Al di là dell'orbita terrestre, gli astronauti si trovano ad affrontare le particelle ionizzanti cosmiche che consistono in tre pericoli sovrapposti: particelle intrappolate nelle fasce di Van Allen, particelle da eventi solari (SPE) e i raggi cosmici galattici (GCR) provenienti dall'esterno del sistema solare. Le fasce di Van Allen sono situate nella plasmasfera, che è la parte più interna della magnetosfera e si trova subito al di fuori della ionosfera, fino a una distanza che oscilla tra i 27000 e i 48000 km dal suolo. In questa zona, la densità di particelle cariche ed energetiche è molto superiore rispetto allo spazio esterno, tuttavia la navicella spaziale le attraversa abbastanza rapidamente. Gli eventi di particelle solari sono intermittenti, ma possono essere molto più pericolosi; infatti possono aumentare bruscamente i livelli di dose radioattiva assorbita nel giro di poche ore. I raggi cosmici galattici invece rappresentano il rumore di fondo costante: un campo a basso dosaggio di particelle ad altissima energia, principalmente protoni ma anche ioni pesanti, presenti persistentemente e notoriamente difficili da schermare.

Artemis II ha viaggiato nella fase di instabilità successiva al massimo del Ciclo Solare 25, il che crea un certo paradosso: il fondo costante di raggi cosmici galattici è leggermente inferiore in prossimità del massimo solare, ma la probabilità di una tempesta solare dirompente è maggiore. Una tempesta di protoni solari e un campo di fondo di ioni pesanti rappresentano quindi problemi biologicamente diversi, anche se un dato complessivo potrebbe farli sembrare comparabili. I team che si occupano di radiazioni si concentrano pertanto su grandezze legate alla qualità delle radiazioni, come il trasferimento lineare di energia, poiché le particelle ad alta densità di ionizzazione causano danni biologici maggiori rispetto alla stessa dose assorbita da radiazioni a bassa densità di ionizzazione. La schermatura della navicella aggiunge un ulteriore livello di complessità. Nel caso di eventi di protoni solari, il materiale aggiuntivo è di grande aiuto. Invece nel caso dei raggi cosmici galattici, il beneficio diventa controproducente: quando ioni ad alta energia colpiscono la parete del veicolo spaziale possono frammentarsi e generare radiazioni secondarie, inclusi i neutroni, pertanto le interazioni con eventuale schermatura generano particelle secondarie che complicano ulteriormente il quadro.

Artemis II (credits: NASA)

Artemis I aveva già dimostrato perché questa sfumatura è importante. La missione senza equipaggio aveva rilevato che la schermatura di Orion era efficace per un volo lunare, ma l'esposizione variava a seconda della posizione all'interno della cabina e dell'orientamento del veicolo spaziale. Durante un passaggio attraverso le fasce di Van Allen, un cambio di orientamento durante l'accensione di un motore ha ridotto i livelli di radiazione misurati di quasi la metà. La protezione dalle radiazioni nello spazio profondo è quindi in parte un problema di materiali, ma è anche un problema di geometria e di operazioni, e nonostante le missioni Apollo avevano a bordo qualche strumento di analisi (e.g. ALFMED), Artemis II è stata la prima missione a mappare questa geometria con equipaggio a bordo. Orion ha trasportato sei misuratori elettronici ibridi di radiazioni, dosimetri attivi indossati dagli astronauti, e una versione aggiornata dei rivelatori M-42 EXT del Centro aerospaziale tedesco (German Space Agency DLR https://www.dlr.de/en/me) con una risoluzione energetica molto più elevata rispetto alla versione che ospitava Artemis I. Questi rivelatori forniscono misurazioni risolute nel tempo, dell'ambiente in cui l'equipaggio vive e lavora effettivamente. L'esposizione alle radiazioni sulla Luna è circa 800 volte superiore a quella sulla Terra, dove il campo magnetico e l'atmosfera agiscono come uno scudo protettivo contro le radiazioni cosmiche. Un soggiorno prolungato sulla Luna comporterebbe quindi un elevato livello di esposizione per il corpo umano. I dosimetri M-42 pesano solo 250 grammi, sono lunghi circa 20 centimetri e possono trasmettere la lettura della radiazione a terra durante i voli sulla Luna e dalla superficie lunare.

