NASA: s plan för att skydda Mars-astronauter från strålning

Artemis I-uppdraget, som nyligen avslutade en historisk testflygning runt månen, hade inga astronauter ombord - men det hade två mycket speciella passagerare: Helga och Zohar, ett par mycket anatomiskt detaljerade dummybålar, varav en bar en speciell strålskyddsväst för resa. Deras uppdrag? Mät strålningsexponeringen i rymden och avgör om en väst kan hjälpa till att skydda astronauter från rymdens osynliga faror.

För att lära dig mer om hotet från rymdstrålning och hur man skyddar astronauter mot det, pratade vi med VD: n för företaget som tillverkar västen, StemRad, såväl som till den pensionerade NASA-astronauten Scott Kelly, en veteran från rymdstationsuppdrag som är välkänd för sin roll i forskning om astronaut hälsa.

De osynliga farorna med strålning

Här på jorden är vi skyddade från farlig strålning av planetens magnetosfär. Magnetfältet runt jorden fångar strålning i två områden som kallas Van Allen-bälten, vilket gör det säkert för oss på ytan. Men när astronauter går bortom låg omloppsbana om jorden, som de måste för att besöka månen (och andra potentiella platser i solsystemet, som Mars), utsätts de för farlig strålning.

På lång sikt exponering för denna strålning — som består av laddade partiklar från solen som kallas sol vindar, partiklar som kastas ut i koronala massutkastningar och kosmiska strålar - kan leda till en mängd olika hälsa problem. Det viktigaste är att exponering för strålning ökar sannolikheten för att någon kommer att utveckla cancer eller olika degenerativa sjukdomar. Det är därför NASA och andra rymdorganisationer har ett tak för hur mycket strålning en astronaut kan utsättas för under sin livstid.

Exponeringen som astronauter upplever i en omloppsmiljö som den internationella rymdstationen är mycket mindre än de skulle uppleva på en resa till månen, men det räcker ändå för att påverka besättningen. "Ibland kan du se kosmiska strålar träffa din ögonglob och du inser att det är strålning och det går också igenom din kropp såväl som dina ögon”, sa Scott Kelly, som har tjänstgjort vid flera uppdrag på den internationella rymdstationen (ISS). "Så det är något du är medveten om."

Att våga sig bortom magnetosfären

Med NASA: s planer på att skicka tillbaka människor till månen och så småningom skicka ett besättningsuppdrag till Mars, är frågan om strålningsexponering ett stort problem. Tidigare uppdrag till månen under Apollo-programmet varade bara några dagar, och astronauterna var turen att inte uppleva några solpartikelhändelser som höjde strålningsnivåerna under den tid de var bort. Men för uppdrag som varar i veckor eller till och med månader behöver vi en lösning för att skydda astronauter från strålning.

Det är där AstroRad-västen kommer in. Västen är gjord av ett väterikt polymermaterial och täcker bäckenet och bålen och skyddar de mest sårbara organen från solstrålning. Det kan tyckas förvånande att strålskydd endast kan tillämpas på vissa delar av kroppen, och StemRads vd Oren Milstein sa att många av dem i rymdindustrin som han ställde idén till var förvånade för. Men helkroppsskydd skulle vara otroligt besvärligt, och det bästa skyddet skulle vara något som astronauter faktiskt skulle kunna bära och fortfarande göra sitt jobb.

Snarare än en allt-eller-inget-strategi, kan selektivt skydd balansera effektivitet och praktiska egenskaper. Om du kan skydda några av de mest sårbara organen, som lungor eller bröstvävnad, kan du hjälpa till att hålla människor säkra utan att belasta dem för mycket.

Konceptualisera kumulativa risker

Som människor är vi ofta mer vana vid att tänka på risk i termer av omedelbar fara än en kumulativ process. Tänk på skillnaden mellan flygrädsla kontra hur vi tänker på långsiktiga hälsorisker som rökning. Och när det kommer till rymden är det naturligt att tänka på faror i termer av att raketer misslyckas eller rymdfarkoster exploderar, och svårare att föreställa sig hur kumulativ strålningsexponering ser ut.

Ett av de viktigaste sätten att minska den kumulativa exponeringen är att skapa skydd som är tillräckligt bra för att erbjuda visst skydd, men som också är tillräckligt bekvämt för att astronauter ska bära det. "Vi vill ha något som inte bara skulle skydda dig, utan som skulle vara något som du skulle vilja bära," sa Kelly. Han är medlem i den rådgivande nämnden för StemRad och har en särskild förståelse för de hälsoproblem som astronauter står inför eftersom han var en del av NASA: s banbrytande tvillingstudie om effekterna av rymdflygning på människokroppen.

En väst skyddar delar av kroppen samtidigt som den tillåter fri rörlighet. Och det kan vara effektivt även om det bara bärs en del av tiden, som Milstein påpekade: "Det är inte allt eller inget när det gäller användningstid. Du kan använda produkten i bara 70 procent av tiden och det kommer fortfarande att vara mycket fördelaktigt. Du kan ta av den för att duscha eller göra ansträngande aktiviteter som träning. Eftersom strålning är en kumulativ sak.”

