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Strahlenbelastung in der Raumfahrt

Veröffentlicht von Onmeda-Redaktion

Viele Menschen sind von der unbemannten und oft noch mehr von der bemannten Raumfahrt fasziniert. Ein sehr wichtiger Aspekt, vor allem der bemannten Raumfahrt, soll hier diskutiert werden. Es ist die Frage nach den Strahlenbelastungen für die Besatzungen von Raumfahrzeugen oder Raumstationen.

Allgemeines

Von der Sonne und aus der Tiefe des Weltraums treffen eine Vielzahl von Strahlen auf die Erde. Unter dieser Strahlung befindet sich auch das sichtbare Licht der Sonne, des Mondes und der Sterne. Auch Radiowellen und Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) treffen auf die Erde. Von der Sonne entstammt außerdem die UV-Strahlung.

Neben den nichtionisierenden Strahlen gelangen große Mengen ionisierender Strahlung, vor allem Protonen, Alphateilchen, und in der Größenordnung von ca. 1%, auch schwere Ionen bis zu einer Ordnungszahl von Z = 30 (Zink) mit einem relativen Maximum beim Eisen (Z = 26) auf die Lufthülle der Erde. Sie führen dort zu zahlreichen Kernprozessen, so dass sich die Zusammensetzung und Dosisleistung, also Dosis pro Zeit, der Strahlung in Abhängigkeit von der Höhe erheblich verändert. Das Maximum dieser Strahlung befindet sich in ca. 25 km Höhe. Sehr hohe Srahlendosisleistungen treten darüber hinaus in dem inneren und äußeren van Allen-Gürtel auf. Extrem hohe Strahlendosisleistungen treten bei den so genannten Flares der Sonne, die von einigen Minuten bis zu einigen Stunden andauern können, auf.

Historisches

Als "Vater" der kosmischen Strahlung (Höhenstrahlung) gilt der am 24.6.1883 in Schloss Waldstein in der Steiermark/Österreich geborene Viktor Franz Hess, er entdeckte und erforschte in intensivster Weise, z.B. mit Hilfe von Ballons, in denen er selber mitflog, die Zusammensetzung, die Intensität und Höhenabhängigkeit der kosmischen Strahlung. Als Jahr der Entdeckung dieser ionisierenden Strahlung gilt das Jahr 1912. Für seine Forschungsarbeit erhielt er im Jahr 1936 den Nobelpreis für Physik. Hess verstarb am 17.12.1964 in New York/USA.

Die ersten wichtigen Vorarbeiten für die bemannte und unbemannte Raumfahrt wurden vor und während des 2. Weltkrieges, vor allem in Deutschland, durch die Entwicklung der V1 und V2 geleistet. Mit der Entwicklung dieser Raketen sind u.a. die Namen Hermann Oberth (1894-1989) und Wernher von Braun (1912-1977) aufs Engste verknüpft.

Nach dem Krieg sind zahlreiche Wissenschaftler, die in Deutschland an dem Raketenprogramm gearbeitet haben, in die Sowjetunion und vor allem die USA - nicht immer ganz freiwillig - gegangen.

Nicht zuletzt durch den kalten Krieg bedingt nahm die Entwicklung von Raketen einen rasanten Aufschwung. Im Jahre 1957 überraschte die Sowjetunion die Welt mit dem Start des ersten Erdsatelliten. Er erhielt den Namen Sputnik I. Der erste Mensch, der in einer Raumkapsel die Erde umkreiste, war im Jahre 1961 der Russe Jurij Gagarin. Anlässlich eines Testflugs mit einem Kampfjet verunglückte er am 28. März des Jahres 1968 im Alter von 34 Jahren tödlich.

Das wichtigste Ereignis der gesamten Raumfahrt dürfte wohl die Landung auf dem Mond gewesen sein. Am 20. Juli 1969 um 22:56 setzte mit Neil A. Armstrong der erste Mensch seinen Fuß auf den Mond. Etwa eine Viertelstunde später folgte ihm Edwin E. Aldrin (Spitzname: Buzz). Michael Collins der dritte Teilnehmer von Apollo 11 war in der Raumkapsel im Mondorbit geblieben. Bei seinem Ausflug auf den Mond äußerte Armstrong den folgenden, mittlerweile wohl nahezu jedem Menschen bekannten Satz:

"Ein kleiner Schritt für einen Menschen, aber ein gewaltiger Sprung für die Menschheit!"

In der folgenden Tabelle sind neben diesem Ereignis eine Reihe weiterer "Highlights" der unbemannten und bemannten Raumfahrt dargestellt.