I sensori M42 (credits: DLR)

Artemis I

Durante la missione senza equipaggio Artemis I, i ricercatori della NASA, insieme a diversi collaboratori, hanno trasportato a bordo di Orion degli strumenti per misurare la potenziale esposizione alle radiazioni degli astronauti. In totale, le misurazioni delle radiazioni all'interno di Orion sono state effettuate da 5.600 sensori passivi e 34 rilevatori di radiazioni attivi durante la sua missione di 25,5 giorni attorno alla Luna e ritorno, fornendo dati importanti sull'esposizione all'interno della fascia di radiazione di Van Allen terrestre. Questi risultati dettagliati sono stati pubblicati in un recente articolo scientifico, frutto della collaborazione tra lo Space Radiation Analysis Group della NASA, il DLR (Centro Spaziale Tedesco) e l'ESA (Agenzia Spaziale Europea). Le misurazioni dimostrano che, sebbene l'esposizione alle radiazioni possa variare a seconda della posizione all'interno di Orion, la navicella spaziale è in grado di proteggere il suo equipaggio da livelli di radiazioni potenzialmente pericolosi durante le missioni lunari. Tra gli strumenti utilizzati per misurare le radiazioni all'interno di Orion figurano l'HERA (Hybrid Electronic Radiation Assessor), il Crew Active Dosimeter della NASA (già testato sulla Stazione Spaziale Internazionale), e l'Active Dosimeter dell'ESA. Il sensore di radiazioni di HERA può avvisare i membri dell'equipaggio della necessità di mettersi al riparo in caso di evento radioattivo, come un'eruzione solare. Il dosimetro attivo per l'equipaggio (CRE) può raccogliere dati in tempo reale sulla dose di radiazioni a cui sono esposti gli astronauti e trasmetterli sulla Terra per il monitoraggio. Le misurazioni delle radiazioni sono state effettuate in diverse aree della navicella, ognuna con un diverso livello di schermatura. Inoltre, l'esperimento Matroshka AstroRad Radiation Experiment (MARE), una collaborazione tra NASA e DLR, ha utilizzato 12.000 rivelatori passivi e 6 rivelatori attivi posizionati sopra e all'interno di due manichini Helga e Zohar, a grandezza naturale per simulare l'impatto delle radiazioni sui tessuti umani. Questi manichini hanno volato a bordo della Orion e hanno permesso di misurare le dosi di radiazioni su diverse parti del corpo, fornendo preziose informazioni su come le radiazioni potrebbero influenzare gli astronauti in viaggio nello spazio profondo. I ricercatori hanno scoperto che il design di Orion può proteggere il suo equipaggio da livelli di radiazioni potenzialmente pericolosi durante le missioni lunari. Sebbene la schermatura dalle radiazioni della navicella sia efficace, il livello di esposizione può variare notevolmente a seconda dell'orientamento della navicella in ambienti specifici. Quando Orion ha modificato il suo orientamento durante una fase di accensione del motore dello stadio di propulsione criogenica intermedio, i livelli di radiazione si sono quasi dimezzati a causa della natura altamente direzionale delle radiazioni nella fascia di Van Allen.

Helga e Zohar dell'esperimento MARE (credits: NASA-DLR)

Strumenti

Monitoraggio dell'area di radiazione Radiation Area Monitor (RAM) La tecnologia dei sensori di radiazione a bordo della sonda spaziale comprende sei rilevatori passivi di monitoraggio dell'area di radiazione (RAM), delle dimensioni di una scatola di fiammiferi, che registreranno la dose totale di radiazione durante la missione. Essendo strumenti passivi, non richiedono alcuna fonte di alimentazione per raccogliere informazioni sulla dose di radiazione e verranno analizzati dopo il volo.

