ZAŠTITA OD IONIZIRAJUĆEG ZRAČENJA U SVEMIRU

Dr.sc. Zdenko Franić

Institut za medicinska istraživanja i medicinu rada, Jedinica za zaštitu od zračenja

Ksaverska cesta 2, p.p. 291, Zagreb, Republika Hrvatska

E-mail: franic@imi.hr

SAŽETAK

Dugoročna istraživanja svemira zbog specifičnih fizikalnih uvjeta koji tamo vladaju sa sobom nose svakojake rizike, od kojih je jedan od najvećih izloženost zračenju. U radu su prikazane opasnosti koje prilikom duljeg boravka u svemiru, primjerice u budućim misijama na Mjesec ili Mars, predstavlja zračenje. Razmotreni su najznačajniji izvori zračenja; Van Allenovi pojasi zračenja, galaktičke kozmičke zrake i nenadane emisije čestičnog zračenja sa Sunca (SPE). Srećom, SPE većinom traju relativno kratko (manje od 1-2 dana), što omogućava ostvarivanje zaštite u relativno malenim skloništima. Biološki učinci zračenja uzrokovani dugotrajnom izloženošću galaktičkim kozmičkim zrakama visoke energije tek se trebaju istražiti. Općenito, stručnjaci smatraju da astronauti neće premašiti doze koje smiju primiti tijekom karijere, ali je vrlo vjerojatno da će u kraćim vremenskim periodima određene granice doza ipak biti premašene. Daljnja istraživanja učinaka zračenja na ljude, posebice u svemirskom okruženju, trebaju pomoći u uspostavljanju tih "kratkročnih" limita.

Ključne riječi: zaštita od zračenja, kozmičke zrake, svemir, dozimetrija

SUMMARY

Along with the long-term space explorations come various potential health risks due to unique physical factors of the space environment, radiation being one of the primary hazards. This paper presents the overview of the dangers that radiation can pose on a prolonged stay in the space environment, like in future missions to the Moon or Mars. The major sources of radiation encountered are discussed, i.e., the trapped belt radiation, the galactic cosmic rays (GCRs), and the solar particle events (SPEs). Fortunately, most SPEs are relatively short-lived (less than 1-2 days), which allows for relatively small volume "storm shelters" to be feasible. The biological effects from long term exposure to high energy galactic cosmic radiation are yet to be investigated in more details. Generally, experts agree that career limits for astronauts are unlikely to be exceeded during a Mars trip, but short-term limits may be exceeded. However, more study of radiation effects on humans, particularly in space environment may help determine what this limit should be.

Key words: Radiation protection, cosmic rays, space, dosimetry

Uvod

Zemljino magnetsko polje i atmosfera učinkovito štite živi svijet od kozmičkog zračenja (Franić, 1994). Međutim, prirodno zračenje je jedno od većih ograničenja za dulji boravak astronauta u svemiru, primjerice na stalnim svemirskim postajama u Zemljinoj orbiti odnosno pri organiziranju međuplanetarnih putovanja (Franić, 1993a). Ionizirajuće zračenje, često pogrešno poznato pod nazivom radioaktivno zračenje, jest zračenje koje ima sposobnost izazivanja ionizacije molekula u materijalu, te predstavlja samo mali dio spektra zračenja. Ionizirajuće zračenje predaje ozračenoj tvari energiju, te se zbog toga mijenjaju svojstva i zračenja i ozračene tvari. U živoj tvari ionizirajuće zračenje izaziva snažno biološko djelovanje jer uništava žive stanice. To djelovanje pak može biti izravno na atome koji izgrađuju molekule žive tvari ili posredno djelovanje na atome okolnog sredstva, većinom vode. Radiološki rizik opisan je ekvivalentnom dozom, odnosno energijom zračenja koju apsorbira jedinica mase tkiva.

