Ein Forscherteam des University of Rochester Medical Center (URMC) in New York hat die Ergebnisse seiner Forschung bekannt gegeben. Langzeit-Astronauten im Weltraum, zum Beispiel während eines Fluges zum Mars, können durch galaktische Strahlung zu gesundheitlichen Problemen führen. Insbesondere zur Degeneration des Gehirns und möglicherweise sogar zum Ausbruch der Alzheimer-Krankheit
Zuvor, im Jahr 2012, wurden ähnliche Schlussfolgerungen von russischen Wissenschaftlern berichtet. Wie Natalia Teryaeva in der Zeitung Ploshchad Mira schreibt: "Wenn Sie mit einem modernen Raumschiff auf einer Marsexpedition fliegen, dauert der Flug mindestens 500 Tage. Während dieser Zeit der Weltraummission kann die Gesundheit der Astronauten unwiderruflich verloren gehen.
Dies belegen die Ergebnisse von Studien russischer Radiobiologen und Physiologen, die im Joint Institute for Nuclear Research (JINR) bei einer Besuchssitzung des Büros der Abteilung für Physiologie und grundlegende Medizin der Russischen Akademie der Wissenschaften diskutiert wurden.
Wissenschaftler sehen die größte Gefahr in der galaktischen Strahlung: Sie kann einem Menschen das Augenlicht und die Vernunft berauben, ohne die es nicht möglich ist, das Ziel zu erreichen oder nach Hause zurückzukehren.
Die Aussagen der Forscher über die Gefahr von Schwerionen für den Organismus der Astronauten sind nicht spekulativ, sie basieren auf den Daten von Beschleunigerversuchen mit Tieren, die im Labor für Strahlenbiologie des Gemeinsamen Instituts für Kernforschung (LRB JINR) durchgeführt wurden Kooperation mit dem Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences (IMPB RAS), dem Institute of Biochemistry RAS (IBCh RAS) und in Zusammenarbeit mit Biologen der American National Space Agency (NASA).
Schwere Ionen sind furchterregender als Protonen
Im Weltraum – jenseits des Erdmagnetfeldes – lauert gefährliche kosmische Strahlung aus den Tiefen der Galaxie auf den Menschen.
„Galaktische kosmische Strahlung sind Ströme von Elementarteilchen – leichten und schweren Ionen“, erklärt Mikhail Panasyuk, Direktor des Skobeltsyn Research Institute of Nuclear Physics (SINP MSU). ihrer Übertragung im Universum. Das häufigste Element der kosmischen Strahlung ist Wasserstoff, seine Ionen sind Protonen. Diese Teilchen werden auf Stoßwellen beschleunigt - Überreste von Supernova-Explosionen. Solche Sterne explodieren in unserer Galaxie nicht öfter als einmal in 30 -50 Jahre.
Der Fluss der galaktischen Teilchen der kosmischen Strahlung ist konstant, im Gegensatz zur solaren kosmischen Strahlung, die bei Sonneneruptionen auf der Sonne oder im interplanetaren Medium erzeugt wird. Aus diesem Grund ist der Gesamtbeitrag der solaren kosmischen Strahlung über einen langen Zeitraum unbedeutend. Aber während Sonneneruptionen (für mehrere Stunden, Tage) kann der Fluss der kosmischen Sonnenstrahlung den Fluss der galaktischen kosmischen Strahlung übersteigen. Außerdem ist die Energie von Teilchen der kosmischen Sonnenstrahlung in der Regel geringer als die von Teilchen der galaktischen kosmischen Strahlung. Es gibt auch extragalaktische kosmische Strahlung, die von anderen Galaxien in unsere Galaxie eindringt. Ihre Energie ist größer als die der galaktischen kosmischen Strahlung, aber die Flüsse sind viel geringer. Kosmische Strahlung hat einen riesigen Energiebereich: von 106 (1 MeV) bis 1021 eV (1 ZeV)".
