Κρύσταλλοι γύρω από τη Σελήνη: τι έδειξαν οι «ψεύτικοι αστροναύτες» του Artemis I για την κοσμική ακτινοβολία

Σχεδόν τέσσερα χρόνια μετά το ταξίδι του Artemis I γύρω από τη Σελήνη, δύο ανθρωπόμορφα ομοιώματα που πέταξαν μέσα στο Orion συνεχίζουν να δίνουν απαντήσεις. Ερευνητές του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής της Πολωνικής Ακαδημίας Επιστημών (IFJ PAN) δημοσίευσαν στο περιοδικό Radiation Measurements τα αποτελέσματα από πειραματικούς κρυστάλλους φθοριούχου λιθίου που ήταν τοποθετημένοι στο εσωτερικό τους. Το βασικό εύρημα: σε σεληνιακή τροχιά η δόση ακτινοβολίας είναι υψηλότερη από ό,τι σε χαμηλή γήινη τροχιά, όμως η διαφορά είναι μικρότερη απ' όσο θα περίμενε κανείς διαισθητικά.

Το δεύτερο εύρημα είναι ίσως πιο ενδιαφέρον για όσους σχεδιάζουν τις επόμενες αποστολές. Η δόση κατανεμήθηκε σχεδόν ομοιόμορφα μέσα στα «σώματα» των ομοιωμάτων, σε αντίθεση με την άνιση εικόνα που είχαν καταγράψει παλαιότερα παρόμοια πειράματα στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Τα αποτελέσματα χαρακτηρίζονται από τους ίδιους τους συγγραφείς προκαταρκτικά.

Με μια ματιά

• Κρύσταλλοι στα ομοιώματα του Artemis I έδειξαν ότι η δόση κοντά στη Σελήνη ξεπερνά τη δόση σε χαμηλή γήινη τροχιά, αλλά όχι δραματικά.
• Μέσα στα ομοιώματα η δόση ήταν σχεδόν ομοιόμορφη, επειδή κοντά στη Σελήνη κυριαρχεί η διεισδυτική γαλαξιακή κοσμική ακτινοβολία.
• Οι μικροσκοπικοί ανιχνευτές διαφέρουν έως 15% από τις καθιερωμένες μεθόδους και θα μπορούσαν να γίνουν ατομικά δοσίμετρα αστροναυτών.

Η Helga, η Zohar και δέκα χιλιάδες ανιχνευτές

Το πείραμα MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment), με συντονιστή το Γερμανικό Κέντρο Αεροδιαστημικής (DLR), πέταξε με την αποστολή χωρίς πλήρωμα Artemis I, από τα τέλη Νοεμβρίου έως τις αρχές Δεκεμβρίου 2022. Στις θέσεις του Orion κάθισαν δύο γυναικεία ομοιώματα, η Helga και η Zohar, 39 κιλών το καθένα, κατασκευασμένα ώστε να μιμούνται τους ιστούς του ανθρώπινου σώματος. Μέσα τους είχαν τοποθετηθεί περισσότεροι από 10.000 παθητικοί ανιχνευτές ανά τρία περίπου εκατοστά, καθώς και 34 ενεργοί ανιχνευτές πυριτίου σε θέσεις κρίσιμων οργάνων. Η Zohar φορούσε επιπλέον ένα προστατευτικό γιλέκο, ώστε να συγκριθεί με την απροστάτευτη Helga.

Το IFJ PAN συνεισέφερε σχεδόν 600 θερμοφωταυγείς ανιχνευτές, αλλά και μερικές δεκάδες πειραματικούς κρυστάλλους φθοριούχου λιθίου (LiF) που λειτουργούν ως ανιχνευτές πυρηνικών ιχνών. Η λογική τους θυμίζει φωτογραφικό φιλμ: κάθε σωματίδιο που τους διασχίζει αφήνει πίσω του ένα ίχνος από «κέντρα χρώματος», ατέλειες του κρυσταλλικού πλέγματος που λάμπουν κόκκινες όταν φωτιστούν με μπλε φως. Το ίχνος διαβάζεται έπειτα με μικροσκόπιο φθορισμού, χωρίς τη χημική επεξεργασία που απαιτούν οι πλαστικοί ανιχνευτές ιχνών. Οι κρύσταλλοι έχουν μέγεθος λίγων χιλιοστών και, όταν εμπλουτιστούν με λίθιο-6, γίνονται ευαίσθητοι και στα νετρόνια.

Η ανάγνωση δεν ήταν απλή. Το εστιακό επίπεδο του μικροσκοπίου έχει βάθος περίπου ενός μικρομέτρου, άρα η λάμψη εκτός εστίας αλλοιώνει τις μετρήσεις, ενώ η μορφή του ίχνους αλλάζει ανάλογα με το είδος του σωματιδίου και τη γωνία πρόσπτωσης. Μετά από διορθώσεις και ειδικό λογισμικό αφαίρεσης υποβάθρου, τα αποτελέσματα απείχαν έως 15% από εκείνα των συμβατικών ανιχνευτών στο κοινό ενεργειακό εύρος. Οι κρύσταλλοι κατέγραψαν επίσης ίχνη από εναποθέσεις ενέργειας κάτω από το κατώφλι ανίχνευσης παλαιότερων συσκευών.