Highlights in der Raumfahrt

Datum Ereignis/Mission
Okt. 1957 Start des 1. Erdsatelliten Sputnik 1
Nov. 1957 Laika, 1. Hund im All in Sputnik 2
12. April 1961 Jurij Gagarin (UdSSR), 1. Erdumkreisung
05. Mai 1961 Der Amerikaner Alan Bartlett Shepard (1923-1998) beendet in der Raumkapsel Freedom 7 erfolgreich einen ballistischen Raum- Flug. Er befand sich dabei rund 5 Minuten im All
20. Feb. 1962 John Glenn, der 1. Amerikaner, der die Erde in der Mercury- Raumkapsel Friendship-7 dreimal umrundete. Als Trägerrakete diente eine Atlas-Rakete
16. Juni 1963 Walentina Wladimirowna Tereschkowa (UdSSR), war mit der Mission Wostok 6, die 1. Frau im All
Januar 1967 Apollo 1, vor dem Start Brand in der Kapsel mit 3 Toten
Dez. 1968 Apollo 8, die 1. Mondumkreisung
20. Juli 1969 Apollo 11, die 1. Mondlandung: Armstrong, Aldrin, Collins
Nov. 1969 Apollo 12, die 2. Mondlandung
April 1970 Apollo 13, Beinahekatastrophe beim Mondflug
Jan./ Juli 1971 Apollo 14 und 15, die 3. und 4. Mondlandung
Mai 1971 1. unbemannte Marslandung
1971 1. Raumstation Saljut 1
Apr./7. Dez. 1972 Apollo 16 und 17, die 5. und 6. (letzte) bemannte Mondlandung
Aug./Sep. 1978 Sigmund W.P. Jähn (DDR), 1. Deutscher im All
12. April 1981 Start des ersten Space-Shuttles, also einer Raumfähre, bei der der größte Teil wieder verwendet werden kann.
28. Jan. 1986 Explosion der Raumfähre Challenger mit 7 Toten
1986 Start der Raumstation MIR
18. Okt. 1989 Start der Jupitersonde "Galileo", ein deutsch-amerikanisches Projekt, mit Hilfe der Raumfähre Atlantis
29. Okt. 1998 Im Alter von 77 Jahren nimmt John Glenn als bisher ältester Mensch an der Discovery- Mission STS-95 erfolgreich teil
Dez. 1998 1. Betreten von Teilen der Raumstation ISS
März 2001 Reste der MIR versinken im Pazifik
28. April 2001 Dennis Tito, 1. Weltraumtourist: Flug zur ISS
01. Febr. 2003 Die Raumfähre Columbia zerbricht beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre nach einer 16 tägigen Mission über Texas in rund 63 km Höhe mit 7 Besatzungsmitgliedern in mehrere Teile. Alle 7 Astronauten kommen ums Leben, darunter 2 Frauen und der erste Israeli im All, der Luftwaffenoberst Ilan Ramon.
21. Sept. 2003 Die am 18. Oktober 1989 gestartete Jupitersonde "Galileo" wird gezielt auf dem Jupiter zum Absturz gebracht
15. Okt. 2003 Die Chinesen starten als 3. Nation, nach der damaligen Sowjetunion und den USA, mit der Rakete "Langer Marsch 2F" und der Raumkapsel "Shenzou 5" in der Wüste Gobi ihren ersten bemannten Raumflug. Mit der Landung des Taikonauten Yang Liwei in der inneren Mongolei am 16. Oktober wurde die Mission nach rund 14 maliger Erdumrundung erfolgreich beendet. Nach der Bezeichnung Astronaut (USA), Kosmonaut (UdSSR, Russland) jetzt die Bezeichnung Taikonaut für chinesische Raumfahrer
25. Dez. 2003 Die ca. 60 kg schwere Marslandeeinheit "Beagle 2" landet auf dem Mars, um eine Reihe von Untersuchungen, so u.a. nach Wasser und einfachem Leben, durchzuführen. Sie wurde von der sich auf einer Umlaufbahn um den Mars befindlichen Marssonde "Mars-Express" abgekoppelt. Das europäische Marsprojekt der ESA war am 2. Juni 2003 von der Erde aus gestartet. Leider gab es mit der Landeeinheit auf dem Mars keinen Funkverkehr.
04. Jan. 2004 Das rund 175 kg schwere US- Marsfahrzeug "Spirit" der NASA landete auf dem Mars, um eine Reihe von Untersuchungen, so u.a. nach Wasser und einfachen Lebensformen sowie der Zusammensetzung von Gesteinen, durchzuführen. Im Gegensatz zur Beagle kann sie sich mittels 6 Rädern auf der Marsoberfläche fortbewegen. Bereits wenige Stunden nach ihrer Landung auf dem Mars sendete Spirit Bilder von ihrer Umgebung auf dem Mars mit überragender Qualität zur Erde.
25. Jan. 2004 Das US- Marsfahrzeug (Marsroboter) "Opportunity" der NASA landete auf dem Mars. Bereits wenige Stunden nach ihrer Landung auf dem Mars sendete Opportunity von der gegenüberliegenden Seite der Marsoberfläche Bilder mit derselben überragenden Qualität wie Spirit zur Erde.
02. März 2004 Vom Weltraumbahnhof Kourou der ESA in Französisch-Guayana startete das Projekt "Rosetta" mit einer Ariane-5-Plus Rakete. Die rund 3 Tonnen schwere Raumsonde soll im Jahr 2014 auf dem rund 4 km großen Kometen Tschurjunow-Gerasimenko landen, um über die Entstehung und Entwicklung des Kosmos bessere und vertiefende Informationen zu erhalten.

