Naast de bekende gevaren van ruimtetemperaturen, vriestemperaturen, verpletterende druk, isolatie - astronauten lopen ook risico's van straling, die ziekte of schade aan organen kunnen veroorzaken.

Hoewel het niet wordt beschouwd als een onmiddellijke bedreiging voor de huidige missies, astronauten kunnen op een dag worden geconfronteerd met straling van zonnewinden en galactische kosmische straling. Hoeveel straling, welk soort, en wat de verwachte gezondheidseffecten van deze blootstelling voor astronauten zouden zijn, zijn open vragen bij ruimteagentschappen.

Jeffry kanselier, een onderzoeker bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Texas A&M University en een PhD-kandidaat in de opleiding toegepaste natuurkunde daar, heeft meer dan een decennium besteed aan het bestuderen van deze vragen als onderdeel van vier NASA-missies. Onlangs, samenwerken met arts en astronaut Serena Aunon-Chancellor (NASA/University of Texas Medical Branch) en Associate Director van NASA's Human Research Program for Exploration Research Planning John Charles (NASA), Chancellor onderzocht de gezondheidsimplicaties van blootstelling aan ruimtestraling in polaire banen op lage hoogte.

De onderzoekers gebruikten als testcase het Manned Orbiting Laboratory (MOL), waarover de missiedocumenten recentelijk zijn vrijgegeven.

De MOL werd in 1963 bedacht en onderging planning van 1965 tot 1969, maar nooit echt gevlogen.

"Het was zo'n uniek orbitaal profiel, ' zei de kanselier. 'Polar, lage hoogte... Ik kon niet inschatten wat de effecten zouden zijn. Dus, Ik besloot een stap terug te doen en geavanceerde computationele en numerieke methoden toe te passen op dit missieprofiel."

Ze ontdekten dat de relatief minimale afscherming van het ruimtevoertuig van het MOL-programma en zijn hoge hellingshoek in de polaire baan de bemanning vatbaar zou hebben gemaakt voor hoge blootstelling aan kosmische straling en zonnedeeltjes. Als de missie tot 1972 was voortgezet, astronauten zouden tijdens een enorme zonne-gebeurtenis te maken hebben gehad met giftige doses straling.

Resultaten zijn gepubliceerd in Lucht- en ruimtevaartgeneeskunde en menselijke prestaties in januari 2018.

Het onderzoek werd ondersteund door het Office of the Director of National Intelligence en maakte uitgebreid gebruik van supercomputers in het Texas Advanced Computing Center (TACC).

OGEN IN DE HEMEL

Het Manned Orbiting Laboratory is ontworpen als een experimenteel laboratorium voor bemande ruimtevluchten, maar werd omgevormd tot een geheim verkenningsplatform in 1965 tijdens het hoogtepunt van de Koude Oorlog. Het voertuig zou in een lage baan om de aarde hebben gereisd en herhaaldelijk de noordelijke en zuidelijke poolgebieden hebben gepasseerd om de Sovjet-Unie beter te kunnen bespioneren. Dit type baan wordt blootgesteld aan meer straling dan banen dichter bij de evenaar, omdat het minder wordt beschermd door het zwaartekrachtveld van de aarde.

In augustus 1972 - drie jaar nadat de MOL-missieplanning werd stopgezet vanwege de opkomst van goedkopere, onbemande satellieten - de aarde heeft een historisch grote gebeurtenis met zonnedeeltjes meegemaakt. Chancellor vroeg zich af hoe de typische straling van invloed zou zijn geweest op MOL-piloten die 30 dagen in het dun afgeschermde vaartuig ronddraaiden en hoe een enorme gebeurtenis zoals die in 1972 iemand zou hebben beïnvloed die tijdens de vlucht werd betrapt.

De onderzoekers richtten zich op straling van twee bronnen:zonnewinden en galactische kosmische straling. Er wordt aangenomen dat sommige ruimtestraling door de wanden van shuttles gaat, terwijl sommige de afscherming versperren en een cascade van losse metaalionen veroorzaken. Een deel gaat door het lichaam; de rest zet zijn energie af op de huid of zelfs in het lichaam, de organen aantasten.

Het bepalen van de stralingsniveaus die MOL-piloten zouden hebben ervaren achter de lichtgewicht afscherming van het voertuig, bracht veel datamining met zich mee, extrapolatie en simulatie. Chancellor en zijn medewerkers hebben het baanprofiel van de MOL gemodelleerd, het ruimteweer en de geomagnetische krachten uit die jaren, en het transport van deeltjes en zware ionen dat een dergelijk traject zou zijn tegengekomen.

Door deze factoren te combineren, ze bemonsteren, en ze duizenden keren simuleren op TACC's Lonestar5 supercomputer, Kanselier en zijn medewerkers vonden dat, onder normale omstandigheden, de MOL-bemanning zou 113,6 millisievert (mSv; een maat voor stralingsdosis) op hun huid hebben doorstaan ​​en 41,6 mSv op bloedvormende organen (bijvoorbeeld beenmerg of lymfeklieren) tijdens een vlucht van 30 dagen - ruim binnen de blootstellingslimieten voor NASA-astronauten.