Γιατί η Σελήνη δεν είναι «πολύ χειρότερη» από τον ISS

Η εξήγηση βρίσκεται στο είδος της ακτινοβολίας. Σε χαμηλή γήινη τροχιά, όπου κινείται ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός, τη δόση την κυριαρχούν τα πρωτόνια που έχουν παγιδευτεί στις ζώνες Van Allen. Πρόκειται για σωματίδια σχετικά χαμηλότερης ενέργειας, που χάνουν μεγάλο μέρος της ενέργειάς τους στα πρώτα στρώματα ύλης. Τα πειράματα MATROSHKA στον ISS (2004–2009) είχαν καταγράψει, αντίστοιχα, άνιση κατανομή της δόσης στο ομοίωμα.

Κοντά στη Σελήνη, έξω από τη μαγνητόσφαιρα, αυτά τα πρωτόνια απουσιάζουν. Κυριαρχεί η γαλαξιακή κοσμική ακτινοβολία: σωματίδια πολύ υψηλής ενέργειας που διασχίζουν ολόκληρο το σώμα χάνοντας μόνο μέρος της ενέργειάς τους. Αυτό εξηγεί και την ομοιόμορφη κατανομή της δόσης στα ομοιώματα. Με άλλα λόγια, ο αστροναύτης χάνει την προστασία της μαγνητόσφαιρας, αλλά ταυτόχρονα απαλλάσσεται από μια πηγή ακτινοβολίας που στον ISS μετρά πολύ.

Η ομοιομορφία έχει και μια λιγότερο ευχάριστη ανάγνωση. Αν η δόση φτάνει σχεδόν εξίσου στα εσωτερικά όργανα, τότε η τοπική θωράκιση, όπως ένα γιλέκο, έχει περιορισμένα περιθώρια απέναντι στη γαλαξιακή ακτινοβολία. Αυτό είναι ερμηνεία που προκύπτει από τη φυσική του προβλήματος, όχι συμπέρασμα της νέας δημοσίευσης, η οποία δεν εξετάζει την αποτελεσματικότητα του γιλέκου.

Το παζλ των Artemis και το όριο των 600 mSv

Η νέα εργασία συμπληρώνει τα πρώτα αποτελέσματα του Artemis I, που δημοσιεύτηκαν στο Nature το 2024 από ομάδα του DLR στην οποία συμμετείχε ο Thomas Berger, συνυπογράφων και της πολωνικής μελέτης. Εκείνα έδειξαν ότι ο ρυθμός δόσης ανάμεσα στο πιο και το λιγότερο θωρακισμένο σημείο του Orion διέφερε έως και τέσσερις φορές. Μια στροφή 90 μοιρών του σκάφους στο τέλος της διέλευσης από την εσωτερική ζώνη Van Allen μείωσε τη δόση στο μισό. Στο πιο θωρακισμένο σημείο, το «καταφύγιο καταιγίδας», η δόση από ένα μεγάλο ηλιακό σωματιδιακό γεγονός περιορίζεται στα 150 mSv, επίπεδο στο οποίο δεν αναμένεται οξεία ασθένεια από ακτινοβολία.

Το μέτρο σύγκρισης είναι το όριο της NASA: συνολική ενεργός δόση 600 mSv για όλη τη σταδιοδρομία ενός αστροναύτη, ενιαίο για όλες τις ηλικίες και τα φύλα, σύμφωνα με το πρότυπο NASA-STD-3001. Κατά την εκτίμηση του DLR, αποστολές τύπου Artemis διάρκειας ημερών έως εβδομάδων, υπό ανάλογες συνθήκες, δεν αναμένεται να το ξεπεράσουν.

Τον Απρίλιο του 2026 το Artemis II πήγε για πρώτη φορά ανθρώπους γύρω από τη Σελήνη μετά από πενήντα και πλέον χρόνια, με έξι ανιχνευτές HERA στην καμπίνα, ατομικά δοσίμετρα για τους τέσσερις αστροναύτες και τον γερμανικό αισθητήρα M-42 EXT, που ξεχωρίζει τα είδη της ακτινοβολίας, ανάμεσά τους και τα βαριά ιόντα. Η αξιοποίηση αυτών των δεδομένων θέλει χρόνο: τα αξιολογημένα βιολογικά αποτελέσματα εκτιμάται ότι μπορεί να απαιτήσουν από 6 έως 18 μήνες.

Εδώ βρίσκεται και η πρακτική αξία των πολωνικών κρυστάλλων. Ένας παθητικός ανιχνευτής λίγων χιλιοστών, χωρίς μπαταρία και χωρίς χημική επεξεργασία, που καταγράφει και το είδος των σωματιδίων, θα μπορούσε να γίνει ατομικό δοσίμετρο για αστροναύτες σε μακρές παραμονές στη σεληνιακή επιφάνεια. Η πρόοδος είναι υπαρκτή, όμως το βασικό πρόβλημα παραμένει: για μια αποστολή στον Άρη, που διαρκεί μήνες ή χρόνια, η γαλαξιακή κοσμική ακτινοβολία δεν σταματά εύκολα, και η ακριβής μέτρησή της είναι μόνο το πρώτο βήμα.