Schilden opwerpen: nieuwe ideeën kunnen actieve bescherming levensvatbaar maken

Op 19 oktober 1989, om 12:29 UTC, veroorzaakte een enorme zonnevlam van klasse X13 een geomagnetische storm die zo krachtig was dat het noorderlicht de hemel in Japan, Amerika, Australië en zelfs Duitsland de volgende dag verlichtte. Als je op dat moment rond de maan had gevlogen, zou je meer dan 6 sievert aan straling hebben geabsorbeerd, een dosis die je waarschijnlijk binnen ongeveer een maand zou doden.

Dat is de reden waarom het Orion-ruimtevaartuig, dat dit jaar mensen op een flyby-missie moet brengen, een goed beschermde stormschuilplaats voor de bemanning heeft. Maar dergelijke schuilplaatsen zijn niet genoeg voor een reis naar Mars, aangezien het schild van Orion is ontworpen voor een missie van 30 dagen.

Om bescherming te verkrijgen die vergelijkbaar is met die van de aarde zou honderden tonnen materiaal nodig zijn, en dit is eenvoudigweg niet mogelijk in een baan om de aarde. Het basisalternatief – het gebruik van actieve schilden die geladen deeltjes afbuigen, net zoals het magnetische veld van de aarde dat doet – werd voor het eerst voorgesteld in de jaren zestig. Vandaag zijn we er eindelijk dichtbij om het te laten werken.

Straling in de diepe ruimte

Ruimtestraling is er in twee verschillende smaken. Zonnegebeurtenissen zoals uitbarstingen of coronale massa-uitstoot kunnen zeer hoge fluxen van geladen deeltjes (voornamelijk protonen) veroorzaken. Ze zijn slecht als je geen beschutting hebt, maar je kunt je er relatief gemakkelijk tegen beschermen, omdat zonneprotonen meestal weinig energie verbruiken. Het merendeel van de fluxen van zonnedeeltjes ligt tussen de 30 MeV en 100 MeV en kan worden tegengehouden door Orion-achtige schuilplaatsen.

Dan zijn er galactische kosmische straling: deeltjes die van buiten het zonnestelsel komen, aangedreven door verre supernova’s of neutronensterren. Deze zijn relatief zeldzaam, maar ze komen de hele tijd vanuit alle richtingen op je af. Ze hebben ook een hoge energie, beginnend bij 200 MeV en oplopend tot enkele GeV, waardoor ze zeer doordringend zijn. Dikke blokken bieden daar niet veel bescherming tegen. Wanneer hoogenergetische kosmische stralingsdeeltjes botsen met dunne schilden, produceren ze zoveel laagenergetische deeltjes dat het beter zou zijn om helemaal geen schild te hebben.

Deeltjes met een energie tussen 70 en 500 MeV zijn verantwoordelijk voor 95% van de stralingsdosis die astronauten in de ruimte ontvangen. Op korte vluchten zijn zonnestormen de grootste zorg, omdat ze zeer gewelddadig kunnen zijn en zeer snel veel schade kunnen aanrichten. Hoe langer je echter vliegt, hoe problematischer GCR's worden, omdat hun doses in de loop van de tijd toenemen en ze bijna alles kunnen doorstaan ​​wat we hen in de weg proberen te leggen.

Wat houdt ons veilig thuis

De reden waarom bijna niets van deze straling ons bereikt, is dat de aarde over een natuurlijk, meertrapsbeschermingssysteem beschikt. Het begint met zijn magnetisch veld, dat de meeste binnenkomende deeltjes naar de polen afbuigt. Een geladen deeltje in een magnetisch veld volgt een curve, hoe sterker het veld, hoe strakker de curve. Het magnetische veld van de aarde is zo zwak dat het binnenkomende deeltjes nauwelijks buigt, maar het is enorm groot en strekt zich duizenden kilometers de ruimte in.

Alles wat door het magnetische veld gaat, komt terecht in de atmosfeer, wat qua bescherming gelijk staat aan een aluminium wand van drie meter dik. Ten slotte is er de planeet zelf, die de straling halveert omdat er altijd 6,5 miljard biljoen ton gesteente is dat je van de bodem beschermt.

Om dat in perspectief te plaatsen: de Apollo-bemanningsmodule had een gemiddelde massa van 5 gram per vierkante centimeter tussen de bemanning en de straling. Een typische ISS-module bevat het dubbele, ongeveer 10 g/cm2. De schuilplaats van Orion weegt 35-45 g/cm2, afhankelijk van waar je precies zit, en weegt 36 ton. Op aarde levert de atmosfeer alleen al 810 g/cm2 op, bijna 20 keer meer dan ons best beschermde ruimtevaartuig.

De twee opties zijn meer massa toevoegen – wat snel duur wordt – of de duur van de missie verkorten, wat niet altijd mogelijk is. Een oplossing voor negatieve massastraling is dus niet voldoende voor langere missies, zelfs niet met de beste afschermingsmaterialen zoals polyethyleen of water. Dat is de reden waarom het maken van een geminiaturiseerde, draagbare versie van het magnetische veld van de aarde al sinds de begindagen van de ruimteverkenning op tafel ligt. Helaas hebben we ontdekt dat dit veel gemakkelijker gezegd dan gedaan is.