In het komende decennium zijn NASA en China van plan om de eerste bemande missies naar Mars te sturen. Dit houdt in dat beide agentschappen ruimtevaartuigen sturen in 2033, 2035, 2037 en daarna om de 26 maanden om samen te vallen met de oppositie van Mars (d.w.z. wanneer de aarde en Mars het dichtst in hun baan zijn). Het doel op lange termijn van deze programma's is om een ​​basis op Mars te vestigen die zal dienen als een hub voor toekomstige missies, hoewel de Chinezen hebben verklaard dat ze van plan zijn om hun basis permanent te maken.

Het vooruitzicht om astronauten op de reis van zes tot negen maanden naar Mars te sturen, brengt verschillende uitdagingen met zich mee, om nog maar te zwijgen van de gevaren die ze zullen tegenkomen tijdens het uitvoeren van wetenschappelijke operaties aan de oppervlakte. In een recente studie voerde een internationaal team van wetenschappers een onderzoek uit naar de omgeving van Mars - van de toppen van de berg Olympus tot de ondergrondse uitsparingen - om te ontdekken waar de straling het laagst is. Hun bevindingen zouden toekomstige missies naar Mars en het creëren van Mars-habitats kunnen informeren.

Het team werd geleid door Jian Zhang, een assistent-professor van de School of Earth and Space Sciences (ESS) aan de University of Science and Technology of China. Hij werd vergezeld door collega's van de ESS en het CAS Center for Excellence in Comparative Planetology in China, het Institute of Experimental and Applied Physics (IEAP) in Kiel, Duitsland, en het Institute of Biomedical Problems van de Russian Academy of Science (RAS) en de Skobeltsyn Instituut voor Kernfysica (SINP) in Moskou. Het artikel dat hun bevindingen beschrijft, verscheen onlangs in het Journal of Geophysical Research:Planets .

Als het gaat om missies naar Mars en andere locaties buiten een lage baan om de aarde (LEO), is straling altijd een voortdurende zorg. In vergelijking met de aarde heeft Mars een ijle atmosfeer (minder dan 1% van de luchtdruk) en is er geen beschermende magnetosfeer om het oppervlak te beschermen tegen zonne- en kosmische straling. Als gevolg hiervan theoretiseren wetenschappers dat schadelijke deeltjes, met name galactische kosmische straling (GCR's), zich kunnen voortplanten en rechtstreeks kunnen interageren met de atmosfeer en zelfs de ondergrond van Mars kunnen bereiken.

Het niveau van blootstelling aan straling hangt echter af van hoe dik de atmosfeer is, die verandert als gevolg van de hoogte. In laaggelegen gebieden, zoals het beroemde canyonsysteem van Mars (Valles Marineris) en de grootste krater (Hellas Planitia), wordt de atmosferische druk geschat op respectievelijk 1,2 en 1,24 kPa. Dit is ongeveer twee keer het gemiddelde van 0,636 kPa en tot 10 keer de atmosferische druk op hooggelegen locaties zoals Olympus Mons (de grootste berg in het zonnestelsel).

Dr. Jingnan Guo, een gewaardeerde professor bij de IEAP aan de Christian-Albrechts-University en een lid van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS), was Prof. Jian Zhang's Ph.D. begeleider en een co-auteur op het papier. Zoals ze via e-mail aan Universe Today uitlegde:

"Verschillende hoogte betekent verschillende atmosferische diktes. Hooggelegen plaatsen hebben over het algemeen een dunnere atmosfeer bovenop. Hoogenergetische deeltjesstraling moet door de atmosfeer gaan om het oppervlak van Mars te bereiken. Als de atmosferische dikte verandert, kan de oppervlaktestraling ook veranderen. Zo zou de hoogte de oppervlaktestraling van Mars kunnen beïnvloeden."

Daartoe heeft het team rekening gehouden met de invloed van atmosferische diepten op de stralingsniveaus van Mars. Dit omvatte de geabsorbeerde dosis gemeten in rad; het dosisequivalent, gemeten in rems en sieverts (Sv); en de door GCR's geïnduceerde effectieve dosistempo's van het lichaam. Dit bestond uit het modelleren van de stralingsomgeving met behulp van een state-of-the-art simulator op basis van de door CERN ontwikkelde software GEometry And Tracking (GEANT4).

