Een team van onderzoekers van het University of Rochester Medical Center (URMC) in New York heeft de resultaten van hun onderzoek bekendgemaakt. Langdurige astronauten in de ruimte, bijvoorbeeld tijdens een vlucht naar Mars, kunnen door galactische straling tot gezondheidsproblemen leiden. In het bijzonder tot hersendegeneratie en mogelijk zelfs het begin van de ziekte van Alzheimer.
Eerder, in 2012, werden vergelijkbare bevindingen gerapporteerd door Russische wetenschappers. Zoals Natalia Teryaeva in de krant Ploshchad Mira schrijft: “Als je op een Mars-expeditie vliegt in een modern ruimtevaartuig, duurt de vlucht minstens 500 dagen. Tijdens deze periode van de ruimtemissie kan de gezondheid van de astronauten onherstelbaar verloren gaan.
Dit wordt bewezen door de resultaten van studies door Russische radiobiologen en fysiologen, die werden besproken in het Joint Institute for Nuclear Research (JINR) tijdens een bezoekende bijeenkomst van het Bureau van de afdeling Fysiologie en Fundamentele Geneeskunde van de Russische Academie van Wetenschappen.
Wetenschappers zien het grootste gevaar in galactische straling: het kan een persoon het gezichtsvermogen en de rede ontnemen, zonder welke het niet mogelijk is om het doel te bereiken of naar huis terug te keren.
De uitspraken van onderzoekers over het gevaar van zware ionen voor het organisme van astronauten zijn niet speculatief, ze zijn gebaseerd op gegevens van acceleratorexperimenten met dieren uitgevoerd in het Laboratorium voor Stralingsbiologie van het Joint Institute for Nuclear Research (LRB JINR) in samenwerking met het Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences (IMPB RAS), het Institute of Biochemistry RAS (IBCh RAS) en in samenwerking met biologen van de American National Space Agency (NASA).
Zware ionen zijn enger dan protonen
In de diepe ruimte - buiten het magnetische veld van de aarde - ligt de mens op de loer.
Promotie video:
"Galactische kosmische straling zijn stromen van elementaire deeltjes - lichte en zware ionen", legt Mikhail Panasyuk, directeur van het Skobeltsyn Research Institute of Nuclear Physics (SINP MSU), uit. - Atomen van kosmische straling zijn verstoken van elektronenschillen, in feite zijn het "naakte" kernen. De reden hiervoor is de interactie met materie tijdens het proces van hun overdracht in het universum. Het meest voorkomende element van kosmische straling is waterstof, en zijn ionen zijn protonen. Deze deeltjes worden versneld door schokgolven - de overblijfselen van supernova-explosies. Dergelijke sterren ontploffen niet vaker dan eens in de 30-50 jaar in onze Melkweg.
De deeltjesstroom van galactische kosmische straling is constant, in tegenstelling tot kosmische zonnestralen, die tijdens zonnevlammen op de zon of in het interplanetaire medium worden gegenereerd. Hierdoor is de totale bijdrage van kosmische zonnestralen gedurende een lange tijd onbeduidend. Maar tijdens zonnevlammen (gedurende enkele uren, dagen) kan de flux van kosmische zonnestralen de flux van galactische kosmische straling overtreffen. Bovendien is de energie van deeltjes van kosmische zonnestralen in de regel minder dan die van deeltjes van galactische kosmische straling. Er zijn ook extragalactische kosmische straling die onze Melkweg binnenkomt vanuit andere melkwegstelsels. Hun energie is groter dan die van galactische kosmische straling, maar de fluxen zijn veel minder. Kosmische straling heeft een enorm energiebereik: van 106 (1 MeV) tot 1021 eV (1 ZeV)."
De energie-massaspectrometers die op ruimteonderzoekssatellieten waren geïnstalleerd, registreerden de samenstelling van kosmische straling. Het bleek dat iets minder dan een procent van alle deeltjes van galactische straling zware ionen zijn met een energie van 300 - 500 MeV / nucleon - de kernen van zware chemische elementen. De fractie lichte en zware ionen van galactische straling bevat de meeste ionen van koolstof, zuurstof en ijzer - van deze stabiele elementen worden sterrenkernen gevormd als gevolg van de evolutie van sterren.