Kozmičke zrake

Kozmičke zrake dijele se na primarne (galaktičke) i sekundarne. Galaktičke kozmičke zrake imaju vrlo veliku energiju (do 1013 eV, a izvorište im je izvan sunčevog sustava. Kako se sastoje 82-85% od protona, 12-14% od alfa čestica, (helijevih jezgara), 2% od elektrona i pozitrona te oko 1% od tzv. HZE čestica, njihov sastav odražava sastav zvijezda. HZE čestice (High Atomic Number Z, High Energy) su visoko-ionizirane jezgre elemenata velikog atomskog broja. Ovaj nevidljivi pljusak galaktičkih kosmičkih zraka ima vrlo kompleksnu vremensku i prostornu ovisnost, tako da pojedine dijelove Zemlje pogađa jače nego druge. Npr. polovi primaju više zračenja stoga što magnetsko polje Zemlje uslijed Lorenzove sile skreće nabijene čestice koje onda spiralno kruže duž silnica geomagnetskog polja formirajući Van Allenove pojase zračenja. Nadalje, intenzitet zračenja povećava se s nadmorskom visinom budući da na većim visinama tanji sloj atmosfere (manja količina zraka) djeluje kao štit (Franić 1993b). Dakle, ljudi pri produženim boravcima na većim visinama, npr. stanovništvo planinskih područja, posade i putnici zrakoplova, te astronauti bivaju izloženi većim dozama zračenja (Bouville, 1988). Budući da sekundarne kozmičke zrake nastaju interakcijom primarnih zraka s atmosferom (a tako nastaje i neutronska komponenta kozmičkih zraka) astronauti njima nisu izloženi. S obzirom na izotropnost, te neovisnost o vremenu, doza od galaktičkih kozmičkih zraka može se relativno točno predvidjeti.Valja naglasiti da se o dozimetriji samih HZE čestica još uvijek malo zna. Pokusi s akceleratorima izvedeni na laboratorijskim životinjama potvrđuju da HZE čestice uzrokuju mikroskopske probodne rane, ireverzibilno uništavajući pogođene stanice tkiva, uključujući i stanice živčanog sustava. Biološki učinak djelovanja takvih čestica na tkivo stoga ne ovisi o intenzitetu već o energiji, tj. o kutu pod kojim je stanica pogođena. Pretpostavlja se da bi učinci djelovanja HZE čestica pri dugoj izloženosti mogli nalikovati na posljedice Alzheimerove bolesti (gubitak pamćenja i koordinacije pokreta, smanjena mogućnost prosuđivanja, te naposljetku demencija. Tok galaktičkih kozmičkih zraka u sunčevom sustavu nije konstantan, te ovisi o sunčevoj aktivnosti. U periodima maksimalne sunčeve aktivnosti, sunčev vjetar se sudara s kozmičkih zrakama "odbijajući" ih prema vanjskom dijelu Sunčevog sustava. Posljedično, za vrijeme perioda smanjene sunčeve aktivnosti tok galakatičkih kozmičkih zraka je i do 2.5 puta veći.

Sunčevo zračenje

Sunce kontinuirano emitira ogromne količine energije u raznim oblicima koji se mogu svrstati u nekoliko tipova zračenja. Elektromagnetsko zračenje emitirano sa Sunca ima maksimum u vidljivom dijelu spektra, iako su prisutni i visokoenergijski fotoni, uključujući i ultraljubičasto zračenje i X-zrake. Također, Sunce emitira i čestično zračenje. Sunčeva je aktivnost periodična, s periodom od 8-16 godina uz prosjek 11.1 godina. Odavno je već ustanovljena veza između sunčeve aktivnosti i sunčevih pjega, čiji se broj povećava, odnosno smanjuje također u ciklusu od oko 11 godina. Budući da se od ciklusa do ciklusa pravilno mijenja i polaritet Sunca, potpun Sunčev ciklus iznosi oko 22 godine. Sunčeve pjege su područja niže temperature na površini Sunca, na fotografijama Sunca (ili kroz začađeno staklo) vidljive kao tamni dijelovi. Kako je zadnji maksimum bio u ožujku 1992., slijedeći se očekuje maksimum oko godine 2003., kada se očekuje i povećani broj geomagnetskih oluja. Za vrijeme pojačane sunčeve aktivnosti, erupcije na Suncu izbacuju povećanu količinu materije u Svemir, koja, pogodi li Zemlju, izaziva fluktuacije njenog magnetskog polja. Posljedice jesu kvarovi satelita, teškoće u opskrbi električnom energijom, kaos u telekomunikacijama, te pojave aurora.

a) Sunčev vjetar

Sunčev vjetar je kontinuirana bujica nabijenih čestica i plazme, koja svemirom putuje brzinom od oko 400 kms-1. Zbog velike toplinske energije te čestice mogu, uglavnom kroz "rupe" na koroni, svladati Sunčevu gravitaciju. Sunčev vjetar se sastoji najvećim dijelom od protona, ali i od težih jezgara koje imaju energije usporedive s nižim energijama galaktičkih kozmičkih zraka. Smatra se da bi Sunčev vjetar doprinosio samo manjem dijelu ukupne doze koju bi posada primila na putu prema Marsu.

