degeneratives.

Diversos astronautes del programa Apollo van informar que havien vist llum en parpelleigs, encara que els mecanismes necessaris responsables biològics no són clars. Les vies probables inclouen les interaccions de ions pesants amb fotoreceptors de la retina i la radiació de Txerenkov com a resultat de les interaccions entre partícules dins de l'humor vitri. Aquest fenomen s'ha repetit a la Terra per científics de diverses institucions. Com la durada del vol més llarg del programa Apollo va ser menys de dues setmanes, els astronautes havien limitat l'exposició acumulativa i un corresponent risc baix per a la radiació de carcinogènesi. A més, hi havia només 24 astronautes, realitzant anàlisis estadístiques de qualsevol efecte de salut problemàticament potencial.

Mitigació Blindatge El blindatge amb materials pot ser efectiu contra els raigs còsmics, però el prim blindatge pot empitjorar el problema per alguns dels rajos d'energia més alts, perquè més quantitat d'apantallament provoca un augment en la quantitat de radiació secundària, encara que més (possiblement poc pràctic) gruix de blindatge podria contrarestar-ho.NASA SP-413 Space Settlements: A Design Study. Appendix E Mass Shielding Retrieved 3 May 2011. Les parets d'alumini de la ISS, per exemple, es creu que tenen un efecte beneficiós. A l'espai interplanetari, però, es creu que el blindatge d'alumini prim tindria un efecte negatiu.

S'estan estudiant diverses estratègies per millorar els efectes d'aquest perill de radiació per al vol espacial tripulat interplanetari: Les naus espacials poden ser construïdes a partir de materials plàstics rics en hidrogen, en lloc d'alumini. Desafortunadament, "Alguns 'raigs còsmics galàctics són tan energètics que cap quantitat raonable de protecció ho pot aturar,' segons adverteix Frank Cucinotta, Cap de la Radiation Health Officer de la NASA. 'Tots els materials tenen aquest problema, incloent el polietilè.'" Del material per a blindatge s'ha considerat: Hidrogen líquid, que seria transportat també com a combustible en qualsevol cas, tendeix a donar protecció relativament bona, mentre que produeix nivells relativament baixos de radiació secundària. Per tant, el combustible pot ser col·locat de manera que actuïi com una forma de protecció al voltant de la tripulació. No obstant això, a mesura que el combustible és consumit pel vehicle, el blindatge de la tripulació disminueix. L'aigua, que és necessària per mantenir la vida, també podria contribuir al blindatge. Però també es consumeix durant el viatge a menys que els productes de rebuig. Els asteroides podrien servir per proporcionar blindatge.Morgan, P. (2011) "To Hitch a Ride to Mars, Just Flag Down an Asteroid" Discover magazine blogMatloff, G.L. and Wilga, M. (2011) "NEOs as stepping stones to Mars and main-belt asteroids" Acta Astronautica 68(5-6):599-602