Valutatore elettronico ibrido di radiazioni: Hybrid Electronic Radiation Assessor (HERA) Orion è dotato di un rilevatore di radiazioni chiamato HERA che misurera le particelle cariche che attraversano i suoi sensori. Essendo uno strumento attivo installato sulla navicella spaziale, deve essere collegato all'alimentazione e può anche inviare le sue letture a Terra durante il volo. Nelle missioni con equipaggio, HERA fa parte del sistema di allarme e avviso della navicella spaziale che emette un segnale di allarme in caso di evento di particelle energetiche solari, avvisando l'equipaggio di mettersi al riparo. La NASA sta anche testando un'unità HERA simile a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.

Dosimetri attivi ESA Creati e forniti dall'ESA, cinque dispositivi, ciascuno delle dimensioni di un mazzo di carte, sono installati all'interno della cabina e dotati di molteplici sensori in grado di coprire un'ampia gamma di energie delle radiazioni ionizzanti presenti nello spazio. Denominati dosimetri attivi ESA, questi dispositivi registrano in tempo reale i dati relativi all'ambiente di radiazione all'interno del veicolo spaziale, con un timestamp che consente agli scienziati di visualizzare i tassi di dose di radiazione durante le diverse fasi della missione, nonché la dose totale di radiazione. Gli scienziati hanno già testato un dosimetro attivo ESA simile sulla Stazione Spaziale Internazionale.

Passeggeri con uno scopo preciso Tre "passeggeri" a bordo di Orion hanno testato i sistemi della navicella per raccogliere dati sulle radiazioni, utili per le future missioni con astronauti.

Comandante Moonikin Campos Un manichino a bordo di Artemis I, chiamato Comandante Moonikin Campos in seguito a un concorso pubblico, ha occupato il posto del comandante all'interno di Orion. Il manichino dotato di due sensori di radiazioni dosimetriche attivi, identici a quelli attualmente indossati dai membri dell'equipaggio sulla Stazione Spaziale Internazionale e alloggiati in tasche della tuta Orion Crew Survival System, la tuta spaziale che gli astronauti indossano durante il lancio, il rientro e altre fasi dinamiche delle loro missioni.

Il comandante Moonikin (credits: NASA)

Helga e Zohar Due posti aggiuntivi nella capsula Orion sono stati occupati da manichini, detti "phantom", realizzati con materiali che imitano le ossa, i tessuti molli e gli organi di una donna adulta. Chiamati Zohar e Helga, i manichini sono dotati di oltre 5.600 sensori passivi e 34 rilevatori di radiazioni attivi per misurare l'esposizione alle radiazioni nell'ambito del Matroshka AstroRad Radiation Experiment (MARE), un progetto internazionale che coinvolge il Centro aerospaziale tedesco, l'Agenzia spaziale israeliana e la NASA. Zohar indossa un giubbotto di protezione dalle radiazioni, chiamato AstroRad (come il nostro software :-)), mentre Helga no. Lo studio fornirà dati preziosi sui livelli di radiazione che gli astronauti potrebbero incontrare nelle missioni lunari e valuterà l'efficacia del giubbotto protettivo, che potrebbe consentire all'equipaggio di uscire dal rifugio anti-tempesta e continuare a lavorare su attività critiche per la missione nonostante una tempesta solare.

Oltre ai sensori e agli esperimenti a bordo di Orion, alcuni CubeSat (10 su Artemis I e 4 su Artemis II) hanno viaggiato sul razzo SLS come carichi secondari e raccoglieranno dati sulle radiazioni nello spazio profondo. Ogni CubeSat ha all'incirca le dimensioni di una scatola da scarpe e pesa circa 14 kg. I cubesat vengono rilasciati dallo stadio superiore del razzo dopo la separazione da Orion, a una distanza di sicurezza dalla navicella spaziale.

