Velika težava vesoljskih potovanj

Nazaj

Poglej/poslušaj na

Uvod

Verjetno nisem edini, ki je že od majhnega sanjaril o potovanjih na druge svetove. Odkrivati nove planete, obiskovati daljne galaksije je bila vedno moja skrita želja. Mislim, da ne pretiravam, če napišem, da se večini ljudi ideja o naselbinah na Luni ter na Marsu, v ne tako oddaljeni prihodnosti, zdi nekaj samoumevnega, nekaj, kar se bo zagotovo zgodilo.

Ameriška korporacija SpaceX je na primer leta 2016 na Mednarodnem astronavtskem kongresu (International Astronautical Congress, IAC) v Mehiki najavila, da bo do leta 2022 poslala na Mars dve misiji brez posadke z namenom, da olajšata prihod prvih astronavtov na rdeči planet leta 2024. Na dolgi rok naj bi SpaceX celo vzpostavila kolonijo na Marsu [1,2]. Nizozemsko podjetje Mars One je leta 2012 naznanilo podobne cilje, njihova posadka naj bi na Mars prispela v letih 2024 in 2025 [3], in to kljub temu da niso imeli nobenih izkušenj z vesoljskimi potovanji. Leta 2013 so priredili celo natečaj za izbor astronavtov, ki bi bili prvi zemljani na rdečem planetu, potem pa je podjetje leta 2019 bankrotiralo [4]. Ameriška vesoljka agencija NASA je naznanila, da bo najprej leta 2024 poslala ljudi na Luno [5], pri čemer bi ji nove izkušnje ter tehnologije omogočile poznejše osvajanje Marsa. Kot največje izzive, ki jih bodo morali premagati, navajajo pristajalne module za mnogokratno uporabo, iskanje virov, kot so rude in voda, ki jih bodo bodoči naseljenci lahko uporabljali, ter na splošno preskrbo s hrano in vodo.

Treba je povedati, da bi potovanje na Mars, ki je Zemlji najbližji planet, na katerem lahko pristanemo, trajalo precej dolgo. Mars One je navajal obdobje sedmih mesecev, pri čemer so to primerjali z dolžino bivanja astronavtov na mednarodni vesoljski postaji. NASA je navedla podobno dobo devetih mesecev [6]. Če prištejemo še enako dolgo pot nazaj ter bivanje na Marsu, to pomeni, da bi celotna misija zlahka trajala dve leti.

Zdi se, da vesoljskih potovanj v bližnji prihodnosti ne more nič ustaviti. Toda preden spakiramo kovčke ter se pripravimo na najbolj noro pustolovščino, se moramo pomuditi pri neprijetnem dejstvu, za katerega se zdi, da se mu vse organizacije izogibajo. Resnica je namreč taka, da še zdaleč ni jasno, ali bodo daljša potovanja v medplanetarnem in medzvezdnem prostoru ter stalne naselbine na Luni in na rdečem planetu sploh možni. Prav verjetno je namreč, da bo človeštvo v vsem svojem obstoju koloniziralo le en planet – Zemljo.

Razlog za tak pesimizem leži v tem, da je vesolje prežeto z delci visokih energij, ki jim pravimo kozmični delci. Prav to sevanje je razlog, da dolžine potovanj po medplanetarnem prostoru ne moremo primerjati z dolžino bivanja na mednarodni vesoljski postaji. Kot bomo videli, kozmični delci lahko poškodujejo naša tkiva ter povzročijo resna obolenja astronavtov, kot je na primer rak. Zemlja nas pred večino teh delcev obvaruje s svojim magnetnim poljem ter dokaj gosto atmosfero. Tako površje našega planeta doseže le relativno malo kozmičnih delcev. Magnetni zemeljski ščit se razteza od površja našega planeta v medplanetarni prostor in z interakcijo s sončevim vetrom tvori nekakšno votlino okrog Zemlje, ki ji pravimo magnetosfera. Tudi če smo znotraj te votline, postaja ta ščit tem bolj šibek, čim dlje od Zemljinega površja se nahajamo. Če vzamemo za primer mednarodno vesoljsko postajo, lahko vidimo, da se njena orbita nahaja na višini 400 km. To je še vedno dovolj blizu Zemlje, da njeno magnetno polje astronavte na postaji dokaj dobro zaščiti pred kozmičnim sevanjem. Astronavti, ki bi se odpravili na pot na Mars, te zaščite ne bi imeli. Pa ne le na poti na Mars. Rdeči planet za razliko od Zemlje nima lastnega magnetnega polja, pa tudi njegova atmosfera je zelo redka. To pomeni, da bi bili astronavti na površju Marsa izpostavljeni kozmičnemu sevanju približno enako kot v medplanetarnem prostoru.