De resultaten van metingen aan ruimtesatellieten dienden als basis voor verdere modelberekeningen, waaruit bleek dat buiten de magnetosfeer van de aarde ongeveer 105 zware ionen per vierkante centimeter oppervlak per jaar vallen, en ongeveer 160 deeltjes met een lading Z groter dan 20. Dit betekent dat tijdens een vlucht naar Mars in elke dag vallen er zo'n aantal op een vierkante centimeter van het lichaamsoppervlak van de kosmonaut.
Ruimte-zware ionen zijn zo energiek dat ze de huid van een modern ruimtevaartuig in de ruimte "doorboren", zoals kanonskogels die fijne zijde bombarderen. Wetenschappers van het Laboratorium voor Stralingsbiologie van JINR hebben ontdekt hoe dit de gezondheid van de boodschappers van de aarde tijdens een lange reis kan schaden.
Naar Mars - door aanraking?
"We zijn erin geslaagd erachter te komen waarom dezelfde doses verschillende straling (zware ionenflux, neutronen, gammastraling) verschillende effecten hebben op levende cellen", zegt Evgeny Krasavin, directeur van de LRB JINR, corresponderend RAS-lid. - Het bleek dat de verschillen in de effectiviteit van de werking van verschillende straling verband houden met zowel de fysische eigenschappen van de straling als de biologische eigenschappen van de levende cel zelf - het vermogen om DNA-schade na bestraling te herstellen. Bij experimenten met zware ionenversnellers vonden we dat de ernstigste DNA-schade optreedt onder invloed van zware ionen. Het verschil tussen de impact van röntgenstralen (een bundel fotonen) en een bundel zware ionen kan je als volgt voorstellen: een klein schot van een geweer in een muur schieten is schade door röntgenstralen,een kanonskogel op dezelfde muur schieten is vernietiging door één zwaar ion. Zware deeltjes, die een grote massa hebben, verliezen veel meer van hun energie per eenheid afgelegde afstand dan hun lichtere tegenhangers. Dat is de reden waarom een zwaar ion onderweg door de cel een grote vernietiging veroorzaakt. Wanneer een zwaar deeltje door de celkern gaat, wordt een "clustertype" laesie gevormd met meerdere breuken van chemische bindingen in het DNA-fragment. Ze veroorzaken verschillende soorten ernstige chromosomale schade in de celkernen. "Wanneer een zwaar deeltje door de celkern gaat, worden "clustertype" laesies gevormd met meerdere breuken van chemische bindingen in het DNA-fragment. Ze veroorzaken verschillende soorten ernstige chromosomale schade in de celkernen. "Wanneer een zwaar deeltje door de celkern gaat, worden "clustertype" laesies gevormd met meerdere breuken van chemische bindingen in het DNA-fragment. Ze veroorzaken verschillende soorten ernstige chromosomale schade in de celkernen."
Verder was de logica van het redeneren van wetenschappers als volgt. Waterstofionen (protonen) met een energie van 200-300 MeV / nucleon hebben de tijd om door een pad van 11 cm lang in water te rennen voordat ze volledig afremmen. Het menselijk lichaam bestaat voor 90% uit water. Als we dit resultaat extrapoleren naar een levend menselijk lichaam, komen we tot de conclusie: zelfs lichtionen die onderweg zijn, kunnen duizenden cellen in ons lichaam beschadigen. Bij zware ionen met een lading van meer dan 20 mag een nog slechter gezondheidsresultaat worden verwacht.
Welke menselijke organen kunnen het meest ernstig en levensbedreigend worden beschadigd door galactische zware ionen?
