NASAs plan for å beskytte Mars-astronauter mot stråling

Artemis I-oppdraget, som nylig fullførte en historisk testflyging rundt månen, hadde ingen astronauter om bord - men det hadde to veldig spesielle passasjerer: Helga og Zohar, et par svært anatomisk detaljerte dummy-overkropper, hvorav den ene hadde på seg en spesiell strålebeskyttelsesvest for reise. Oppdraget deres? Mål strålingseksponering i det store rommet og avgjør om en vest kan bidra til å beskytte astronauter mot de usynlige farene i verdensrommet.

For å lære mer om trusselen fra romstråling og hvordan man kan beskytte astronauter mot den, snakket vi med administrerende direktør i selskapet som lager vesten, StemRad, så vel som til den pensjonerte NASA-astronauten Scott Kelly, en veteran fra romstasjonsoppdrag som er kjent for sin rolle i forskning på astronaut Helse.

De usynlige farene ved stråling

Her på jorden er vi beskyttet mot farlig stråling av planetens magnetosfære. Magnetfeltet rundt jorden fanger stråling inn i to områder kalt Van Allen-beltene, noe som gjør det trygt for oss på overflaten. Men når astronauter går utover lav jordbane, slik de må for å besøke månen (og andre potensielle steder i solsystemet, som Mars), blir de utsatt for farlig stråling.

På lang sikt, eksponering for denne strålingen - som består av ladede partikler fra solen kalt solenergi vind, partikler som kastes ut i koronale masseutkast og kosmiske stråler - kan føre til en rekke helse problemer. Det viktigste er at strålingseksponering øker sannsynligheten for at noen vil utvikle kreft eller ulike degenerative sykdommer. Det er derfor NASA og andre romorganisasjoner har et tak på hvor mye stråling en astronaut kan bli utsatt for i løpet av livet.

Eksponeringen astronauter opplever i et orbitalt miljø som den internasjonale romstasjonen er mye mindre enn de ville oppleve på en tur til månen, men det er fortsatt nok til å påvirke mannskapet. "Noen ganger kan du se kosmiske stråler treffe øyeeplet ditt, og du skjønner at det er stråling og det går også gjennom kroppen din så vel som øynene dine," sa Scott Kelly, som har utført flere oppdrag på den internasjonale romstasjonen (ISS). "Så det er noe du er klar over."

Å våge seg utover magnetosfæren

Med NASAs planer om å sende mennesker tilbake til månen og til slutt sende et mannskapsoppdrag til Mars, er spørsmålet om strålingseksponering en stor bekymring. Tidligere oppdrag til månen under Apollo-programmet varte bare noen få dager, og astronautene var heldig som ikke opplever noen solpartikkelhendelser som økte strålingsnivået i den tiden de var borte. Men for oppdrag som varer i uker eller til og med måneder, trenger vi en løsning for å beskytte astronauter mot stråling.

Det er her AstroRad-vesten kommer inn. Laget av et hydrogenrikt polymermateriale, dekker vesten bekkenet og overkroppen, og beskytter de mest sårbare organene mot solstråling. Det kan virke overraskende at strålebeskyttelse kun kan brukes på visse deler av kroppen, og StemRad-sjef Oren Milstein sa at mange av de i romfartsindustrien han la ideen til ble overrasket også. Men helkroppsbeskyttelse ville være utrolig tungvint, og den beste beskyttelsen ville være noe som astronauter faktisk kunne ha på seg og fortsatt gjøre jobben sin.

I stedet for en alt-eller-ingenting-tilnærming, kan selektiv beskyttelse balansere effektivitet og praktisk. Hvis du kan beskytte noen av de mest sårbare organene, som lunger eller brystvev, kan du bidra til å holde folk trygge uten å belaste dem for mye.

Konseptualisere kumulative risikoer

Som mennesker er vi ofte mer vant til å tenke på risiko i form av umiddelbar fare enn en kumulativ prosess. Tenk på forskjellen mellom flyskrekk kontra måten vi tenker på langsiktige helsefarer som røyking. Og når det kommer til verdensrommet, er det naturlig å tenke på farer i form av raketter som svikter eller romfartøy som eksploderer, og vanskeligere å forestille seg hvordan kumulativ strålingseksponering ser ut.

En av de viktigste måtene å redusere kumulativ eksponering på er å lage beskyttelse som er god nok til å gi en viss beskyttelse, men som også er såpass komfortabel at astronauter kan bruke den. "Vi vil ha noe som ikke bare vil beskytte deg, men som vil være noe du vil ha på deg," sa Kelly. Han er medlem av det rådgivende styret for StemRad og har en spesiell forståelse av helseproblemene astronauter står overfor da han var en del av NASAs banebrytende tvillingstudie om virkningene av romflyvninger på menneskekroppen.

En vest beskytter deler av kroppen samtidig som den tillater fri bevegelse. Og det kan være effektivt selv om det bare brukes noen ganger, som Milstein påpekte: "Det er ikke alt eller ingen når det gjelder bruksvarighet. Du kan bruke produktet i bare 70 prosent av tiden, og det vil fortsatt være svært nyttig. Du kan ta den av for å ta en dusj eller for å gjøre anstrengende aktiviteter som trening. Fordi stråling er en kumulativ ting.»

