Promieniowanie podczas misji księżycowych "Apollo"

Narażenie na promieniowanie kosmiczne było jednym z istotnych problemów rozważanych podczas programu amerykańskich lotów na Księżyc "Apollo" (1966-1972). Najpoważniejszym było pokonanie pasów Van Allena, czyli dwóch obszarów naładowanych cząstek uwięzionych przez pole magnetyczne Ziemi, otaczających naszą planetę na wysokości 1000-6000 km oraz 39000-64000 m. Oprócz tego dochodziło narażenie na promieniowanie kosmiczne podczas lotu powyżej pasów van Allena, zależne od aktywności Słońca. Ostatnim źródłem promieniowania były podświetlane elementy w kabinach statku i generatory izotopowe SNAP-27  zasilające aparaturę naukową ALSEP umieszczoną na Księżycu.

Aktywność pasów van Allena dodatkowo zwiększyła atmosferyczna eksplozja termojądrowa o mocy 1,4 Mt na wysokości 400 km w ramach testu Starfish Prime w 1962 r. Dodała ona do tej magnetycznej pułapki dodatkowe ogromne ilości substancji radioaktywnych i stworzyła nowy, sztuczny pas van Allena, choć na początku lotów Apollo aktywność uwięzionych cząstek zdążyła zmaleć do 1/12. Szacowano, że wysokoenergetyczne elektrony będą uwięzione w tym obszarze przez 5 lat. Pasy Van Allena planowano pokonać możliwie najszybciej, dobierając optymalną trajektorię lotu. Jak się okazało, zmierzone dawki były dużo niższe, niż przewidywano. Mimo to, jednym z argumentów spiskowej teorii o sfingowaniu lotu na Księżyc jest rzekoma niemożność pokonania pasów Van Allena bez silnego, szkodliwego napromieniowania astronautów.

https://www.nasa.gov/sites/default/files/images/730056main_20130228-radiationbelts-orig_full.jpg

Promieniowanie pasów van Allena mierzono za pomocą specjalnego dozymetru o kulistym detektorze, pozwalającym badać cząstki niezależnie od kierunku, z którego padały. Jest to istotne, gdyż naładowane cząstki w tym obszarze poruszają się po torach w kształcie helis, równoległych do linii pola magnetycznego, zatem licznik nie powinien mieć charakterystyki kierunkowej. Przyrząd wykorzystywał komorę jonizacyjną równoważną tkance, wykonaną z aluminium ze względów przeciwpożarowych (pierwotnie miała być z tworzywa sztucznego).

Z kolei do pomiaru cząstek alfa i protonów pochodzących z wiatru słonecznego użyto innego miernika, o silnie kierunkowej charakterystyce. Wyposażony był w 3 detektory promieniowania, umieszczony jeden za drugim, przy czym pierwszy i drugi oddzielono filtrem z berylu, który pochłania neutrony, a drugi i trzeci - z wolframu. Umożliwiało to pomiar poszczególnych składowych promieniowania - tylko cząstki o najwyższych energiach mogły przeniknąć przez filtr wolframowy, berylowy i dwa detektory. Podłączony spektrometr miał 4 kanały dla protonów, 3 dla cząstek alfa, a dane były przekazywane bezpośrednio na Ziemię.

Dodatkowo specjalna sieć obserwacyjna monitorowała aktywność Słońca - zarówno wizualnie, przez teleskopy obserwujące protuberancje, jak również przez pomiar aktywności radiowej. Z uwagi na ogromną odległość Słońca od Ziemi (światło biegnie 8,5 minuty, a naładowane cząstki dużo wolniej) od zauważenia rozbłysku do dotarcia strumienia cząstek w okolice Ziemi upływa czas rzędu kilku godzin (zwykle 2-4). Pozwalało to na przedsięwzięcie pewnych środków ochronnych - na etapie przygotowań byłoby to odłożenie startu, natomiast w trakcie misji księżycowej skrócenie czasu przebywania poza lądownikiem. Jednak w większości przypadków procedury przewidywały kontynuowanie misji.

Podczas całego programu Apollo, tylko podczas misji Apollo-12 miał miejsce nieznaczny wzrost aktywności Słońca, ale bez wpływu na moc dawki wewnątrz statku.
Astronauci byli wyposażenie w dozymetry indywidualne dwóch typów - aktywne, działające na zasadzie komory jonizacyjnej i umożliwiające bieżący odczyt sumarycznej dawki, oraz bierne, do odczytu po powrocie na Ziemię. Dozymetry aktywne były rozmiarów paczki papierosów, wykorzystywały 7,1 cm3 komorę jonizacyjną równoważną tkance i umożliwiały pomiar w zakresie do 1000 radów (10 Sv dla promieniowania gamma) co 0,01 rada.

Dozymetry bierne miały wymiary ok. 1,5x2 cale i każdy astronauta nosił 3 sztuki w specjalnych kieszeniach kombinezonów - po jednym na piersi, udzie i kostce. Każdy dozymetr zawierał komplet detektorów: proszek termoluminescencyjny, błony dozymetryczne, folie ulegające aktywacji pod wpływem neutronów oraz folie czułe na ciężkie wysokoenergetyczne cząstki promieniowania kosmicznego. Pozwalało to ocenić dawki od poszczególnych rodzajów promieniowania.