b) Protuberance

Protuberance su dijelovi kromosfere (vanjski dio "atmosfere" Sunca debeo 10000 do 14000 km i temperature oko 5000 K) sjajne crvene boje, vidljivi uz rub Sunca. Mogu trajati od nekoliko minuta do nekoliko sati. Mehanizmi njihovog nastanka nisu još do kraja razjašnjeni, no svaki ovakav događaj uključuje emitiranje ogromnih količina energije u obliku X zraka, ultraljubičastog zračenja te drugih vrsta elektromagnetskog zračenja, kao i visokoenergijskih protona i elektrona. Ta energija uzrokuje udarni val u sunčevom vjetru, ubrzavajući njegovo širenje prostorom. U svemirskom okruženju, primjerice u nezaštićenom svemirskom brodu sve to pak predstavlja ozbiljnu opasnost za ljude. Spomenimo da su učinci vidljivi i na Zemlji u vidu aurore borealis, povećavanja temperature gornjih slojeva atmosfere, te smetnji na telekomunikacijama.

c) Nenadane emisije čestičnog zračenja - SPE

Uz neke od sunčevih protuberanci pojavljuju se i snažne emisije, prave "provale" protona i alfa zraka. Takav se događaj naziva SPE (Solar Particle Event). SPE se na Zemlji registrira kao geomagnetska oluja (Franić, 1998), a može sa Sunca izbaciti oblak vodika i helija čiji je promjer mnogostruko veći od promjera Zemlje. Jedan takav događaj može prouzročiti dozu veću od 26 Sv, dovoljno da ubije nezaštićenu posadu u svemirskom brodu. Taj smrtonosni ples plazme (ionizirani, električki nabijeni plinovi, s podjednakim brojem pozitivnih i negativnih naboja), zarobljenih magnetskih polja i elektromagnetskog zračenja ogromnom se brzinom širio Sunčevim sustavom. X zrake do Zemlje stignu već za nekoliko minuta, nabijene čestice za nekoliko sati, te plazma za nekoliko dana. Najopasnija komponenta jesu nabijene čestice. Predikcije SPE za sada su još uvijek vrlo nesigurne, a osnivaju se na detekciji elektromagnetskog zračenja, koje budući da putuje brzinom svjetlosti, prethodi pljusku SPE iona. Današnje stanje tehnologije omogućava najavu nailaska prvih SPE iona oko 30 minuta unaprijed. Najvjerojatnije rješenje problemu zaštite od letalnih doza uzrokovanih SPE ionima bit će specijalna skloništa u svemirskim brodovima koja bi imala štitove desetak i više puta deblje od sadašnjih standarda. Naime bilo bi nepraktično cijeli svemirski brod (ili orbitalnu stanicu) opremiti takvim štitom jer bi to znatno povećalo masu. Posljedično, za pogon bi trebalo znatno više energije, što bi ovisno o vrsti goriva dodatno povećalo masu. Najdjelotvornija zaštita bila bi uspostavljanje snažnog magnetskog polja koje bi odbijalo nabijene čestice.

Učinci zračenja na ljude

Najveći broj podataka o učincima ionizirajućeg zračenja na ljude dobiven je proučavanjem preživjelih u Hirošimi i Nagasakiju. Korištenjem te baze podataka, učinci velikih doza linearno su ekstrapolirani na manje doze. Naime, danas prevladavajuća doktrina u zaštiti od zračenja jest da nema blagotvornih doza zračenja, te da između primljene doze zračenja i učinaka te doze vrijedi tzv. "linearna hipoteza". Ipak još uvijek postoje brojne nepoznanice u interakciji ionizirajućeg zračenja i žive materije. Glede učinaka zračenja u svemirskom okolišu, tu su nepoznanice još veće. Detaljnija mjerenja doza zračenja pri međuplanetarnim putovanjima ne postoje, što pak uvjetuje konzervativniji pristup pri dizajniranju zaštitnog oklopa svemirskog broda (kao i specijalnog skloništa) u kojem će boraviti ljudi. Mjerenja intentiteta galaktičkih kozmičkih zraka nisu provedena na većim udaljenostima od Zemlje, te se stoga ne zna jesu li one zaista jednoliko raspoređene po Sunčevom sustavu kako to predviđa teorija. Također, mogući su i sinergistički učinci zračenja i smanjene gravitacije. Primjerice, pokusi u zemaljskoj orbiti su pokazali da mikrogravitacija stimulira zračenjem izazvane anomalije u jajašcima insekta indijski paličnjak (Carausius morosus). Tako bi možda i ljudska posada, koja će se priučiti na približno 1/3 zemaljske gravitacije u svemirskom brodu pri putu na Mars, mogla biti više podložna djelovanju zračenja.

