Ein Forscherteam des medizinischen Zentrums der Universität von Rochester (URMC) in New York hat die Ergebnisse ihrer Forschung bekannt gegeben. Langzeitastronauten im Weltraum, beispielsweise während eines Fluges zum Mars, können aufgrund galaktischer Strahlung zu Gesundheitsproblemen führen. Insbesondere zur Degeneration des Gehirns und möglicherweise sogar zum Ausbruch der Alzheimer-Krankheit.
Zu Beginn des Jahres 2012 berichteten russische Wissenschaftler über ähnliche Schlussfolgerungen. Natalia Teryaeva schreibt in der Zeitung Ploschad Mira: „Wenn Sie mit einem modernen Raumschiff auf einer Mars-Expedition fliegen, dauert der Flug mindestens 500 Tage. Während dieser Zeit der Weltraummission kann die Gesundheit der Astronauten unwiederbringlich verloren gehen.
Dies belegen die Ergebnisse von Studien russischer Radiobiologen und Physiologen, die am Joint Institute for Nuclear Research (JINR) auf einer Besuchssitzung des Büros der Abteilung für Physiologie und Grundlagenmedizin der Russischen Akademie der Wissenschaften erörtert wurden.
Wissenschaftler sehen die größte Gefahr in der galaktischen Strahlung: Sie kann eine Person des Sehens und der Vernunft berauben, ohne die es nicht möglich ist, das Ziel zu erreichen oder nach Hause zurückzukehren.
Die Aussagen von Forschern über die Gefahr von Schwerionen für den Organismus von Astronauten sind nicht spekulativ, sondern basieren auf Daten von Beschleunigerversuchen mit Tieren, die im Labor für Strahlenbiologie des Gemeinsamen Instituts für Kernforschung (LRB JINR) in Zusammenarbeit mit dem Institut für biomedizinische Probleme der Russischen Akademie der Wissenschaften (IMPB RAS), dem Institut für Biochemie, durchgeführt wurden RAS (IBCh RAS) und in Zusammenarbeit mit Biologen der American National Space Agency (NASA).
Schwere Ionen sind beängstigender als Protonen
Im Weltraum - jenseits des Erdmagnetfeldes - lauert gefährliche kosmische Strahlung aus den Tiefen der Galaxie auf den Menschen.
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"Galaktische kosmische Strahlen sind Ströme von Elementarteilchen - leichte und schwere Ionen", erklärt Mikhail Panasyuk, Direktor des Skobeltsyn-Forschungsinstituts für Kernphysik (SINP MSU). - Atome der kosmischen Strahlung haben keine elektronischen Hüllen, sondern sind "nackte" Kerne. Der Grund dafür ist die Interaktion mit Materie während ihres Transfers in das Universum. Das häufigste Element der kosmischen Strahlung ist Wasserstoff, und seine Ionen sind Protonen. Diese Teilchen werden durch Stoßwellen beschleunigt - die Überreste von Supernova-Explosionen. Solche Sterne explodieren in unserer Galaxie nicht öfter als einmal alle 30 - 50 Jahre.
Der Fluss galaktischer kosmischer Strahlenteilchen ist im Gegensatz zu solaren kosmischen Strahlen, die während Sonneneruptionen auf der Sonne oder im interplanetaren Medium erzeugt werden, konstant. Aus diesem Grund ist der Gesamtbeitrag der kosmischen Sonnenstrahlung über einen langen Zeitraum unbedeutend. Während Sonneneruptionen (für mehrere Stunden, Tage) kann der Fluss der kosmischen Sonnenstrahlen den Fluss der galaktischen kosmischen Strahlen 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 Strahlen, die von anderen Galaxien in unsere Galaxie eintreten. 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)."
Die auf Weltraumforschungssatelliten installierten Energie-Massenspektrometer zeichneten die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung auf. Es stellte sich heraus, dass etwas weniger als ein Prozent aller Partikel galaktischer Strahlung schwere Ionen 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 entstehen durch die Entwicklung der Sterne Sternkerne.
