Jak przypomina Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie w przesłanym komunikacie, spośród licznych zagrożeń, czyhających na astronautów podejmujących dalekie podróże kosmiczne, do najpoważniejszych i jednocześnie najtrudniejszych do wyeliminowania należy ekspozycja na szkodliwe dawki promieniowania kosmicznego.

W zapewnieniu bezpieczeństwa przyszłym pionierom odległego kosmosu pomogą dane zebrane podczas eksperymentu MARE (MATROSHKA AstroRad Radiation Experiment). W jego ramach wewnątrz statku Orion misji Artemis I umieszczono dwa ludzkie fantomy wyposażone w liczne detektory promieniowania kosmicznego. Na zaproszenie Niemieckiego Centrum Kosmicznego (DLR) w Kolonii, koordynatora projektu MARE, w eksperymencie uczestniczy IFJ PAN.

„MARE to kontynuacja serii doświadczeń zrealizowanych na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w latach 2004-2009 w ramach projektu MATROSHKA, w którym także uczestniczyliśmy. Wtedy dane dotyczące dawek promieniowania z konieczności zbierano na niskiej orbicie wokółziemskiej. Teraz, dzięki amerykańskiej misji Artemis I, nafaszerowane detektorami promieniowania ludzkie fantomy po raz pierwszy trafiły poza ochronny zasięg nie tylko ziemskiej atmosfery, ale i magnetosfery" - mówi prof. dr hab. Paweł Bilski (IFJ PAN), cytowany w komunikacie.

Jak przypomniano, głównym celem NASA podczas misji Artemis I było przetestowanie statku załogowego Orion w locie wokółksiężycowym bez załogi. Brak pasażerów postanowiono wykorzystać do zweryfikowania współczesnej wiedzy o wpływie promieniowania kosmicznego na ludzkie ciało. W rezultacie wewnątrz Oriona zostały umieszczone dwa żeńskie fantomy o nazwach HELGA i ZOHAR, każdy o wadze 39 kg. Na fantom ZOHAR założono pancerz ochronny AstroRad, wyprodukowany przez izraelską firmę StemRad.

Aby zdobyć informację o dawkach promieniowania kosmicznego pochłanianych przez poszczególne części ludzkiego ciała, w całej objętości fantomów co trzy centymetry rozmieszczono od czterech do sześciu niewielkich, pasywnych detektorów promieniowania z fluorku litu. Dodatkowo w miejscach najważniejszych organów zostały zainstalowane aktywne detektory krzemowe. Łącznie w obu fantomach zamontowano ponad dziesięć tysięcy detektorów pasywnych i 34 aktywne - informuje IFJ PAN.

„Wkład naszego instytutu w eksperyment MARE to przede wszystkim 276 pasywnych detektorów termoluminescencyjnych w fantomie ZOHAR oraz dalszych 288 detektorów w 12 pakietach pomiarowych na powierzchni obu fantomów. Detektory te mają postać cienkich, białych pastylek o średnicy kilku milimetrów" - wyjaśnia prof. Bilski. Głównym materiałem używanym do produkcji detektorów z IFJ PAN jest fluorek litu wzbogacony o starannie dobrane domieszki.

Jak wskazano, odczyt dawki promieniowania zarejestrowanej przez detektor z fluorku litu jest możliwy dzięki zjawisku termoluminescencji. W laboratorium poszczególne detektory stopniowo podgrzewa się do temperatury kilkuset stopni Celsjusza. Dostarczona energia powoduje, że elektrony zaczynają wyskakiwać z kolejnych metastabilnych pułapek energetycznych. Część z nich szybko rekombinuje, czemu towarzyszy emisja fotonów. W rezultacie pojawia się świecenie, przez fizyków nazywane termoluminescencją.

„Nasze detektory z fluorku litu działają w ten sposób, że ilość światła emitowanego przy ich podgrzewaniu jest proporcjonalna do dawki zdeponowanej przez cząstki promieniowania kosmicznego, które weszły w oddziaływanie z materiałem. Odczyt informacji jest więc wiarygodny i stosunkowo prosty, aczkolwiek nietrywialny. Różne pułapki w materiale mają bowiem różne właściwości i opróżniają się w różnych temperaturach" - wyjaśnia prof. Bilski.

Pomiary w ramach eksperymentu MARE mają przede wszystkim zweryfikować dotychczasową wiedzę o wpływie promieniowania kosmicznego na organizm człowieka. Priorytetem jest redukcja do minimum zagrożeń dla astronautów, ale badania mają także wymiar czysto praktyczny. Chodzi bowiem o to, aby nadmiernie restrykcyjne normy bezpieczeństwa nie ograniczały ludzkiej aktywności w dalekim kosmosie - podkreśla IFJ PAN.

Jeśli powrót statku Orion misji Artemis I zakończy się sukcesem, detektory z fantomów ZOHAR i HELGA wkrótce wrócą do IFJ PAN w celu odczytania danych. Wstępne wyniki dotyczące zarejestrowanych przez nie dawek promieniowania kosmicznego zostaną przedstawione przez międzynarodowy zespół eksperymentu MARE w pierwszych miesiącach przyszłego roku.

Statek Orion został wystrzelony z Ziemi 16 listopada 2022 r. przy pomocy rakiety Space Launch System (SLS). 21 listopada zbliżył się na 130 km do powierzchni Księżyca. Z kolei 25 listopada dokonał manewru wejścia na bardziej oddaloną orbitę wokół Księżyca z najdalszym punktem odległym o 92 tysiące kilometrów.