Betydningen av ergonomi

For at en vest skal være praktisk i romfart, må astronauter kunne bevege seg fritt mens de har den på seg. AstroRad har blitt testet på ISS av fem astronauter som brukte den dag og natt mens de utførte sine vanlige oppgaver, for å se om den svekket bevegelsene deres.

"For mange av de viktige tingene som å spise og sove - ting som tar mye tid - var vesten fin," sa Milstein. Imidlertid hindret vesten visse bevegelser som å løfte armene over hodet, noe som gjorde oppgaver som å losse et lastekjøretøy vanskeligere.

"Å losse et lastekjøretøy er utfordrende fordi alt flyter," sa Kelly. "Når du tar en haug med gjenstander ut av en pose og du åpner posen og alle begynner å flyte bort og du må klare det, det blir en utfordring." Han sa at utfordringen stort sett var en mental en, siden den krever at astronauter er ekstremt forsiktige og metodisk. Men enhver påvirkning av bevegelse vil gjøre en allerede vanskelig oppgave vanskeligere.

"Mikrogravitet gjør omtrent alt vanskeligere å gjøre," sa Kelly.

For å gjøre vesten så fleksibel som mulig uten å ofre beskyttelse, er den laget av tusenvis av sekskanter med varierende dybde som er montert i et nett. Dette gjør at visse områder har tykkere beskyttelse enn andre (som mer beskyttelse over lungene) mens de fortsatt er fleksible nok til å tillate bevegelse. Vesten kommer for tiden i to størrelser, for mannlige og kvinnelige kropper, men det er planer om en modulær system som gjør at vesten kan bli kortere eller lengre for å få plass til flere forskjellige størrelser kropper.

Tester beskyttelse i et virkelighetsscenario

Testene som ble utført på AstroRad på ISS var for å forstå komforten og passformen til vestene for astronauter, men de vurderte ikke mengden stråling som ble blokkert. For det er den beste måten å teste vestens effektivitet på å se den i en situasjon som kan sammenlignes med et ekte mannskapsoppdrag.

Det er derfor Artemis I-oppdraget, som var ubemannet, inkluderte de to dukkene Helga og Zohar som er torsoformede og fylt med detektorer. De to torsoene er designet for å oppdage innkommende strålingspartikler, og den ene vil ha på seg vesten slik at lagene vil kunne se hvor effektiv vesten er til å stoppe denne strålingen. I løpet av den 25 dager lange flyturen fra jorden rundt månen og tilbake, vil de bli utsatt for det samme strålingsmiljøet som astronauter vil være i fremtidige oppdrag.

"For første gang noensinne kommer vi til å kunne kvantifisere strålingsdosen og strålingens penetrasjon inn i kroppen i det dype rommet - noe som aldri har blitt gjort. Og valider samtidig et potensielt mottiltak," sa Milstein. "Det kommer til å være en skattekiste av data om menneskelig mottakelighet for stråling på organnivå i det dype rom."

Fokuset til AstroRad er å beskytte mot ioniserende stråling, da dette er den farligste for menneskers helse. Men denne testen vil også vise om vesten er effektiv til å stoppe en annen type stråling, kalt galaktiske kosmiske stråler. Denne bakgrunnsstrålingen er vanskelig å blokkere, så fordelen vil sannsynligvis bare være liten, men det er alle nyttige data for fremtidige beskyttelsestiltak.

Psykologien til risikostyring

Å utforske verdensrommet vil alltid komme med en viss grad av risiko, og astronauter blir lært opp til å oppdele denne virkeligheten som en del av jobben deres. "Du er opplært til å fokusere på jobben din og ting du kan kontrollere, og ignorere alt annet," forklarte Kelly. "Du er klar over risikoen, men du lar den ikke gjøre deg ufør."

Stråling er bare en av de mange risikoene astronauter håndterer. Imidlertid, i motsetning til umiddelbare risikoer som lanseringsfeil, er stråling "denne ukjente risikoen," sa Kelly. "Det er en langvarig risiko du utsetter deg selv for resten av livet."

Det er en moralsk forpliktelse på romfartsorganisasjoner til å holde astronautene deres så trygge som de kan, både når det gjelder umiddelbar risiko og når det gjelder langsiktige helseeffekter. For Artemis-oppdragene til månen og for fremtidige mannskapsutforskninger lenger unna, vil strålevern være en viktig del av det.

For Kelly er nøkkelen til hans tilnærming til risikostyring balanse, som innebærer å redusere de risikoene som kan håndteres og håndtere de som ikke kan være det. "Vi gjør det så trygt som mulig innenfor rimelighetens grenser," sa han. "Hvis du ville at ting skulle være 100 % trygge, ville du aldri forlatt huset ditt."

Redaktørenes anbefalinger

• NASA gjenoppretter kontakten med Mars-helikopteret etter ni ukers stillhet
• NASA-frivillige vil bo i et simulert Mars-habitat i et helt år
• Hvordan se to amerikanske astronauter på en romvandring ved ISS på fredag
• NASA mistet kontakten med Mars Ingenuity-helikopteret i en uke - men det er OK nå
• NASAs skywatching-tips fra juni inkluderer Mars in the Beehive