Strahlenbelastung

In der folgenden Tabelle ist die Zusammensetzung der die Erdatmosphäre treffenden Strahlung dargestellt. Man bezeichnet diese Strahlung als Primärstrahlung. Die durch diese Strahlung über Kernreaktionen erzeugte Strahlung wird als Sekundärstrahlung bezeichnet.

Zusammensetzung der die Erdatmosphäre treffenden Strahlung

Strahlungsart relativer Anteil
Protonen 93 %
Alphateilchen 6 %
schwere Kerne, Gammastrahlung 1 %

Die Energie der Protonen kann dabei über 1014 MeV = 1020 eV betragen.

Illustration: Strahlenbelastung im Weltall

Eine besonders hohe Strahlendosisleistung tritt in den so genannten inneren und äußeren van Allen-Gürteln auf. So kann die Dosisleistung im inneren van Allen-Gürtel hinter einer ca.3 mm dicken Aluminiumschicht bis zu 0,2 Sv = 200 mSv pro Stunde betragen. Im äußeren van Allen-Gürtel beträgt die Dosisleistung unter den gleichen Bedingungen 0,05 Sv = 50 mSv pro Stunde.

Die beiden van Allen-Gürtel "fangen," bedingt durch das Magnetfeld der Erde, aus dem Sonnenwind oder der kosmischen Strahlung stammende Teilchen ein. Sie bilden daher einen wichtigen Schutzschild gegen das Eindringen ionisierender Strahlung aus dem Kosmos auf die Erdoberfläche. In dem inneren van Allen-Gürtel befinden sich dabei hauptsächlich hochenergetische Protonen mit Energien von 10 - 100 MeV; er erstreckt sich in einer Höhe ab etwa 6.000 Kilometern über dem Äquator, wobei er im Bereich des Südatlantiks eine Eindellung , die bis auf ca. 200 km herabreicht, besitzt. Er wurde 1958 von James van Allen entdeckt. In dem äußeren van Allen-Gürtel, der sich in einer Höhe von etwa 20.000 Kilometern über dem Äquator an den inneren Gürtel anschließt, befinden sich hauptsächlich Elektronen mit einer mittleren Energie von ca. 1 MeV.

Einige der bei Raumflügen bei den Besatzungen aufgetretenen effektiven Dosen (Ganzkörperdosis) sind in der folgenden Tabelle dargestellt. Allgemein lässt sich feststellen, dass die tägliche effektive Dosisleistung in Höhen zwischen 300 und 520 km etwa zwischen 0,1 und 0,7 mSv liegt. Bei Flügen oberhalb des äußeren van Allen-Gürtels, also bei Mondflügen oder Flügen zum Mars, beträgt die effektive Dosisleistung ca. 0,7 - 1,5 mSv pro Tag. Zum Vergleich: die jährliche Dosis aus natürlichen Strahlenquellen beträgt auf Meereshöhe in Deutschland im Mittel 2,1 mSv, die durch künstliche Strahlenquellen, vor allem dem Röntgen, rund 2,5 mSv. Die bei einer CT-Untersuchung erhaltene Dosis beträgt im durchstrahlen Volumen zwischen 2 bis 10 mSv, bei einer Thoraxaufnahme ist die Dosis ca. 0,3 mSv.