Vikten av ergonomi

För att en väst ska vara praktisk i rymdfärder måste astronauter kunna röra sig fritt medan de bär den. AstroRad har testats på ISS av fem astronauter som bar den dag och natt när de utförde sina vanliga uppgifter, för att se om den försämrade deras rörelser.

"För många av de viktiga sakerna som att äta och sova - saker som tar mycket tid - var västen bra," sa Milstein. Men västen hindrade vissa rörelser som att lyfta armarna ovanför, vilket gjorde uppgifter som att lasta av ett lastfordon svårare.

"Att lossa ett lastfordon är utmanande eftersom allt flyter", sa Kelly. "När du tar en massa saker ur en påse och du öppnar påsen och alla börjar flyta iväg och du måste hantera det, det blir en utmaning.” Han sa att utmaningen mest var en mental, eftersom den kräver att astronauter är extremt försiktiga och metodisk. Men varje påverkan av rörelse kommer att göra en redan svår uppgift svårare.

"Mikrogravitation gör nästan allt svårare att göra," sa Kelly.

För att göra västen så flexibel som möjligt utan att ge avkall på skyddet är den gjord av tusentals hexagoner med varierande djup som är inpassade i ett nät. Detta gör att vissa områden kan ha tjockare skydd än andra (som mer skydd över lungorna) samtidigt som de är tillräckligt flexibla för att tillåta rörelse. Västen finns för närvarande i två storlekar, för manliga och kvinnliga kroppar, men det finns planer på en modulär system som skulle tillåta västen att bli kortare eller längre för att rymma fler olika storlekar kroppar.

Testar skydd i ett verkligt scenario

Testerna som utfördes på AstroRad på ISS var för att förstå komforten och passformen hos västarna för astronauter, men de bedömde inte mängden strålning som blockerades. För det är det bästa sättet att testa västens effektivitet att se den i en situation som är jämförbar med ett riktigt besättningsuppdrag.

Det är därför som Artemis I-uppdraget, som var obemannat, inkluderade de två dockorna Helga och Zohar som är bålformade och fyllda med detektorer. De två bålarna är designade för att upptäcka inkommande strålningspartiklar, och den ena kommer att bära västen så att teamen kommer att kunna se hur effektiv västen är för att stoppa denna strålning. Under den 25 dagar långa flygningen från jorden runt månen och tillbaka kommer de att utsättas för samma strålningsmiljö som astronauter kommer att vara i framtida uppdrag.

"För första gången någonsin kommer vi att kunna kvantifiera stråldosen och strålningens penetration in i kroppen på djupet - något som aldrig har gjorts. Och samtidigt validera en potentiell motåtgärd, säger Milstein. "Det kommer att bli en skattkammare av data om mänsklig känslighet för strålning på organnivå i rymden."

AstroRads fokus ligger på att skydda mot joniserande strålning eftersom detta är det farligaste för människors hälsa. Men detta test kommer också att visa om västen är effektiv för att stoppa en annan typ av strålning, kallad galaktisk kosmisk strålning. Denna bakgrundsstrålning är svår att blockera, så fördelen kommer sannolikt bara att vara liten, men det är alla användbara data för framtida skyddsåtgärder.

Riskhanteringens psykologi

Att utforska rymden kommer alltid att medföra en viss risk, och astronauter får lära sig att dela upp denna verklighet som en del av sina jobb. "Du är tränad att fokusera på ditt jobb och saker du kan kontrollera, och ignorera allt annat," förklarade Kelly. "Du är medveten om risken men du låter den inte göra dig oförmögen."

Strålning är bara en av många risker astronauter hanterar. Men till skillnad från omedelbara risker som lanseringsmisslyckanden är strålning "denna okända risk", sa Kelly. "Det är en kvardröjande risk du utsätter dig för resten av ditt liv."

Det finns en moralisk skyldighet för rymdorganisationer att hålla sina astronauter så säkra som de kan både när det gäller omedelbara risker och när det gäller långsiktiga hälsoeffekter. För Artemis-uppdragen till månen och för framtida besättningsutforskningar längre bort kommer strålskydd att vara en viktig del av det.

För Kelly är nyckeln till hans inställning till riskhantering balans, vilket innebär att mildra de risker som kan hanteras och hantera de som inte kan vara det. "Vi gör det så säkert som vi kan inom rimliga gränser," sa han. "Om du ville att saker skulle vara 100 % säkra, skulle du aldrig lämna ditt hus."

Redaktörens rekommendationer

• NASA återställer kontakten med Mars-helikoptern efter nio veckors tystnad
• NASA-volontärer kommer att leva i en simulerad Mars-habitat i ett helt år
• Hur man tittar på två amerikanska astronauter på en rymdpromenad vid ISS på fredag
• NASA tappade kontakten med Mars Ingenuity-helikopter i en vecka - men det är OK nu
• NASA: s skywatchingtips i juni inkluderar Mars i bikupan