Uno dei cubesat (credits: NASA-ESA)

Artemis II

Per quanto riguarda i sistemi viventi, Artemis II va oltre il semplice conteggio delle particelle. L'esperimento AVATAR prevede l'utilizzo di chip organici derivati ​​dal midollo osseo (vedi immagine sotto), creati a partire dalle cellule di ciascun astronauta e racchiusi in un carico autonomo. Il midollo osseo è un bersaglio ideale perché fondamentale per la funzione immunitaria e particolarmente sensibile alle radiazioni. La NASA sta inoltre raccogliendo biomarcatori immunitari tramite campioni di saliva e sangue, mentre altri strumenti monitorano il sonno, lo stress, le funzioni cognitive, le prestazioni e altre risposte fisiologiche. Una delle questioni più interessanti è se lo stesso livello di dose assorbita si traduca nello stesso danno biologico in persone diverse. Inoltre le radiazioni non agiscono mai isolatamente; in una missione reale, gli effetti sono aggravati da microgravità, alterazioni del sonno, carico di lavoro, calore, anidride carbonica e distanza dalla Terra. AVATAR utilizza dispositivi organo-su-chip (o chip organo), per studiare gli effetti dello spazio profondo sulla salute umana. I chip contengono cellule derivate dall'equipaggio di Artemis II che hanno accompagnato gli astronauti nel loro viaggio di dieci giorni intorno alla Luna. Sono stati collocati in apparecchiature alimentate che hanno mantenuto il controllo ambientale dell'esperimento durante il volo. Al ritorno, i campioni saranno analizzati e confrontati con i dati raccolti durante uno studio di controllo simultaneo a terra. Ciò fornirà la visione più dettagliata finora ottenuta sull'impatto del volo spaziale e delle radiazioni dello spazio profondo sulle cellule del sangue in via di sviluppo.

I dosimetri AVATAR (credits: Emulate)

Risultati delle misurazioni

In attesa dei risultati da Artemis II, i livelli misurati dalla precedente missione sono raccolti in un articolo pubblicato su Nature. Come prima cosa viene segnalato che le radiazioni dello spazio profondo all'interno di Orion sono state fino al 60% inferiori rispetto alle misurazioni effettuate dalle precedenti sonde spaziali. L'articolo riporta i tassi di dose equivalente (scala µSv/h) misurati durante la missione Artemis (per avere un'idea di cosa significhino questi valori si possono confrontare con la tabella riportata in post precedenti, come quello sulla radioattività in alta montagna). I raggi cosmici galattici sono descritti come un tasso di dose di fondo costante durante i periodi di quiete, con valori attorno a ≈ 0,2 – 0,3 mSv/giorno (paragonabile con la dose tipica assorbita a livello del mare in un anno sulla terra) misurati all'interno della navicella (schermata). I raggi cosmici durante l amissione sono stati relativamente stabili nel tempo (nessun picco elevato).

I vari rivelatori e strumenti di Orion (credits: Nature)

Gli eventi di particelle solari (protoni solari) non sono presenti continuamente, ma possono produrre grandi aumenti transitori. L'articolo confronta l'esposizione alle fasce di protoni di Van Allen con riferimento a "grandi eventi di particelle solari". Durante eventi solari intensi o condizioni analoghe, i valori di dose sono paragonabili o superiori a quelli dei transiti nelle fasce. C'è comunque una forte dipendenza dalla schermatura, con una variazione di un fattore ~4. I tassi di dose più elevati misurati nella missione si verificano proprio nelle fasce di radiazione di Van Allen (protoni/elettroni intrappolati) con picchi elevati durante gli attraversamenti, sempre con una variazione di circa 4 volte a seconda della posizione dello schermo protettivo, paragonabile a severe condizioni da protoni solari. L'intervallo di dose per entrambi gli ambienti (solare/fasce) è stimato tra le decine di µSv/h, fino a potenzialmente >100 µSv/h (picchi localizzati). Il tutto fortemente dipendente da traiettoria e schermatura. In conclusione la radiazione principale assorbita è dominata dai raggi cosmici galattici, seguita dai picchi durante l'attraversamento delle fasce, o da eventi solari che tuttavia dipendono entrambi dall'orientamento del veicolo spaziale, con una variazione fino a circa il 50%.

Tabella riassuntiva dei livelli di radiazione ionizzante assorbita nello spazio all'inerno della navicella spaziale Orion durante la missione Artemis I.

© Marco Arcani @ astroparticelle.it

Sorgente: Missione Artemis,
https://www.nasa.gov/general/artemis-i-space-radiation-research-to-help-moon-mars-explorers/
https://www.nasa.gov/humans-in-space/artemis-ii-science/#news

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