|
Strahlenbelastung im All auf der Erde simuliert
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung
GmbH
astronews.com
13. März 2026
Kosmische Strahlung ist eine der größten Herausforderungen
für die Raumfahrt und stellt ein erhebliches Risiko für Menschen und Materialien
dar. Einem internationalen Forschungsteam in Zusammenarbeit mit der europäischen
Weltraumorganisation ESA ist es an den Beschleunigeranlagen von GSI/FAIR in
Darmstadt gelungen, erstmals auf europäischem Boden einen Simulator für
galaktische kosmische Strahlung bereitzustellen.
Der GCR-Simulator basiert auf einer hybriden,
aktiv-passiven Methode: Die Energie eines
Primärstrahls aus Eisen-Ionen wird aktiv
verändert bevor er auf auf passive Modulatoren
trifft – ein aus der Tumortherapie bekanntes und
bewährtes Verfahren.
Foto: GSI / FAIR [Großansicht] |
Außerhalb des schützenden Magnetfelds der Erde sind Astronautinnen und
Astronauten sowie Raumfahrzeuge der kosmischen Strahlung ausgesetzt. Neben
Sonnenpartikeln sind galaktische kosmische Strahlen (engl. galactic cosmic rays,
GCRs) der Hauptbestandteil. Dabei handelt es sich um hochenergetische Teilchen,
die von außerhalb unseres Sonnensystems stammen, beispielsweise aus Supernovae
oder anderen explosiven Events innerhalb der Milchstraße. GCRs bestehen
hauptsächlich aus Protonen und Heliumkernen, aber auch weiteren hochgeladenen
und hochenergetischen Teilchen (HZE), die stark zur Strahlungsbelastung für die
Besatzung beitragen.
Schätzungen zufolge wird jede Zelle im Körper einer Person im Weltraum alle
paar Tage von einem Proton, alle paar Wochen von Heliumkernen und alle paar
Monate von HZE-Partikeln durchquert. Dazu kommen Neutronen und Fragmente, die
beim Durchtritt der Teilchen durch die Abschirmungen der Raumfahrzeuge
entstehen. Insbesondere problematisch kann dies bei Langzeitmissionen zu Mond
oder Mars werden, wo deutlich höhere Belastungen zu erwarten sind als im
niedrigen Erdorbit. Die GCRs sind damit das bedeutendste langfristige
Gesundheitsrisiko für Raumfahrende und können zu Krebserkrankungen,
degenerativen Zelleffekten oder Störungen des Zentralnervensystems führen. Auch
für die elektronischen Systeme in den Raumfahrzeugen stellen sie eine Gefahr
dar.
Das Verständnis und die Minderung dieser Risiken sind für eine sichere und
nachhaltige Präsenz des Menschen im Weltraum unerlässlich. Eine Untersuchung der
GCRs kann nur direkt im Weltall oder mithilfe von hochenergetischen
Schwerionenbeschleunigern wie bei GSI/FAIR erfolgen. "Eine Möglichkeit, in
Europa die GCRs zuverlässig zu simulieren, fehlte bisher", erläutert Marco
Durante, Professor an der Technischen Universität Darmstadt und Leiter der
GSI/FAIR-Forschungsabteilung für Biophysik. "Deshalb hat unser Forschungsteam,
mit Unterstützung unserer ESA-Partner, einen Simulator für GCRs entwickelt und
bei GSI/FAIR im Rahmen des FAIR-Phase-0-Experimentprogramms in Betrieb genommen.
So können Forschende besser verstehen, welche Dosen auf technische Komponenten
und menschliches Gewebe einwirken und wie sich diese Effekte gezielt steuern
oder begrenzen lassen."
Dazu nutzten die Forschenden der Biophysik-Arbeitsgruppe "Space Radiation
Physics" unter Leitung von Dr. Christoph Schuy die weltweit einzigartigen
GSI-Beschleuniger, die hochenergetische Ionenstrahlen aller auf der Erde
natürlich vorkommenden chemischen Elemente liefern können. Der GCR-Simulator
basiert auf einer hybriden, aktiv-passiven Methode: Die Energie eines
Primärstrahls aus Eisen-Ionen wird aktiv verändert bevor er auf passive
Modulatoren trifft – ein aus der Tumortherapie bekanntes und bewährtes
Verfahren. Geometrie, Material, Zusammensetzung und Dicke der Modulatoren werden
optimiert, um die Strahlungsumgebung im Weltraum abzubilden.
"Unsere Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den aus
Weltraummissionen bekannten Werten. Mit dieser Technik lässt sich ein gemischtes
Strahlungsfeld erzeugen, dass die GCR-Belastung in einem leicht abgeschirmten
Habitat wie einem Raumfahrzeug nachbildet. In der Zukunft wollen wir den
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den GCR-Simulator für weitere Forschung
auf dem Gebiet der Weltraumstrahlung zur Verfügung stellen," sagt Schuy. "Getreu
unserem Motto, bringen wir damit das Universum ins Labor."
Mit dem GCR-Simulator bei GSI, mit Unterstützung der ESA, steht nun eine
zweite Möglichkeit zur Verfügung, um auf der Erde GCRs zu studieren – zusätzlich
zum Simulator am Brookhaven National Laboratory in den USA, unterstützt
von NASA. Beide liefern Strahlen mit einer Maximalenergie von einem
Gigaelektronenvolt pro Nukleon. Eine weitere Perspektive bietet das
Beschleunigerzentrum FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), das
aktuell in internationaler Zusammenarbeit bei GSI errichtet wird. Bei FAIR,
werden die Energien zehn Gigaelektronenvolt pro Nukleon erreichen und den
GCR-Simulator in Darmstadt damit zum genauesten der Welt machen.
GSI/FAIR und ESA arbeiten bereits langjährig eng zusammen, um mithilfe der
Ionenbeschleuniger die biologischen Effekte der kosmischen Strahlung zu
untersuchen und Lösungen zum Schutz der Astronautinnen und Astronauten zu
finden. So steht bereits ein Simulator für Sonnenstürme (engl. solar particle
events, SPEs) auf Basis von Modulatoren für die Tumortherapie zur Verfügung.
Auch richten beide Institutionen gemeinsam jährlich die Sommerschule "ESA-FAIR
Space Radiation School" aus, um Studierenden einen Einblick in die Grundlagen
der Biophysik mit Schwerionen sowohl für terrestrische wie auch für
Weltraumanwendungen zu geben. Zum nächsten Mal findet die Sommerschule im August
2026 statt, eine Anmeldung ist noch bis zum 12. April möglich.
Die Ergebnisse sind in zwei Publikationen im Fachmagazin Life Sciences in
Space Research veröffentlicht.
|