Auf Weltraumforschungssatelliten installierte Energiemassenspektrometer zeichneten die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung auf. Es stellte sich heraus, dass etwas weniger als ein Prozent aller Teilchen der galaktischen Strahlung Schwerionen mit einer Energie von 300 - 500 MeV / Nukleon sind - die Kerne schwerer chemischer Elemente. Der Anteil der leichten und schweren Ionen der galaktischen Strahlung enthält die meisten Ionen von Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen - von diesen stabilen Elementen werden durch die Entwicklung von Sternen Sternkerne gebildet.
Die Messergebnisse von Weltraumsatelliten dienten als Grundlage für weitere Modellrechnungen, die zeigten, dass außerhalb der Erdmagnetosphäre pro Jahr etwa 105 Schwerionen pro Quadratzentimeter Fläche und etwa 160 Teilchen mit einer Ladung Z größer als 20 pro Jahr fallen Jeden Tag fallen genau so viele von ihnen pro Quadratzentimeter Körperoberfläche des Kosmonauten.
Weltraumschwere Ionen sind so energiereich, dass sie die Haut eines modernen Raumschiffs im Weltraum "durchbohren", wie Kanonenkugeln, die feine Seide bombardieren. Wissenschaftler des Labors für Strahlenbiologie am JINR haben herausgefunden, wie dies auf einer langen Reise der Gesundheit der Botenstoffe der Erde schaden kann.
Zum Mars - durch Berührung?
„Wir haben verstanden, warum gleiche Dosen unterschiedlicher Strahlung (Schwerionenfluss, Neutronen-, Gammastrahlung) unterschiedliche Auswirkungen auf lebende Zellen haben“, sagt der Direktor des JINR LRB Corresponding Member der Russischen Akademie der Wissenschaften Evgeny Krasavin sind sowohl mit den physikalischen Eigenschaften der Strahlung als auch mit den biologischen Eigenschaften der lebenden Zelle selbst verbunden – ihrer Fähigkeit, DNA-Schäden nach der Bestrahlung zu reparieren. In Experimenten an Schwerionenbeschleunigern fanden wir heraus, dass die schwersten DNA-Schäden unter dem Einfluss von schwere Ionen, Strahlen (ein Photonenstrahl) und ein Strahl schwerer Ionen kann man sich so vorstellen: einen kleinen Schuss aus einer Waffe in eine Wand zu schießen ist Schaden durch Röntgenstrahlen, eine Kanonenkugel auf dieselbe Wand zu schießen ist Zerstörung aus einem schweren Ion, verlieren deutlich mehr ihrer Energie pro Einheit mehr als ihre leichteren Cousins. Deshalb verursacht ein schweres Ion auf seinem Weg durch die Zelle große Zerstörung. Wenn ein schweres Partikel den Zellkern passiert, werden "clusterartige" Läsionen mit mehreren Brüchen chemischer Bindungen im DNA-Fragment gebildet. Sie verursachen verschiedene Arten von schweren Chromosomenschäden in Zellkernen."
Darüber hinaus war die Logik der Argumentation der Wissenschaftler wie folgt. Wasserstoffionen (Protonen) mit einer Energie von 200 - 300 MeV / Nukleon haben Zeit, eine 11 cm lange Strecke im Wasser zu laufen, bevor sie vollständig abgebremst werden Der menschliche Körper besteht zu 90% aus Wasser. Extrapoliert man dieses Ergebnis auf einen lebenden menschlichen Körper, kommt man zu dem Schluss: Selbst leichte Ionen auf ihrem Weg können Tausende von Zellen in unserem Körper schädigen. Bei Schwerionen mit einer Ladung von mehr als 20 ist mit einem noch bedauerlicheren Ergebnis für die Gesundheit zu rechnen.
Welche menschlichen Organe können durch galaktische Schwerionen am schwersten und lebensgefährlichsten geschädigt werden?
- Wenn Sie daran denken, sich aktiv zu vermehren - sich schnell zu erneuern - Körpergewebe wie Blut oder Haut, dann erholen sich ihre Schäden aufgrund natürlicher Eigenschaften schnell, - erklärt der Direktor des LRB JINR Yevgeny Krasavin. - Aber auf statischem Gewebe - dem Zentralnervensystem, den Augen, die nicht die natürliche Fähigkeit haben, Schäden schnell zu reparieren, wird der ständige Fluss schwerer Ionen eine schädliche Wirkung haben, die zu einem regelmäßigen Zelltod führt. Aber das zentrale Nervensystem und das Auge sind die Kontrollchips unseres Körpers.