Die Ergebnisse von Messungen von Weltraumsatelliten dienten als Grundlage für weitere Modellberechnungen, die zeigten, dass außerhalb der Erdmagnetosphäre pro Quadratzentimeter Fläche pro Jahr etwa 105 schwere Ionen und etwa 160 Teilchen mit einer Ladung Z von mehr als 20 fallen. Dies bedeutet, dass während eines Fluges zum Mars in Jeden Tag fällt eine solche Anzahl von ihnen auf einen Quadratzentimeter der Körperoberfläche des Kosmonauten.
Weltraumschwere Ionen sind so energisch, dass sie die Haut eines modernen Raumfahrzeugs im Weltraum "durchbohren", wie Kanonenkugeln, die feine Seide bombardieren. Wissenschaftler des Labors für Strahlenbiologie des JINR haben herausgefunden, wie dies auf einer langen Reise die Gesundheit der Boten der Erde schädigen kann.
Zum Mars - durch Berührung?
„Wir haben herausgefunden, warum die gleichen Dosen unterschiedlicher Strahlung (Schwerionenfluss, Neutronen, Gammastrahlung) unterschiedliche Auswirkungen auf lebende Zellen haben“, sagt Evgeny Krasavin, Direktor des LRB JINR, RAS Corresponding Member. - Es stellte sich heraus, dass die Unterschiede in der Wirksamkeit der Wirkung unterschiedlicher Strahlung sowohl mit den physikalischen Eigenschaften der Strahlung als auch mit den biologischen Eigenschaften der lebenden Zelle selbst zusammenhängen - ihrer Fähigkeit, DNA-Schäden nach Bestrahlung zu reparieren. In Experimenten mit Schwerionenbeschleunigern haben wir festgestellt, dass der schwerste DNA-Schaden unter dem Einfluss von Schwerionen auftritt. Der Unterschied zwischen dem Aufprall von Röntgenstrahlen (einem Photonenstrahl) und einem Strahl schwerer Ionen kann man sich so vorstellen: Einen kleinen Schuss von einer Pistole in eine Wand zu schießen, ist ein Schaden durch Röntgenstrahlen. Eine Kanonenkugel auf dieselbe Wand zu schießen, ist die Zerstörung durch ein schweres Ion. Schwere Teilchen, die eine große Masse besitzen, verlieren pro zurückgelegter Entfernungseinheit viel mehr Energie als ihre leichteren Gegenstücke. Deshalb verursacht ein schweres Ion auf seinem Weg durch die Zelle große Zerstörung. Wenn ein schweres Teilchen den Zellkern passiert, wird eine "Cluster-Typ" -Läsion mit mehreren Brüchen chemischer Bindungen im DNA-Fragment gebildet. Sie verursachen verschiedene Arten schwerer Chromosomenschäden in den Zellkernen. "Wenn ein schweres Teilchen den Zellkern passiert, wird eine "Cluster-Typ" -Läsion mit mehreren Brüchen chemischer Bindungen im DNA-Fragment gebildet. Sie verursachen verschiedene Arten schwerer Chromosomenschäden in den Zellkernen. "Wenn ein schweres Teilchen den Zellkern passiert, werden "Cluster-Typ" -Läsionen mit mehreren Brüchen chemischer Bindungen im DNA-Fragment gebildet. Sie verursachen verschiedene Arten schwerer Chromosomenschäden in den Zellkernen."
Ferner war die Logik des Denkens von Wissenschaftlern wie folgt. Wasserstoffionen (Protonen) mit einer Energie von 200 - 300 MeV / Nukleon haben Zeit, einen 11-cm-Pfad in Wasser zu laufen, bevor sie vollständig abgebremst werden. Der menschliche Körper besteht zu 90% aus Wasser. Wenn wir dieses Ergebnis auf einen lebenden menschlichen Körper hochrechnen, erhalten wir die Schlussfolgerung: Selbst leichte Ionen auf ihrem Weg können Tausende von Zellen in unserem Körper schädigen. Bei schweren Ionen mit einer Ladung von mehr als 20 sollte ein noch bedauerlicheres Ergebnis für die Gesundheit erwartet werden.