To pa nam lahko prekriža načrte za dolgoročno bivanje na Marsu.
Drugi vir tveganja so delci, ki so pospešeni do visokih energij v bližini Sonca tekom bliščev ali v medplanetarnem prostoru v koronalnih izbruhih mase. Njihove maksimalne energije so do nekaj 10 milijonov eV, kar je sicer manj od kozmičnih delcev, a je njihova pojavnost dokaj naključna, njihova intenzivnost pa dosti večja od kozmičnih delcev. Ti delci povzročajo preglavice našim umetnim satelitom tekom geomagnetnih neviht. Stroka pojavnost teh delcev imenuje Solar Particle Events (SPE) [17].

Malo o kozmičnih delcih

Poglejmo najprej na kratko, o čem sploh teče beseda. Kozmični delci so protoni, jedra težjih elementov ter elektroni, ki po vesolju potujejo s hitrostmi, ki so blizu svetlobne hitrosti. To pomeni, da imajo ogromne energije (poglej tudi sliko 1). Najbolj energetski so tako imenovani galaktični in izvengalaktični kozmični delci, ki najverjetneje nastajajo ob eksplozijah supernov ali v aktivnih galaktičnih jedrih. 85 % teh kozmičnih delcev predstavljajo protoni, 15 % pa helijeva jedra. Njihove energije znašajo med 10¹⁰ in 10¹⁵ eV. To so delci, ki zaradi svojih ogromnih energijo lahko prodrejo do Zemljine površine. Zanimivo je, da tok galaktičnih kozmičnih delcev, ki dosežejo Zemljo, niha s sončevim ciklom. Tekom maksimuma sončeve aktivnosti se na Soncu namreč zgodi veliko izbruhov, ki potem potujejo po medplanetarnem prostoru kot koronalni izbruhi mase. Ti nosijo s sabo svoje lastno magnetno polje, ki deluje kot ščit ter odbije del galaktičnih kozmičnih delcev nazaj v medzvezdni prostor. Ta antikorelacija med sončevo aktivnostjo ter tokom galaktičnih kozmičnih delcev je prikazana na sliki 2.

Potem so tu anomalni kozmični delci z energijami med 10⁷ in 10⁸ eV. Znanstveniki menijo, da so vir teh delcev nevtralni ioni v medzvezdnem prostoru, ki zaidejo v Osončje. Ko se Soncu dovolj približajo, jih rentgenski delci in ekstremna ultravijolična svetloba s Sonca ionizirajo. Nato jih sončev veter odnese do samega roba heliosfere, kjer so ti delci pospešeni do visokih energij. Nekateri lahko nato prodrejo v samo osrčje Osončja.
Sonce je vir t. i. sončnih kozmičnih delcev. Ti imajo energije med 10⁷ in 10¹⁰ eV in najverjetneje nastajajo v najbolj zunanji plasti sončeve atmosfere, ki ji pravimo korona. Poudarimo, da to niso delci, ki sestavljajo prej omenjene SPE-je.

Vpliv kozmičnih delcev ter SPE-jev na zdravje

Tako pridemo do samega bistva problema ‒ vpliv teh delcev na zdravje ljudi. Kozmični delci imajo na naše zdravje podoben vpliv, kot ga ima radioaktivno sevanje. Le-to lahko povzroči akutne sindrome, ki se pojavijo takoj ali kmalu po tem, ko smo izpostavljeni sevanju. Med njimi so bruhanje, utrujenost, slabost ter bolezni centralnega živčevja. Kronični vpliv na zdravje se lahko pokaže šele čez leta oziroma desetletja po izpostavljenosti sevanju. Posledice so lahko rak, siva mrena, poslabšanje vida ter degenerativna srčna obolenja [10, 18].

Da bi razumeli, kako zelo nevarno je vesolje, moramo najprej vedeti, kako se sploh meri tveganje ob izpostavljenosti sevanju. Enota, s katero merimo vpliv, ki ga sevanje ima na človeško telo, se imenuje sievert (Sv), po švedskem znanstveniku Rolfu Maximilianu Sievertu, ki je proučeval vpliv ioniziranega sevanja na zdravje. En Sv je definiran kot doza sevanja, za katero obstaja 5,5 % možnosti, da izpostavljena oseba zboli za rakom [11].