In Tierversuchen in Dubna untersuchte eine Gruppe von Radiobiologen unter der Leitung des Akademiemitglieds der Russischen Akademie der Wissenschaften Mikhail Ostrovsky die Mechanismen der Wirkung schwerer Ionen auf die Strukturen des Auges - Linse, Netzhaut und Hornhaut. An den JINR-Beschleunigern wurden Mäuse und Lösungen von Kristallinen (Proteinen) ihrer Linse mit 100-200 MeV Protonenstrahlen bestrahlt.
„Die Linse des menschlichen Auges und der Wirbeltiere besteht zu 90 % aus Alpha-, Beta- und Gammakristallinen“, sagte Akademiemitglied Ostrovsky in seiner Rede bei einer Besuchssitzung des Büros der Abteilung für Physikalische Mathematik und Mechanik der Russischen Akademie of Sciences. Struktur und Molekulargewicht. Exposition gegenüber ultravioletter Strahlung oder Strahlung kann eine Aggregation von Kristallinen verursachen - das Auftreten von undurchsichtigen Fasern in der Linse. Infolge der Aggregation bilden sich große lichtstreuende Konglomerate, die zu einer Trübung der Linse führen, d. h. zur Entstehung von Katarakten. Beim Durchgang durch die Augenlinse können auch einzelne schwere Ionen nach einiger Zeit zu einer Eintrübung führen.
Rückkehr zur Erde als Homo sapiens
Am wenigsten haben Radiobiologen die schädigende Wirkung von Schwerionen auf das Zentralnervensystem untersucht. Laut NASA-Experten werden bei einer Mars-Mission 2 bis 13 Prozent der Nervenzellen von mindestens einem Eisen-Ion durchquert. Und alle drei Tage fliegt ein Proton durch den Kern jeder Körperzelle. Daher besteht die ernsthafte Gefahr irreversibler Verstöße gegen die Verhaltensreaktionen der Schiffsbesatzung. Dies gefährdet die Gesamtmission. Das Gehirn ist ein sehr empfindliches Instrument, und die Störung kleiner Teile davon kann zum Verlust der Funktionsfähigkeit des gesamten Organismus führen, wie es bei Menschen mit Schlaganfall oder Alzheimer-Kranken der Fall ist.
Am NASA Space Radiation Laboratory in Brookhaven wurde mit einem auf eine Energie von 1 GeV / Nukleon beschleunigten Eisenionenstrahl galaktische Strahlung auf dem Schwerionen-Vorbeschleuniger des RHIC-Beschleunigers des Brookhaven National Laboratory simuliert. Das Rattenexperiment wurde als "kognitiver Test" bezeichnet. Ein kleiner fester Bereich wurde in einem kreisförmigen Becken unter einer dünnen Schicht aus undurchsichtigem Wasser platziert. Laborratten - zuerst gesund und dann mit Eisenionenstrahlen bestrahlt - wurden in dieses Becken geschossen und überwachten, wie schnell die Tiere diesen Bereich finden und darauf klettern konnten. Gesunde Ratten fanden die Stelle schnell und gingen auf dem kürzesten Weg dorthin. Die Bestrahlung mit Schwerionen veränderte die kognitiven Funktionen (Lernfähigkeit) von Tieren dramatisch. Einen Monat nach der Bestrahlung änderte sich das Verhalten der Ratte dramatisch. Sie wich aus, umkreiste den Pool lange, bis sie es fast zufällig schaffte, den festen Boden unter ihren Füßen zu spüren. Die Denkfähigkeit des Tieres war stark beeinträchtigt. Bei Bestrahlung von Ratten mit Röntgen- und Gammastrahlung wurde kein solcher Effekt beobachtet.
Um die möglichen Folgen einer Bestrahlung des menschlichen Körpers mit Schwerionen darzustellen, sei es notwendig, das Modell der kosmischen Gefahr auf Primaten zu „spielen“, so die Forscher. Dennoch ist der Schaden durch die Auswirkungen der galaktischen Strahlung von Schwerionen, die bei Nagetieren entdeckt wurden, überzeugend genug, um nicht daran zu denken, wenn man plant, Menschen auf einen langen Flug zum Mars zu schicken.