- Als je nadenkt over actief prolifererende - snel vernieuwende - lichaamsweefsels, zoals bloed of huid, dan zal hun schade door natuurlijke eigenschappen snel herstellen, - legt de directeur van de LRB JINR Yevgeny Krasavin uit. - Maar op statische weefsels - het centrale zenuwstelsel, ogen, die niet het natuurlijke vermogen hebben om snel schade te herstellen, zal de constante stroom van zware ionen een schadelijk effect hebben in lagen, waardoor regelmatige celdood ontstaat. Maar het centrale zenuwstelsel en het oog zijn de controle "chips" van ons lichaam.
In experimenten met dieren in Dubna bestudeerde een groep radiobiologen onder leiding van de academicus van de Russische Academie van Wetenschappen Mikhail Ostrovsky de mechanismen van het effect van zware ionen op de structuren van het oog - de lens, het netvlies en het hoornvlies. Bij de JINR-versnellers werden muizen en oplossingen van kristallinen (eiwitten) van hun lens bestraald met protonenbundels van 100-200 MeV.
"De lens van het oog van mensen en gewervelde dieren bestaat voor 90% uit alfa-, bèta- en gamma-kristallinen", zei academicus Ostrovsky in zijn toespraak tijdens een bezoekende bijeenkomst van het Bureau van de afdeling Fysische Wiskunde en Mechanica van de Russische Academie van Wetenschappen. - De inhoud van deze eiwitten in de lens is ongeveer hetzelfde, maar ze verschillen significant in structuur en molecuulgewicht. Blootstelling aan ultraviolette straling of straling kan kristallijne aggregatie veroorzaken - het verschijnen van ondoorzichtige vezels in de lens. Als gevolg van aggregatie worden grote lichtverstrooiende conglomeraten gevormd, die leiden tot vertroebeling van de lens, dat wil zeggen tot de ontwikkeling van cataract. Als ze door de lens van het oog gaan, kunnen zelfs enkele zware ionen na een tijdje troebel worden.
Keer terug naar de aarde als een Homo sapiens
Het minst van alle radiobiologen hebben het schadelijke effect van zware ionen op het centrale zenuwstelsel bestudeerd. Volgens NASA-experts zal tijdens een missie naar Mars 2 tot 13 procent van de zenuwcellen worden doorkruist door ten minste één ijzerion. En elke drie dagen vliegt er één proton door de kern van elke cel van het lichaam. Er bestaat dus een ernstig gevaar voor onomkeerbare schendingen van de gedragsreacties van de scheepsbemanning. Dit brengt de algehele missie in gevaar. De hersenen zijn een zeer delicaat instrument en verstoring van kleine delen ervan kan leiden tot verlies van het functioneren van het hele lichaam, zoals het geval is bij mensen die een beroerte hebben gehad of mensen die aan de ziekte van Alzheimer lijden.
In het NASA Space Radiation Laboratory in Brookhaven werd met behulp van een bundel ijzerionen versneld tot een energie van 1 GeV / nucleon galactische straling gesimuleerd op de voorversneller van zware ionen van de RHIC-collider in Brookhaven National Laboratory. Het rattenexperiment werd de "cognitieve test" genoemd. Een klein stevig gebied werd in een rond zwembad onder een dunne laag ondoorzichtig water geplaatst. Laboratoriumratten, eerst gezond en daarna bestraald met bundels ijzerionen, werden in deze poel gelanceerd en volgden hoe snel de dieren dit gebied konden vinden en erop konden klimmen. Gezonde ratten vonden de plek snel en liepen er langs het kortste pad naar toe. Bestraling met zware ionen veranderde de cognitieve functies (leervermogen) van dieren dramatisch. Een maand na de bestraling veranderde het gedrag van de rat drastisch. Ze maakte een luslange tijd cirkelde ze rond het zwembad, totdat ze bijna per ongeluk de vaste grond onder haar voeten voelde. Het denkvermogen van het dier was ernstig aangetast. Dit effect werd niet waargenomen wanneer ratten werden bestraald met röntgen- en gammastraling.