Echter, tijdens het "worst-case scenario" van de zonnestorm van 1972, hun huid zou zijn blootgesteld aan 1, 770 mSv, terwijl hun organen 451 mSv zouden hebben ervaren, die beide de blootstellingslimieten van NASA overschrijden.

Op basis van dierstudies, Chancellor en zijn collega's verwachten dat een dergelijke blootstelling misselijkheid zou hebben veroorzaakt, braken, vermoeidheid, en mogelijk brandwonden op de huid van de bemanning. Zonder onmiddellijke instigatie van medische tegenmaatregelen, de risico's hadden zelfs nog ernstiger kunnen zijn.

"MOL-missies in een polaire baan zouden nog minder communicatiemogelijkheden hebben gehad met grondcontrollers dan NASA-missies die veel dichter bij de evenaar cirkelen - en die kwamen niet al te vaak voor - dus elke missie tijdens de vlucht op het moment van die zonne-gebeurtenis zou waarschijnlijk zijn beëindigd direct, " zei Karel, co-auteur van de studie. "Of dat snel genoeg zou zijn geweest om dergelijke nare gevolgen voor de piloten te voorkomen, is moeilijk te zeggen."

Hoewel de studie de historische MOL-missies verkende, de onderzoekers dachten aan toekomstige commerciële ruimtevluchten, zoals die voorgesteld door SpaceX of Virgin Galactic, die waarschijnlijk een vergelijkbare baan zal afleggen om de schoonheid van de aarde vanuit de ruimte het beste te laten zien.

"Ik denk dat het onderzoek een enorme impact zal hebben op commerciële ruimtevluchten, Kanselier zei. "Het geeft enig inzicht aan mensen die proberen om met ideeën te komen voor het draaien van hotels, of naar SpaceX of Virgin Galactic die toeristische vluchten willen doen, in termen van wat ze moeten aanpakken om de bemanning en klanten te beschermen."

Hun methoden voor het nauwkeurig voorspellen van blootstelling aan ruimtestraling en -effecten zijn ook relevant voor reizen naar de maan of andere planeten.

DE BEPERKINGEN VAN DE VOORSPELLING VAN RUIMTESTRALING OVERWINNEN

Pogingen om het stralingsrisico in de ruimte te simuleren zijn niet nieuw. In feite, historische gegevens laten zien dat ze vanaf het begin deel uitmaakten van ruimteonderzoek van NASA en het Ministerie van Defensie. Maar decennia van studie hebben weinig concrete antwoorden of praktische maatregelen opgeleverd om straling te verminderen, volgens de wetenschappers.

"Ondanks jaren van onderzoek, begrip van de ruimtestralingsomgeving, en het risico dat het vormt voor langdurige astronauten blijft beperkt, "Kanselier en zijn team schreven in een krant die verscheen in Natuur Microzwaartekracht in april 2018. "Gezien de beoogde toekomst van bemande ruimtevluchten, met inspanningen nu om de mogelijkheden voor menselijke missies naar de maan en Mars snel uit te breiden, er is een dringende behoefte om het begrip van het stralingsrisico in de ruimte te verbeteren, predict likely clinical outcomes of interplanetary radiation exposure, and develop appropriate and effective mitigation strategies for future missions."

Chancellor says that until recently scientists did not have the capabilities to do radiation simulations accurately.

"We were making assumptions and approaching the problem in the best possible way based on what we had available, " he said. "But this is an area where better algorithms and more powerful computers make a big difference in what's possible. I don't think we would've made this progress or understood what we're seeing without the ability to use high-performance multicore computers. It's a game-changer."

Each of the three test cases from the Manned Orbital Laboratory that the team ran on Lonestar5 required 150, 000 computational hours and generated 2.5 terabytes of data.

"Tracing 10^11 or 10^15 particles in terms of every interaction at every micron or smaller involves a humongous computational load. The fact that I could parallelize the problem and have 1, 000 processors running each computation and do that in three to four hours instead of three to four months is a huge benefit, " he said. "The more samples you take, the more accurate the results and the more confidence you have."

Not only that:the speed-up may one day enable improved decision-making for those working in mission control.

Chancellor used Lonestar5 for most of his computations, but when he re-ran some of his computations on Stampede2, TACC's latest supercomputer and one of fastest in the world, he was able to obtain a result in five minutes as opposed to five hours.

"It's smoking fast, " Chancellor said. "When I first started getting results off of Stampede, I called my friend who works in mission control for radiation at NASA and said, 'You guys have to get on this.'"

This rapid turnaround could enable NASA to run much more accurate models than they currently do to determine, in real-time, how a solar storm or other cosmic event might impact astronauts—a capability that may one day save lives.