Dozimetrija

Razmotrimo na koncu iznose doza koje bi ljudi mogli primiti pri produženom boravku u Svemiru kakav je primjerice put na Mars prema tzv. SIMP projektu (SIMP, 1996). Radi se o planu putovanja ljudi na Mars oko godine 2010 nazvanom Stanford International Mars Mission (SIMM), a koji za cilj ima razmotriti sve relevantne aspekte puta na Mars. Proračuni se znatno razlikuju, ovisno o pretpostavkama koje se odnose na ukupno vrijeme koje ljudi provedu u skloništima od zračenja, te dizajnu štitova svemirskog broda. Tablica 1 pokazuje doze zračenja koje s eočekuju pri putu na Mars za vrijeme solarnog minimuma, svemirskim brodom koji ima štit debljine 2 gcm-2 (Badhwar, 1991).

Tablica 1

Put izloženosti	Ekvivalentna doza (Sv)
Prolaz kroz Van Allenove pojaseve (prema Marsu)	0.20
Put Zemlja - Mars (252 dana)	3.90
Boravak na Marsu (418 dana)	3.20
Put Mars - Zemlja (259 dana)	4.00
Prolaz kroz Van Allenove pojaseve (prema Zemlji)	0.20
UKUPNO	11.50

No, uz pretpostavku da svemirski brod ima štit debljine 5 gcm-2, štit skrovišta debljine 35 gcm-2, te uz pretpostavku da posada u skloništu provodi 75% vremena, uključujući i spavanje, doze su čak petnaestak puta manje (Chappell, 1994).

Tablica 2

Put izloženosti	Ekvivalentna doza (Sv)
Sunčev minimum	Sunčev maksimum
Galaktičke kozmičke zrake	0.630	0.059
Protuberance	0.025	0.127
Galaktičke kozmičke zrake (za vrijeme boravka na Marsu	0.114	0.055
Protubernace (za vrijeme boravka na Marsu)	0.011	0.054
UKUPNO	0.780	0.495

Za usporedbu, prilikom leta na Mjesec u misijama Apollo 7 - Apollo 17, koje su trajale prosječno oko dva tjedna, astronauti su dobili doze 1.6 - 11.4 mSv, prouzročene galaktičkim kozmičkim zrakama i prolaskom kroz Van Allenove pojase zračenja (Angelo, 1988).

Zaključne primjedbe

Doze kojima su izloženi astronauti pri produženim boravcima u svemiru, kakav će primjerice biti put na Mars (ili boravak u bazama na Mjesecu) višestruko će nadmašiti maksimalne doze za profesionalno izložene ljude na Zemlji. Tome još treba dodati i doze zbog rada nuklearnog reaktora koji će najvjerojatnije energijom opskrbljivati svemirski brod na najmanje trogodišnjoj misiji. Stoga je zračenje potencijalno znatan limitirajući čimbenik produljenog boravka ljudi u svemiru. Budući uspješni razvoj i djelovanje orbitalnih i lunarnih baza te puteva na Mars velikim će dijelom ovisiti i o razvoju svemirskog programa zaštite od zračenja.

Literatura

Angelo J.A. Jr., Quam W. and Madonna R.G. Radiation Protection Issues and Techniques Concerning Extended Manned Space Missions. International Atomic Energy Agency, International Conferenece on Radiation Protection in Nuclear Energy, Sydney 1988.

Badhwar G. Ionizing Radiation and Human Exploration of Space. NASA Johnson Space Center, 1991.

Bouville A. and Lowder W.M. Human Population Exposure to Cosmic Radiation. Radiation Protection Dosimetry, 1988;24(1):293-299.

Chappell, D.T. Radiation and the Human Mars Mission. 1994.

<http://krypton.dorm.duke.edu/Mars/radhuman.html> (URL provjeren 20. siječnja 1999.)

Franić Z. Zaštita od zračenja u svemirskim letovima. Priroda, 1993a;82(6-7):30-31

Franić Z. Zaštita od zračenja u zrakoplovstvu. Zbornik radova Prvog hrvatskog simpozija zrakoplovne medicine. Hrvatska akademija medicinskih znanosti, Zagreb 1993b;61-65.

Franić Z. Radiation Doses due to Human Expoosure to Cosmic Radiation in the Republic of Croatia. Arh hig rada toksikol, 1994;45:231-240.

Franić Z. Svemirske oluje. Crosat, 1998;41:20-1.

SIMP - Stanford International Mars Program, March 2, 1996.

<http://www.stanford.edu/group/Mars/Y> (URL provjeren 25. siječnja 1999.)