V naravi radioaktivno sevanje obstaja povsod, le da so doze majhne. Banane na primer so na slabem glasu, ker naj bi bile radioaktivne. Če pojeste eno povprečno banano, boste izpostavljeni dozi 98 nanoSV oziroma 98 milijardink SV. Varnostni pregled na mednarodnih letališčih vam lahko prinese 250 nanoSV, medtem ko vam zobna radiografija ′′podari′′ med 5 in 10 mikroSv (1 mikroSv je milijoninka Sv). Posadke na potniških letalih imajo predpisano mejo 1,5‒1,7 miliSv na leto, šestmesečno bivanje na mednarodni vesoljski postaji pa pomeni dozo 80‒150 miliSV [11, 14]. Ljudje, ki so bili izpostavljeni eksploziji atomske bombe v Hirošimi ter so od samega centra eksplozije bili oddaljeni 1,2 km, so prejeli dozo 5 Sv [11]. V povprečju smo ljudje izpostavljeni dozi 2,4 miliSv na leto [14].

Znanstveniki [12] (glej tudi sliko 3) so v preteklosti na plovilo Curiosity namestili napravo, imenovano Radiation Assessment Detector (RAD), s katero so merili dozo sevanja, ki bi jo prejeli ljudje na poti na Mars. Ugotovili so, če bi potovanje na Mars in nazaj trajalo le eno leto, da bi astronavti prejeli dozo ekvivalentno 662 miliSv. Po pravilih NASE astronavti ne smejo prejeti doze večje od 1000 miliSv v celi karieri. Zeitlin et al. [16] so prišli do podobnih zaključkov glede doze sevanja tekom potovanja na Mars, ki bi bila 0.66 ± 0.12 sieverta. Dr. Jäkel v svojem članku [13] opozarja na dejstvo, da je vpliv dolgoročne izpostavljenosti sevanju na človeško telo še dokaj neznan in da lahko na zdravje astronavtov vplivajo tudi energetski delci, ki se sprostijo med izbruhi koronalne mase. Ti izbruhi so nepredvidljivi, zato se je pred temi delci težko ustrezno zaščititi. Njegove ocene za doze sevanja, ki bi jih prejeli astronavti, so 0,28 Sv tekom enoletnega potovanja na Mars plus 0,18 Sv tekom 1,5-letnega bivanja na Marsu med sončevim maksimumom, medtem ko so ocene za sončev minimum celo večje – 0,73 ter 0,41 Sv. Avtor sklene članek s tem, da bi 3-letna misija na Mars pomenila 4-odstotno tveganje za obolelostjo s smrtonosnim rakom in celo 10-odstotno tveganje za pojav raka do konca življenja. K temu je treba prišteti še 20-odstotno verjetnost, da zbolimo in umremo za rakom, tudi če Zemlje nikoli ne zapustimo [15].

Pri vsem tem pa naj spomnim, da govorimo le o potovanju na Zemlji najbližji planet. Več let ali celo desetletij trajajoča potovanja, kot na primer tista v Zvezdnih stezah, bi pomenila še mnogo večje tveganje za astronavte.

Upanje

Več raziskovalnih agencij dela na tem, da bi zaščitile potnike na daljših vesoljskih potovanjih. Predlagane zaščite so dveh tipov – pasivna ter aktivna zaščita. Pasivna pomeni, da bi za konstrukcijo vesoljskih plovil uporabili take materiale, ki bi čim bolj absorbirali energijo kozmičnih delcev. Trenutno astronavte od zunanjega okolja loči plast aluminija, iz katerega so narejena vesoljska plovila. Aluminij lahko izpostavljenost sevanju še poslabša. Ko delci z zelo visokimi energijami »udarijo« ob aluminijasto steno, se lahko posledično spremenijo v množico delcev, ki imajo manjše energije, ki pa so še vedno dovolj visoke, da poškodujejo naša tkiva. Ker se ti sekundarni delci razpršijo po dosti večji površini, lahko astronavti dejansko prejmejo višje doze sevanja, kot bi od izvornega kozmičnega delca. NASA preučuje materiale, kot so plastike z visoko vsebnostjo vodika [20, 22]. Med drugimi materiali, ki bi lahko bili koristni, sta voda in tekoči vodik. Slednji je na primer sestavina goriv, ki jih vesoljska plovila uporabljajo. A oba materiala imata to slabost, da bi ju sčasoma zmanjkalo [21]. Nekatere bolj radikalne ideje predlagajo, da bi manjše asteroide vtirili v ustrezne orbite, tako da bi se lahko vesoljska plovila »skrila« v kraterjih ali celo v izvrtanih predorih na njihovih površinah. Vesoljska plovila bi tako proti Marsu ponesli kar ti asteroidi, ki bi jih tako varovali pred kozmičnimi delci [23].

