Fantomot küld az űrbe a NASA – az MTA kutatóinak detektorai is ott lesznek az űrhajón

A NASA új Orion űrhajójának első, egyelőre emberek nélkül végzett Hold körüli próbarepülésére (Orion Exploration Mission 1, Orion EM-1) várhatóan 2019 végén kerül sor.

A kísérlet fontos lépés a későbbi emberes Mars-küldetések előkészítésében,

hiszen elsődleges célja, hogy az űrhajósok védelme érdekében minél pontosabb ismereteink legyenek az űrbéli sugárzási viszonyokról.

Fantáziarajz az Orionról Forrás: NASA

A világűrben az űrhajósoknak a még mindig nem eléggé ismert kozmikus sugárzás káros hatásaival is szembe kell nézniük. A sugárzás mennyisége a Föld felszínén mért értéknek akár több százszorosa is lehet. A sugárzási tér, valamint a sugárzás következtében létrejövő dózis ismerete nagyon fontos az egészségügyi kockázatok becslése, valamint a minél hatékonyabb védelem kialakítása szempontjából.

Magyar műszerek az űrbeli részecskezáporban

A Föld körül keringő űreszközök, így a Nemzetközi Űrállomás (ISS) fedélzetén rendkívül összetett sugárzási tér alakul ki. A kozmikus sugárzásnak az alacsony Föld körüli pályán három fő összetevője van:

1. a Naprendszeren kívülről érkező galaktikus kozmikus sugárzás (főként protonok, alfa-részecskék, kisebb részben elektronok és nehezebb atommagok),
2. a Napból érkező szoláris sugárzás (protonok és elektronok),
3. a Föld mágneses mezeje által befogott töltött részecskék (protonok és elektronok),

melyek ún. sugárzási övekben vannak jelen a Föld körül. Ezek az elsődleges részecskék kölcsönhatásba lépnek az űreszközt alkotó anyagokkal, és másodlagos részecskéket generálnak (neutronok, protonok, nehezebb ionok). Mindezek mellett jelen van a kozmikus sugárzás nem részecskékből álló része is, a gamma-sugárzás. A kialakult sugárzási tér vizsgálata annak komplexitása miatt nem egyszerű feladat, ezért általában több, egymást kiegészítő mérési módszer alkalmazását igényli, és nemzetközi együttműködésben zajlik. Mivel pedig térben és időben is változik, folyamatos monitorozására van szükség.

A Magyar Tudományos Akadémia Energiatudományi Kutatóközpontjának munkatársai először 2001-ben (a Nemzetközi Űrállomás első állandó legénységének felbocsátásakor) kaptak meghívást arra, hogy passzív detektorokkal részt vegyenek az ISS-en zajló sugárzásmérési és űrdozimetriai programokban. Azóta számos további küldetésben dolgoztak, köztük abban a kettőben is, amelyek megalapozták a mostani, Hold körüli repülésben való részvételt. Az egyik a Német Repülési és Űrkutatási Központ (DLR) vezetésével 2004–2011 között zajlott MATROSHKA nevű kísérlet volt, amely a dóziseloszlást vizsgálta egy űrhajósokat szimuláló emberszerű fantom belsejében. A másik az ugyancsak a DLR vezetésével 2009-ben indult DOSIS, majd ennek folytatásaként 2012-től a DOSIS-3D program, melynek keretében az ISS európai Columbus moduljának dózistérképezését végzik el. Utóbbi a tervek szerint egészen az ISS üzemidejének végéig, 2024-ig folytatódik.

A MATROSHKA fantom (középen) a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén űrhajósok társaságában Forrás: NASA

Ezeknek az eredményes együttműködéseknek köszönhetően a napokban az MTA Energiatudományi Kutatóközpont Űrdozimetriai Csoportja meghívást kapott a MARE (MATROSHKA AstroRad Radiation Experiment) kísérletben való részvételre, amit a Német Repülési és Űrkutatási Központ és az Izraeli Űrügynökség javasolt a NASA Orion EM-1 küldetéséhez.