Welche menschlichen Organe können durch galaktische Schwerionen am schwersten und lebensbedrohlichsten geschädigt werden?
- Wenn Sie daran denken, Körpergewebe wie Blut oder Haut aktiv zu vermehren und schnell zu erneuern, werden sich ihre Schäden aufgrund natürlicher Eigenschaften schnell erholen, - erklärt der Direktor des LRB JINR Yevgeny Krasavin. - Aber auf statischen Geweben - dem Zentralnervensystem, den Augen, die nicht die natürliche Fähigkeit haben, Schäden schnell zu reparieren, hat der konstante Fluss schwerer Ionen eine schichtschädigende Wirkung, die einen regelmäßigen Zelltod verursacht. Aber das Zentralnervensystem und das Auge sind die Kontroll- "Chips" unseres Körpers.
In Tierversuchen in Dubna untersuchte eine Gruppe von Radiobiologen unter der Leitung des Akademikers der Russischen Akademie der Wissenschaften, Michail Ostrowski, die Mechanismen der Wirkung schwerer Ionen auf die Strukturen des Auges - Linse, Netzhaut und Hornhaut. Bei JINR-Beschleunigern wurden Mäuse und Lösungen von Kristallinen (Proteinen) ihrer Linse mit 100-200 MeV Protonenstrahlen bestrahlt.
"Die Augenlinse von Menschen und Wirbeltieren besteht zu 90% aus Alpha-, Beta- und Gammakristallinen", sagte der Akademiker Ostrovsky in seiner Rede auf einer Besuchssitzung des Büros der Abteilung für Physikalische Mathematik und Mechanik der Russischen Akademie der Wissenschaften. - Der Gehalt dieser Proteine in der Linse ist ungefähr gleich, sie unterscheiden sich jedoch erheblich in Struktur und Molekulargewicht. Die Exposition gegenüber ultravioletter Strahlung oder Strahlung kann zu einer Kristallaggregation führen - dem Auftreten von opaken Fasern in der Linse. Durch die Aggregation entstehen große lichtstreuende Konglomerate, die zur Trübung der Linse, dh zur Entstehung von Katarakten, führen. Beim Durchgang durch die Augenlinse können selbst einzelne schwere Ionen nach einer Weile dazu führen, dass es trübe wird.
Kehre als Homo sapiens zur Erde zurück
Am wenigsten haben Radiobiologen die schädliche Wirkung schwerer Ionen auf das Zentralnervensystem untersucht. Laut NASA-Experten werden während einer Marsmission 2 bis 13 Prozent der Nervenzellen von mindestens einem Eisenion 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 eine Störung kleiner Teile davon kann zum Verlust der Funktion des gesamten Körpers führen, wie dies bei Menschen der Fall ist, die einen Schlaganfall hatten oder an Alzheimer leiden.
Im 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-Kolliders im Brookhaven National Laboratory simuliert. Das Rattenexperiment wurde als "kognitiver Test" bezeichnet. Eine kleine feste Fläche wurde in ein kreisförmiges Becken unter einer dünnen Schicht undurchsichtigen Wassers gelegt. Laborratten, die zuerst gesund waren und dann mit Eisenionenstrahlen bestrahlt wurden, wurden in diesen Pool gebracht und überwacht, wie schnell die Tiere diesen Bereich finden und darauf klettern konnten. Gesunde Ratten fanden die Stelle schnell und gingen auf dem kürzesten Weg darauf zu. Die Bestrahlung mit schweren Ionen veränderte die kognitiven Funktionen (Lernfähigkeit) von Tieren dramatisch. Einen Monat nach der Bestrahlung änderte sich das Verhalten der Ratte dramatisch. Sie schleiftelange Zeit umkreiste sie den Pool, bis sie fast versehentlich den festen Boden unter ihren Füßen spürte. Die Denkfähigkeiten des Tieres waren stark beeinträchtigt. Wenn Ratten mit Röntgen- und Gammastrahlung bestrahlt wurden, wurde dieser Effekt nicht beobachtet.