So vermeiden Sie Ärger
Aus dem heutigen Wissen von Physikern und Biologen folgt, dass das Risiko von Strahlenschäden für Astronauten während einer mehr als einjährigen Reise zum Mars nicht auf null reduziert werden kann. Methoden zur Reduzierung dieses Risikos existieren bisher in Form von Ideen.
Erste Idee: einen Flug zum Mars während des maximalen Sonnenzyklus zu planen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Fluss der galaktischen kosmischen Strahlung geringer sein, da das interplanetare Magnetfeld des Sonnensystems die Flugbahnen der galaktischen kosmischen Strahlung biegen wird, um die Intensität ihrer Teilchen zu reduzieren und Teilchen mit Energien zu "fegen". weniger als 400 MeV / Nukleon aus dem Sonnensystem.
Die zweite Idee: die Strahlendosen der galaktischen Strahlung durch einen zuverlässigen Schutz des Schiffes deutlich zu reduzieren und eine spezielle Kabine in der Schiffsstruktur mit stärkerem Schutz vor starken Strömungen unvorhersehbaren Sonnenwindes bereitzustellen. Es werden bereits neue Arten von Schutzmaterialien entwickelt, die effektiver sind als das derzeit verwendete Aluminium, beispielsweise wasserstoffhaltige Kunststoffe wie Polyethylen. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, einen Schutz zu schaffen, der die Strahlendosis bei einer Dicke von 7 cm um 30 - 35 % reduzieren kann. Dies ist zwar nicht genug, glauben Wissenschaftler, die Dicke der Schutzschicht muss erhöht werden. Und wenn es nicht funktioniert, dann reduzieren Sie die Flugdauer deutlich – sagen wir mindestens auf 100 Tage. Hundert Tage ist eine bisher nur intuitiv begründete Zahl. Aber in jedem Fall müssen Sie schneller fliegen.
Die dritte Idee: Den Piloten der Mars-Raumsonde wirksame Medikamente gegen Strahlung zur Verfügung zu stellen, die die Bindungen zwischen DNA-Proteinen erheblich stärken und ihre Anfälligkeit für schwere Ionenbombardierungen verringern könnten.
Die vierte Idee besteht darin, ein künstliches Magnetfeld um das Raumfahrzeug herum zu erzeugen, ähnlich dem Magnetfeld der Erde. Es gibt ein Projekt eines supraleitenden Ringkernmagneten, innerhalb und außerhalb dessen das Feld gegen Null geht, um die Gesundheit von Astronauten nicht zu schädigen. Das starke Feld eines solchen Magneten soll einen Großteil der kosmischen Protonen und Kerne von der Raumsonde ablenken und die Strahlendosis während der Marsexpedition um das 3- bis 4-fache reduzieren. Der Prototyp eines solchen Magneten wurde bereits erstellt und soll in einem Experiment zur Untersuchung der kosmischen Strahlung an Bord der Internationalen Raumstation eingesetzt werden.
Doch bis die Ideen zum Schutz der Mars-Besatzung ihre Verkörperung gefunden haben, gibt es laut Radiobiologen nur einen Ausweg: detaillierte strahlenbiologische Studien unter terrestrischen Bedingungen an Schwerionenbeschleunigern durchzuführen, die unter terrestrischen Bedingungen die Simulation der schädlichen Wirkung von hochenergetische schwere Kerne aus den Tiefen der Galaxie. Zu diesen einzigartigen Beschleunigern zählen das Nuclotron des JINR High Energy Physics Laboratory und der auf seiner Basis entstehende NICA-Beschleunigerkomplex. Wissenschaftler setzen große Hoffnungen auf die Leistungsfähigkeit dieser Anlagen.
Und wenn wir es eilig haben, zum Mars zu fliegen, dann ist es entweder an der Zeit, schnellere Raumschiffe zu bauen oder die Träume von bemannten Flügen in den Weltraum vorerst zu verlassen. Lassen Sie die Roboter vorerst reisen.