Az Orion fedélzetén az ISS-en mérttől eltérő összetételű és mennyiségű sugárzás, valamint nagyobb dózis várható. Az Orion ugyanis áthalad a Földet körbevevő sugárzási öveken, másrészt a Hold körüli térségben már nem érvényesül a földi mágneses mező hatása, amely az ISS-t még védi a kozmikus sugarak egy részétől. A MARE kísérletben az űrhajósok helyére 1-1 antropomorf – azaz emberszerű – női fantomot helyeznek el.

A fantomok az emberi csontvázra épülő, szövetekvivalens anyagból készülnek,

és a MATROSHKA kísérlethez hasonlóan a felszínükre és a belsejükbe telepített passzív és aktív dózismérőkkel szerelik fel őket. Így mérhetők lesznek a bőrfelszínen és a belső szervek (szem, pajzsmirigy, tüdő, gyomor, máj, vese stb.) helyén kialakuló dózisok, valamint a dóziseloszlás a fantomok belsejében. Az egyik fantom az izraeli StemRad cég által fejlesztett AstroRad sugárvédelmi mellényt fogja viselni, így annak árnyékolási képességeit éles küldetésben is vizsgálhatják.

Az AstroRad sugárvédelmi mellényt viselő nő az Orion EM-1 előkészületei közben Forrás: NASA

A sugárzásmérési kísérletek több ország (Egyesült Államok, Németország, Ausztria, Lengyelország, Magyarország, Csehország, Belgium, Japán) részvételével zajlanak majd. Az MTA EK által összeállított passzív, vagyis energiaellátást nem igénylő detektorcsomagokban kétféle anyagot használnak. Az ún. szilárdtest-nyomdetektorok képesek a nagyobb energialeadású részecskék regisztrálására, míg az ún. termolumineszcens detektorok a kisebb energialeadású részecskéket és az egyéb sugárzásokat detektálják. Ezeket a detektorokat a küldetés végén, a földi laboratóriumba való visszaérkezés után lehet kiértékelni, az általuk mért dózisértékeket is csak ekkor lehet majd meghatározni. (Az Űrdozimetriai Csoportban készült a Pille dózismérő rendszer is, amely szintén termolumineszcens detektorokra épül, viszont kiolvasókészülék is tartozik hozzá. Automata üzemmódban üzemeltethető, vagy az űrhajósok a jármű fedélzetén akár maguk is meg tudják vele határozni a dózisértékeket. A Pille rendszer az Orion EM-1 küldetésben nem vesz részt, de az ISS-en jelenleg is használják.)

A Nemzetközi Űrállomáson repült nyomdetektorról optikai mikroszkóppal készült felvétel. A képen többek között megkülönböztethetünk proton- és alfa-részecske- (p, α) nyomokat, kis rendszámú (Z) elemek nyomait (C, O, Si, Fe) és egy nagy rendszámú (Z>26) és energiájú részecske nyomát. A nyomok átmérője a becsapódó részecske rendszámával, hossza pedig az energiájával hozható összefüggésbe. Forrás: MTA EK

Az Orion EM-1-et a jelenlegi tervek szerint 2019. december 16-án bocsátják fel. A küldetés teljes időtartama még nem tudható pontosan, 26–42 nap a tervezett hosszúsága. Jelenlegi ismereteink szerint a kozmikus sugárzás által okozott dózis egy ilyen út során csak nagy bizonytalansággal becsülhető meg.

Ehhez hasonló komplex mérés még soha nem történt,

tehát mindenképp jelentős előrelépés várható a területen. A NASA fő célja a MARE kísérlettel, hogy az űrhajósok minél biztonságosabb körülmények között vághassanak neki a mély űr felfedezésének (például a jövőbeli Mars-utazás során), amihez ezúttal magyar kutatók is hozzájárulhatnak.

A felkéréssel nem jár közvetlen finanszírozás, de a NASA állja a legjelentősebb tétel, a feljuttatás és a visszahozatal költségeit. A detektorokat, azok összeállítását, kalibrálását, repülés utáni kémiai maratásának és kiértékelésének költségeit viszont saját (például hazai pályázati vagy intézeti) forrásból kell biztosítani.

Szabó Julianna, Hirn Attila, Zábori Balázs – MTA EK Űrdozimetriai Csoport