Om de mogelijke gevolgen van bestraling van het menselijk lichaam met zware ionen weer te geven, is het volgens de onderzoekers nodig om het model van kosmisch gevaar op primaten te 'spelen'. Desalniettemin is de schade die knaagdieren aan het licht brengen door de effecten van galactische straling van zware ionen overtuigend genoeg om er niet aan te denken bij het plannen van mensen op een lange vlucht naar Mars.
Hoe u problemen kunt vermijden
Uit wat natuurkundigen en biologen vandaag weten, volgt hieruit dat het risico van stralingsschade voor astronauten niet tot nul kan worden teruggebracht tijdens een reis van meer dan een jaar naar Mars. Methoden om dit risico te verkleinen bestaan tot dusver in de vorm van ideeën.
Eerste idee: een vlucht naar Mars plannen tijdens de maximale zonnecyclus. Op dit moment zal de flux van galactische kosmische straling minder zijn vanwege het feit dat het interplanetaire magnetische veld van het zonnestelsel de banen van galactische kosmische straling zal buigen, in een poging de intensiteit van hun deeltjes te verminderen en deeltjes met energieën van minder dan 400 MeV / nucleon uit het zonnestelsel te 'vegen'.
Het tweede idee is om de stralingsdosis van galactische straling aanzienlijk te verminderen met behulp van betrouwbare bescherming van het schip en om in de structuur van het schip een speciale compartimentschuilplaats te bieden met krachtigere bescherming tegen krachtige stromen van onvoorspelbare zonnewind. Er worden al nieuwe soorten beschermende materialen ontwikkeld die effectiever zouden worden dan het huidige aluminium, bijvoorbeeld waterstofhoudende kunststoffen zoals polyethyleen. Met hun hulp is het mogelijk om een bescherming te creëren die in staat is om de stralingsdosis met 30 - 35% te verminderen bij een dikte van 7 cm. Toegegeven, dit is niet genoeg, zeggen wetenschappers, de dikte van de beschermende laag moet worden vergroot. En als het niet werkt, verkort dan de vluchtduur aanzienlijk - zeg maar tot 100 dagen. Honderd dagen is tot dusver alleen intuïtief gerechtvaardigd. Maar je moet in ieder geval sneller vliegen.
Het derde idee: de piloten van het Mars-ruimtevaartuig voorzien van effectieve bestralingsmedicijnen die de banden tussen DNA-eiwitten aanzienlijk zouden kunnen versterken, waardoor hun kwetsbaarheid voor zware ionenbombardementen afneemt.
Het vierde idee: een kunstmatig magnetisch veld creëren rond het ruimtevaartuig, vergelijkbaar met het aardmagnetische veld. Er is een project voor een supergeleidende ringkernmagneet, waarvan binnen en buiten het veld de nul nadert, om de gezondheid van astronauten niet te schaden. Het krachtige veld van zo'n magneet zou een groot deel van de kosmische protonen en kernen van het ruimtevaartuig moeten afleiden en de stralingsdosis tijdens de expeditie naar Mars met 3-4 keer moeten verminderen. Het prototype van zo'n magneet is al gemaakt en zal worden gebruikt in een experiment om kosmische straling aan boord van het International Space Station te bestuderen.
Maar totdat de ideeën om de bemanning van Mars te beschermen hun belichaming niet hebben gevonden, is er volgens radiobiologen maar één uitweg: gedetailleerde radiobiologische studies uitvoeren in terrestrische omstandigheden op zware ionenversnellers, waarmee onder aardse omstandigheden het schadelijke effect kan worden gesimuleerd van hoogenergetische zware kernen die uit de diepten van de melkweg komen. Tot dergelijke unieke versnellers behoren de Nuclotron van het JINR High Energy Physics Laboratory en het NICA-collidercomplex dat op basis daarvan wordt gecreëerd. Wetenschappers hebben grote verwachtingen van de mogelijkheden van deze installaties.
En als we haast hebben om naar Mars te vliegen, dan is het ofwel tijd om snellere ruimteschepen te bouwen, of om de dromen van bemande vluchten in de diepe ruimte voorlopig achter te laten. Laat de robots voorlopig reizen.