Deze software, bekend als Atmospheric Radiation Interaction Simulator (AtRIS), maakt gebruik van Monte Carlo-waarschijnlijkheidsalgoritmen om de interactie van deeltjes met de atmosfeer en het terrein van Mars te simuleren. Zoals Dr. Guo illustreerde:

"We gebruiken een Monte Carlo-benadering genaamd 'GEANT4' om het transport en de interactie van energetische deeltjes met de Mars-atmosfeer en regoliet te modelleren. De Mars-omgeving is opgezet rekening houdend met de atmosferische samenstelling en structuur van Mars en de regoliet-eigenschappen.

"De inputdeeltjesspectra bovenop de atmosfeer van Mars worden ook verkregen uit data-gekalibreerde modellen die de alomtegenwoordige deeltjesstralingsomgeving in de interplanetaire ruimte beschrijven die geladen deeltjes van verschillende soorten omvat die voornamelijk protonen (~ 87%), heliumionen zijn (12%) en ook kleine sporen van zwaardere ionen zoals koolstof, zuurstof en ijzer."

Ze ontdekten dat hogere oppervlaktedrukken de hoeveelheid zware-ionenstraling (GCR's) effectief kunnen verminderen, maar dat extra afscherming nog steeds nodig is. Helaas kan de aanwezigheid van deze afscherming leiden tot "kosmische stralingsbuien", waarbij de impact van GCR's tegen afscherming secundaire deeltjes creëert die het interieur van een habitat kunnen overspoelen met verschillende niveaus van neutronenstraling (ook bekend als neutronenflux). Deze kunnen aanzienlijk bijdragen aan de effectieve dosis straling die astronauten zullen absorberen.

Ze stelden vast dat zowel de neutronenflux als de effectieve dosis pieken op ongeveer 30 cm (1 voet) onder het oppervlak. Gelukkig bieden deze bevindingen oplossingen voor het gebruik van Martiaanse regoliet voor afscherming. Zei Dr. Guo:

"Voor een bepaalde drempel van de jaarlijkse biologisch gewogen effectieve stralingsdosis, bijv. 100 mSv (een hoeveelheid die vaak wordt beschouwd als de drempel waaronder het door straling veroorzaakte kankerrisico verwaarloosbaar is), varieert de vereiste regolith-diepte tussen ongeveer 1 m en 1,6 m Binnen dit bereik, bij een diepe krater waar de oppervlaktedruk hoger is, is de benodigde extra regolith-afscherming iets kleiner. Op de top van de berg Olympus is de benodigde extra regolith-afscherming hoger."

Op basis van hun bevindingen zouden de beste locaties voor toekomstige habitats op Mars zich bevinden in laaggelegen gebieden en op een diepte van 1 m en 1,6 m (3,28 tot 5,25 ft) onder het oppervlak. Daarom zouden de noordelijke laaglanden, die het grootste deel van het noordelijk halfrond vormen (ook bekend als Vastitas Borealis), en Valles Marineris zeer geschikte locaties zijn. Naast een dikkere atmosferische druk, hebben deze regio's ook overvloedig waterijs net onder het oppervlak.

Als alles volgens plan verloopt, zullen astronauten over iets meer dan tien jaar voet op het oppervlak van Mars zetten. Dit zal bestaan ​​uit transits van zes tot negen maanden (behoudens de ontwikkeling van meer geavanceerde voortstuwingstechnologie) en oppervlakteoperaties van maximaal 18 maanden. Kortom, astronauten zullen tot drie jaar te maken krijgen met de dreiging van verhoogde straling. Daarom moeten er ruim van tevoren gedetailleerde mitigatiestrategieën worden ontwikkeld.

NASA en andere ruimtevaartorganisaties hebben veel tijd, energie en middelen geïnvesteerd om habitatontwerpen te ontwikkelen die gebruikmaken van 3D-printen, In-Situ Resource Utilization (ISRU) en zelfs elektromagnetische afscherming om de gezondheid en veiligheid van astronauten te waarborgen. Er zijn echter nog steeds onbeantwoorde vragen over hoe effectief deze strategieën in de praktijk zullen zijn, vooral als je bedenkt hoeveel tijd bemanningen op het oppervlak van Mars zullen doorbrengen.

"Onze studie kan dienen voor het verminderen van stralingsrisico's bij het ontwerpen van toekomstige Mars-habitats met behulp van natuurlijk oppervlaktemateriaal als afschermingsbescherming", zei Dr. Guo. "Onderzoek als dit zal daarom van grote waarde zijn wanneer missieplanners ontwerpen gaan overwegen voor toekomstige Mars-habitats die afhankelijk zijn van natuurlijk oppervlaktemateriaal om stralingsbescherming te bieden."