Schutzschilde erhöhen: Neue Ideen könnten aktiven Schutz möglich machen

Am 19. Oktober 1989 um 12:29 UTC erzeugte eine massive Sonneneruption der Klasse Wenn Sie zu diesem Zeitpunkt um den Mond geflogen wären, hätten Sie mehr als 6 Sievert Strahlung absorbiert, eine Dosis, die Sie wahrscheinlich innerhalb eines Monats oder so töten würde.

Aus diesem Grund verfügt die Raumsonde Orion, die dieses Jahr Menschen auf eine Vorbeiflugmission mitnehmen soll, über einen hochgeschützten Sturmschutz für die Besatzung. Doch für eine Reise zum Mars reichen solche Schutzräume nicht aus, da Orions Schild für eine 30-tägige Mission ausgelegt ist.

Um einen ähnlichen Schutz wie auf der Erde zu erreichen, wären Hunderte Tonnen Material erforderlich, und das ist im Orbit einfach nicht möglich. Die grundlegende Alternative – die Verwendung aktiver Abschirmungen, die geladene Teilchen genauso ablenken wie das Erdmagnetfeld – wurde erstmals in den 1960er Jahren vorgeschlagen. Heute sind wir endlich kurz davor, es zum Laufen zu bringen.

Weltraumstrahlung

Weltraumstrahlung gibt es in zwei verschiedenen Varianten. Sonnenereignisse wie Flares oder koronale Massenauswürfe können sehr hohe Flüsse geladener Teilchen (hauptsächlich Protonen) verursachen. Sie sind schlecht, wenn man keinen Schutz hat, aber man kann sich relativ leicht dagegen schützen, da Sonnenprotonen größtenteils energiearm sind. Die meisten solaren Teilchenflüsse liegen zwischen 30 MeV und 100 MeV und können durch Orion-ähnliche Schutzräume gestoppt werden.

Dann gibt es noch die galaktische kosmische Strahlung: Teilchen, die von außerhalb des Sonnensystems kommen und von fernen Supernovae oder Neutronensternen angetrieben werden. Diese sind relativ selten, kommen aber ständig aus allen Richtungen auf Sie zu. Sie haben außerdem hohe Energien, die bei 200 MeV beginnen und bis zu mehreren GeV reichen, was sie sehr durchdringend macht. Dicke Blöcke bieten keinen großen Schutz dagegen. Wenn hochenergetische Teilchen der kosmischen Strahlung mit dünnen Abschirmungen kollidieren, produzieren sie so viele niederenergetische Teilchen, dass es besser wäre, überhaupt keine Abschirmung zu haben.

Teilchen mit einer Energie zwischen 70 und 500 MeV sind für 95 % der Strahlungsdosis verantwortlich, die Astronauten im Weltraum erhalten. Auf Kurzstreckenflügen sind Sonnenstürme die größte Sorge, da sie sehr heftig sein und sehr schnell große Schäden anrichten können. Je länger Sie jedoch fliegen, desto problematischer werden GCRs, da ihre Dosen mit der Zeit ansteigen und sie fast alles durchdringen können, was wir ihnen in den Weg stellen wollen.

Was uns zu Hause schützt

Der Grund dafür, dass so gut wie keine Strahlung bei uns ankommt, liegt darin, dass die Erde über ein natürliches, mehrstufiges Schutzsystem verfügt. Es beginnt mit seinem Magnetfeld, das die meisten ankommenden Teilchen in Richtung der Pole ablenkt. Ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld folgt einer Kurve. Je stärker das Feld, desto enger ist die Kurve. Das Erdmagnetfeld ist so schwach, dass es einfallende Teilchen kaum ablenkt, aber es ist riesig und erstreckt sich über Tausende von Kilometern in den Weltraum.

Alles, was das Magnetfeld passiert, gelangt in die Atmosphäre, was in puncto Schutz einer 3 Meter dicken Aluminiumwand entspricht. Schließlich ist da noch der Planet selbst, der die Strahlung halbiert, da ihn immer 6,5 Milliarden Billionen Tonnen Gestein von der Unterseite abschirmen.

Um das ins rechte Licht zu rücken: Das Apollo-Besatzungsmodul hatte durchschnittlich 5 Gramm Masse pro Quadratzentimeter zwischen der Besatzung und der Strahlung. Ein typisches ISS-Modul enthält das Doppelte, etwa 10 g/cm2. Orions Schutzraum wiegt 35–45 g/cm2, je nachdem, wo Sie genau sitzen, und wiegt 36 Tonnen. Auf der Erde erzeugt allein die Atmosphäre 810 g/cm2, fast 20-mal mehr als unser am besten geschütztes Raumschiff.

Die beiden Möglichkeiten bestehen darin, mehr Masse hinzuzufügen – was schnell teuer wird – oder die Dauer der Mission zu verkürzen, was nicht immer möglich ist. Eine Lösung mit negativer Massenstrahlung reicht also bei längeren Missionen nicht aus, selbst mit den besten Abschirmmaterialien wie Polyethylen oder Wasser. Deshalb liegt die Entwicklung einer miniaturisierten, tragbaren Version des Erdmagnetfelds seit den Anfängen der Weltraumforschung auf dem Tisch. Leider haben wir festgestellt, dass dies viel leichter gesagt als getan ist.