Mission/Flugart Flugzeit in h Dosis in mSv
Apollo 7 (Erdumkreisung) 260 3,6
Saljut 6/IV (Erdumkreisung) 4.200 55
Apollo 8 (1. Mondumkreisung) 147 5,7
Apollo 11 (1. Mondlandung) 195 6,1
Apollo 12 (2. Mondlandung) 244 7,6
Apollo 13 (misslungene Mondlandung) 143 4,4
Apollo 14 (3. Mondlandung) 216 7,2
Apollo 15 (4.Mondlandung) 295 8,5
Apollo 16 (5. Mondlandung) 266 7,6
Apollo 17 (6. und letzte Mondlandung) 302 9,2

Bei starken Sonnenaktivitäten (Flares) bzw. Coronaren Mass Ejections (CME) können die Strahlendosisleistungen bis zu Stunden erheblich höhere Werte, und zwar bis zum Tausendfachen der sonstigen Werte, annehmen und zu einer großen Gefahr für die betroffenen Besatzungen werden. Im Wesentlichen werden dabei Röntgen-und Gammastrahlung, sowie Protonen und Elektronen frei gesetzt. So wurden in starken Flares Dosisleistungen bis zu 10 Sv pro Tag gemessen. Flares entstehen durch die Neuorientierung oder Verschmelzung von Magnetfeldern, die vor allem von Sonnenflecken ausgehen und weit in den Raum reichen. Sollten Astronauten in den Bereich derartig hoher Dosisleistungen geraten, würden sie das bei den derzeitig üblichen Abschirmungen der Raumfahrzeuge von rund 1cm Aluminium kaum überleben können. Daher spielen die möglichen Strahlenbelastungen der Astronauten bei den Planungen für einen bemannten Flug zum Mars eine entscheidende Rolle. Zum Schutz der Besatzungen bei einem derartigen mehrere Jahre dauernden Flug sind Schutzschilde in den Raumschiffen von mehreren cm Aluminium vorgesehen. Man rechnet bei einer derartigen Mission insgesamt mit einer Strahlenbelastung von 2 bis 4 Sv für die gesamte Zeit.

Im August 1972 kam es übrigens zum Auftreten eines starken Flares, und zwar glücklicherweise gerade zwischen den beiden bemannten Mondflügen von Apollo 16 (27. April Mondlandung) und Apollo 17 (10. Dezember Mondlandung). Eine der größten Flares wurde im März des Jahres 1989 beobachtet, dieses Flare führte über die Erwärmung und anschließende Ausdehnung der irdischen Lufthülle sogar zum Absturz des unbemannten Satelliten SMM (Solar Maximum Mission, gestartet 1980). Auch der Absturz der Weltraumlabors Skylab am 11. Juli 1979 (gestartet am 14. Mai 1973) aus einer Höhe von rund 435 km erfolgte vermutlich als Folge eines Flares.

Augenlinsentrübung, Katarakt

Im Jahr 2001 wurde von F.A. Cucinotta von der NASA in Houston ein Bericht veröffentlicht, in dem er die Untersuchung von 295 Astronauten der NASA auf eine Katarakt darstellte. Demnach litten von den 295 untersuchten Astronauten 48 an einer Linsentrübung des Auges (Katarakt), also weit mehr als in der Normalbevölkerung zu erwarten wären. Da die Strahlendosen der Astronauten im Bereich einiger zig bis maximal einiger hundert Millisievert lagen, ist das ein überraschendes Ergebnis, da die Toleranzdosen für das Auftreten einer Katarakt, z.B. in der Strahlentherapie, bei 8-10 Sievert = 8.000-10.000 mSv liegen. Man führt dieses Ergebnis auf die biologisch extrem gefährlichen hochenergetischen und stark ionisierenden Teilchenstrahlen zurück.

Es sei abschließend noch erwähnt, dass die NASA eine jährliche Höchstdosis von rund 200 mSv, also das Zwanzigfache der deutschen Strahlenschutzverordnung, für Ihre Astronauten zulässt. Die Lebensaltersdosis der Astronauten soll dabei ca. 400 mSv, die in etwa der der deutschen Strahlenschutzverordnung entspricht, nicht überschreiten. Wie oben erwähnt würden diese Werte bei einer Marsexpedition mit 2-4 Sv jedoch erheblich überschritten.

Weitere Informationen

Onmeda-Lesetipps:

Amerikanische Weltraumbehörde NASA (National Aeronautics and Space Administration)
www.nasa.gov

Eine gute Adresse für alle Fragen, die den Strahlenschutz betreffen:

Bundesamt für Strahlenschutz (BfS)
38201 Salzgitter
05341-8850
www.bfs.de

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
51147 Köln 02203-601-0
www.dlr.de