Po drugi strani pa je aktivna zaščita pristop, po katerem bi okoli vesoljskih plovil ustvarili magnetno polje, ki bi odbijalo kozmične delce [24,25]. To magnetno polje bi moralo biti dovolj močno, za kar pa bi bil potreben ustrezen vir energije. Pri vsem tem je treba poudariti, da pasivna zaščita še zdaleč ne ponuja ustrezne rešitve, saj ne odstrani dovolj sevanja. Tehnologije za aktivno zaščito pa trenutno še nimamo. Pustolovci, ki se bodo podali na vesoljska potovanja v bližnji prihodnosti, bodo morali tveganje, ki ga bodo ta potovanja prinašala, pač sprejeti. Najverjetneje bodo ta potovanja najprej omejena na kratka bivanja v Zemljinih orbitah, sploh za t. i. vesoljske turiste. Pogumni raziskovalci še neraziskanih kotičkov vesolja pa bodo morali počakati na prihod novih tehnologij.

Literatura

1. Space.com. Pridobljeno s https://www.space.com/spacex-plans- journey-to-mars.html
2. Wikipedia. Pridobljeno s https://en.wikipedia.org/wiki/SpaceX
3. Wikipedia. Pridobljeno s https://en.wikipedia.org/wiki/Mars_One
4. Mars One. Pridobljeno s https://www.mars- one.com/news/press-releases/mars-one- ventures-ag-in-administration
5. NASA. Pridobljeno s https://www.nasa.gov/topics/moon-to- mars/overview
6. NASA. Pridobljeno s https://image.gsfc.nasa.gov/poetry/venus/q2 811.html
7. NASA. Pridobljeno s https://www.nasa.gov/mission_pages/station /main/index.html
8. SIS: The Solar Isotope Spectrometer. Pridobljeno s http://www.srl.caltech.edu/ACE/CRIS_SIS/sis. html
9. Electroverse. Pridobljeno s https://electroverse.net/cosmic-rays-reach- record-highs-as-solar-activity-nears-space- age-low/
10. NASA, Space Radiation (HRP Elements). Pridobljeno s https://www.nasa.gov/hrp/elements/radiatio n/risks
11. Wikipedia. Pridobljeno s https://en.wikipedia.org/wiki/Sievert
12. Kerr, R. A., Radiation Will Make Astronauts’ Trip to Mars Even Riskier, (2013), Science, Vol. 340, Issue 6136, pp. 1031 DOI: 10.1126/science.340.6136.1031 https://science.sciencemag.org/content/340/ 6136/1031
13. Jäkel, O., (2004), Radiation hazard during a manned mission to Mars, Zeitschrift für Medizinische Physik, Volume 14, Issue 4, Pages 267-272, ISSN 0939-3889, http://www.sciencedirect.com/science/articl e/pii/S0939388915700097
14. Wikipedia. Pridobljeno s https://en.wikipedia.org/wiki/Health_threat_ from_cosmic_rays
15. Can People Go to Mars?, NASA. Pridobljeno s https://web.archive.org/web/200402190119 18/http://science.nasa.gov/headlines/y2004/ 17feb_radiation.htm
16. Zeitlin et al., 2013, Measurements of Energetic Particle Radiation in Transit to Mars on the Mars Science Laboratory, American Association for the Advancement of Science, Vol. 340, Issue 6136, pp. 1080-1084, DOI: https://doi.org/10.1126/science.1235989
17. Narici et al., Chapter 17 – Solar Particle Events and Human Deep Space Exploration: Measurements and Considerations, Editor(s): Natalia Buzulukova, Extreme Events in Geospace, Elsevier, 2018, Pages 433-451, ISBN 9780128127001, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812700- 1.00017-0.
18. Evidence Report: Risk of Acute Radiation Syndromes due to Solar Particle Events, NASA
19. Space Settlements: A design Study, NASA, 1977. Pridobljeno s https://ntrs.nasa.gov/citations/19770014162
20. Plastic Spaceships, NASA. Pridobljeno s https://web.archive.org/web/201003232018 42/http://science.nasa.gov/headlines/y2005/ 25aug_plasticspaceships.htm
21. Cosmic rays may prevent long-haul space travel, New Scientist, 2005
22. The radiation challenge, NASA. Pridobljeno s https://www.nasa.gov/pdf/284275main_Radi ation_HS_Mod3.pdf
23. Matloff, G. L., Wilga, M., 2011, NEOs as stepping stones to Mars and main-belt asteroids, Acta Astronautica, Volume 68, Issues 5–6, Pages 599-602, ISSN 0094-5765, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2010.02.0 26.
24. Magnet Architectures and Active Radiation Shielding Study (MAARSS), NASA, https://www.nasa.gov/sites/default/files/ato ms/files/niac_2012_phaseii_westover_radiati onprotectionandarchitecture_tagged.pdf
25. Barthel, J., Sarigul-Klijn, N. (2019), A review of radiation shielding needs and concepts for space voyages beyond Earth’s magnetic influence, Progress in Aerospace Sciences, Volume 110, 100553, ISSN 0376-0421, https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2019.1005 53.