Dodatkowo po powrocie na Ziemię badano narażenie od neutronów za pomocą liczników aktywności całego ciała. Ponieważ neutrony o odpowiednich energiach dokonują aktywacji różnych pierwiastków, wytwarzając izotopy promieniotwórcze, zatem mogą też aktywować sód zawarty w naszych organizmach, tworząc radioaktywny sód-24. Mierząc aktywność powstałego sodu można oszacować dawkę przyjętą od neutronów. Jednak okazało się, że dawka ta jest poniżej progu detekcji aparatury. Potwierdziły to również odczyty dozymetrów indywidualnych. Przyjęty limit dawki wynosił 400 radów (4 Gy) na skórę i 50 (0,5 Gy) na narządy krwiotwórcze, czyli dosyć dużo - dla promieniowania gamma będzie to odpowiednio 4 i 0,5 Sv, a pamiętajmy o większym współczynniku wagowym niektórych składowych promieniowania kosmicznego. Jak widać, dawki podczas poszczególnych misji były dużo niższe:

Aby przeliczyć powyższe dawki z radów na miligreje (mGy), dzielimy przez 10. Najniższa dawka wynosi wówczas 1,6 mGy, najwyższa - 11,4 mGy. Mówimy  tu o dawce pochłoniętej, czyli bez uwzględnienia jej działania biologicznego (rozróżnienie - TUTAJ). Aby obliczyć biologiczny równoważnik dawki w mikrosiwertach (µSv), należałoby znać  udział poszczególnych rodzajów promieniowania (protony, neutrony, gamma) w dawce sumarycznej, gdyż każdy z nich ma inny współczynnik wagowy WR. Dodatkowo w przypadku neutronów zależy on od energii - najmniej szkodliwe są najwolniejsze i najszybsze:

Niestety raport NASA nie podaje tak szczegółowych danych. Jeśli przyjmiemy, że średni współczynnik wagowy promieniowania jest równy 5, wówczas równoważnik otrzymany przez astronautów wyniesie 8 - 57 mSv, zaś przy pesymistycznym wariancie WR=20 aż 32 - 228 mSv. Górna wartość (228 mSv) może już powodować przemijające zmiany we krwi, choć jest to nadal subkliniczna postać choroby popromiennej.
Podczas całego programu Apollo zmierzone dawki wahały się w zakresie +/-20% od średniej u poszczególnych astronautów z uwagi na różne zadania wykonywane podczas lotu, zajmowane miejsce w statku, grubość poszycia itp. Dawki na narządy krwiotwórcze były o 40 % niższe niż mierzone na skórze. Jak to narażenie przełożyło się na późniejsze choroby i długość życia?

 Załoga Apollo 11 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3d/Apollo_11_Crew.jpg

Astronauci uczestniczący w programie zwykle urodzili się w latach 1930-1936 (Shepard 1923, Lovell 1928), zaś zmarli albo na początku lat 90, albo w latach 2012-2018 lub nadal żyją (Aldrin i Collins z Apollo 11). Nie wgłębiając się w dokładne statystyki oznacza to, że dożyli ok. 80 lat. Swigert zmarł na raka kości, zaś Shepard na białaczkę - jednak trudno bezsprzecznie stwierdzić, że zachorowania były jednoznacznie wywołane narażeniem na promieniowanie. Dlaczego zatem pozostali nie zachorowali, tylko dożyli sędziwej starości lub zmarli na zawał serca i choroby wewnętrzne, które trudno powiązać z promieniowaniem?

Wracając jeszcze do sprzętu, oprócz dozymetrów indywidualnych noszonych przez członków załogi na pokładzie statku kosmicznego był przenośny radiometr z 10 cm3 komorą jonizacyjną do pomiaru mocy dawki w różnych punktach statku. Miał liniową skalę od 0 do 100 rad/h (1 Sv/h) z czterema zakresami przełączanymi obrotowym pierścieniem (0,1, 1, 10, 100). W razie nadzwyczajnego wzrostu radiacji przyrząd miał umożliwić znalezienie najmniej narażonego na promieniowanie miejsca na statku kosmicznym. Mógł pracować jako miernik przenośny lub jako pokładowy monitor promieniowania, umieszczony w specjalnym gnieździe w ścianie statku.

W przestrzeni okołoksiężycowej moc dawki wynosiła 1 mR/h (ok. 10 µSv/h), a na powierzchni Księżyca - 0,6 (ok. 6 µSv/h). Porównajmy to z mocą dawki podczas przelotu samolotem na wysokości 10 km, która wynosi między 2,5 a 4 µSv/h - LINK

Więcej w raporcie NASA - https://history.nasa.gov/SP-368/s2ch3.htm

Tutaj inna wersja, występują pewne różnice w ujęciu tematu, choć dane te same  - http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.638.8557&rep=rep1&type=pdf

i mały przewodnik NASA po promieniowaniu oparty częściowo o w/w raport, z dodatkowymi podstawowymi zagadnieniami ochrony radiologicznej
- https://www.nasa.gov/pdf/284273main_Radiation_HS_Mod1.pdf

Na deser trochę linków w panikarskim tonie:
http://theconversation.com/space-radiation-the-apollo-crews-were-extremely-lucky-120339

https://observer.com/2016/07/space-radiation-devastated-the-lives-of-apollo-astronauts/

I jeszcze ciekawostka. Podczas lotów (od Apollo 11) astronauci obserwowali błyski w oczach, ale były one widoczne jedynie w całkowitym zaciemnieniu i tylko w chwili, gdy koncentrowali się na ich widzeniu. Ich mechanizm nie został dokładnie poznany, być może były to skutku działania promieniowania kosmicznego, a może neurologiczne zaburzenia narządu wzroku. Dalsze badania jednak nie wykazały uszkodzeń mózgu czy oczu. Zresztą, chyba każdemu z nas zdarzyły się błyski, świecące szlaczki czy mroczki przed oczami na skutek wysiłku, stresu, migreny itp.

***

Promieniowanie od źródeł sztucznego pochodzenia - generatorów elektrycznych aparatury badawczej na księżycu i oświetlenia kabin statków oraz urządzeń kontrolnych kombinezonów omówię w następnej notce. Stay tuned!