Um die möglichen Folgen der Bestrahlung des menschlichen Körpers mit schweren Ionen darzustellen, ist es nach Ansicht der Forscher notwendig, das Modell der kosmischen Gefährdung von Primaten zu „spielen“. Trotzdem ist der Schaden, den Nagetiere durch die Auswirkungen der galaktischen Strahlung von Schwerionen erleiden, überzeugend genug, um nicht darüber nachzudenken, wenn Menschen auf einen langen Flug zum Mars geschickt werden sollen.
So vermeiden Sie Probleme
Nach dem, was Physiker und Biologen heute wissen, kann das Risiko einer Strahlenschädigung von Astronauten während einer mehr als einjährigen Reise zum Mars nicht auf Null reduziert werden. 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 biegt, um die Intensität ihrer Teilchen zu verringern und Teilchen mit Energien von weniger als 400 MeV / Nukleon aus dem Sonnensystem zu "fegen".
Die zweite Idee: Die Strahlungsdosen durch galaktische Strahlung durch zuverlässigen Schutz des Schiffes erheblich zu reduzieren und im Schiffsdesign einen speziellen Schutzraum mit stärkerem Schutz gegen starke Ströme unvorhersehbaren Sonnenwinds bereitzustellen. Es werden bereits neue Arten von Schutzmaterialien entwickelt, die wirksamer werden 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 reicht zwar nicht aus, sagen Wissenschaftler, die Dicke der Schutzschicht muss erhöht werden. Und wenn es nicht funktioniert, reduzieren Sie die Flugdauer erheblich - beispielsweise auf mindestens 100 Tage. Einhundert Tage ist eine Zahl, die bisher nur intuitiv gerechtfertigt ist. Aber auf jeden Fall müssen Sie schneller fliegen.
Die dritte Idee: Die Piloten des Mars-Raumfahrzeugs mit wirksamen Anti-Strahlen-Medikamenten zu versorgen, die die Bindungen zwischen DNA-Proteinen erheblich stärken und ihre Anfälligkeit für Schwerionenbeschuss verringern könnten.
Die vierte Idee: ein künstliches Magnetfeld um das Raumschiff herum zu erzeugen, ähnlich dem Erdmagnetfeld. Es gibt ein Projekt eines supraleitenden Ringmagneten, innerhalb und außerhalb dessen das Feld gegen Null geht, um die Gesundheit von Astronauten nicht zu schädigen. Das starke Feld eines solchen Magneten sollte einen großen Teil der kosmischen Protonen und Kerne vom Raumschiff ablenken und die Strahlungsdosis während der Expedition zum Mars um das 3- bis 4-fache reduzieren. Der Prototyp eines solchen Magneten wurde bereits erstellt und wird in einem Experiment zur Untersuchung der kosmischen Strahlung an Bord der Internationalen Raumstation verwendet.
Bis die Ideen zum Schutz der Mars-Besatzung nicht ihre Verkörperung gefunden haben, gibt es laut Radiobiologen nur einen Ausweg: detaillierte radiobiologische Studien unter terrestrischen Bedingungen an Schwerionenbeschleunigern durchzuführen, die unter terrestrischen Bedingungen die schädliche Wirkung von hochenergetischen schweren Kernen simulieren, die aus den Tiefen der Galaxie ausgehen. Zu diesen einzigartigen Beschleunigern gehören das Nuklotron des Labors für Hochenergiephysik von JINR und der auf seiner Basis entstehende NICA-Kolliderkomplex. Wissenschaftler setzen große Hoffnungen auf die Fähigkeiten dieser Installationen.
Und wenn wir es eilig haben, zum Mars zu fliegen, ist es entweder an der Zeit, schnellere Raumschiffe zu bauen oder die Träume von bemannten Flügen vorerst im Weltraum zu lassen. Lass die Roboter erst einmal reisen.
