Η αποστολή Artemis I, η οποία πραγματοποιήθηκε στα τέλη του 2022, αποτέλεσε ένα κρίσιμο ορόσημο για την κατανόηση των συνθηκών που θα αντιμετωπίσουν οι αστροναύτες κατά τη διάρκεια μελλοντικών επανδρωμένων ταξιδιών στη Σελήνη. Καθώς το σκάφος Orion περιφερόταν γύρω από τον φυσικό μας δορυφόρο, περισσότεροι από 10.000 μικροσκοπικοί κρύσταλλοι, ενσωματωμένοι σε δύο ανθρώπινα ομοιώματα, συνέλεγαν πολύτιμα δεδομένα για τα επίπεδα της κοσμικής ακτινοβολίας. Ανάμεσα σε αυτούς τους αισθητήρες περιλαμβάνονταν δεκάδες πειραματικοί ανιχνευτές φθορισμού από φθοριούχο λίθιο, οι οποίοι αναπτύχθηκαν από το Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής της Πολωνικής Ακαδημίας Επιστημών (IFJ PAN) στην Κρακοβία. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας, που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο επιστημονικό περιοδικό Radiation Measurements, προσφέρουν μια νέα οπτική για τη διαφορά της ακτινοβολίας μεταξύ της τροχιάς της Γης και του σεληνιακού περιβάλλοντος.
Η λειτουργία των παθητικών ανιχνευτών φθοριούχου λιθίου
Οι ανιχνευτές που χρησιμοποιήθηκαν στην αποστολή Artemis I βασίζονται σε μια παθητική τεχνολογία, η οποία λειτουργεί με τρόπο ανάλογο με το παραδοσιακό φωτογραφικό φιλμ. Όταν τα σωματίδια της ιοντίζουσας ακτινοβολίας διέρχονται μέσα από τους κρυστάλλους φθοριούχου λιθίου, προκαλούν ατέλειες στο κρυσταλλικό τους πλέγμα, δημιουργώντας τα λεγόμενα «κέντρα χρώματος». Κατά τη διαδικασία της εργαστηριακής ανάγνωσης, αυτά τα κέντρα διεγείρονται από μπλε φως, εκπέμποντας κόκκινο φθορισμό, ο οποίος είναι ορατός μέσω μικροσκοπίου. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς πλαστικούς ανιχνευτές τροχιών, οι οποίοι απαιτούν χημική χάραξη για την ανάλυση των δεδομένων, οι κρύσταλλοι φθοριούχου λιθίου επιτρέπουν μια ταχεία και αποτελεσματική οπτική ανάλυση, διευκολύνοντας σημαντικά το έργο των ερευνητών στην εξαγωγή συμπερασμάτων για την έκθεση στην ακτινοβολία.
Προκλήσεις στη βαθμονόμηση και την ανάλυση δεδομένων
Παρά την ευκολία στην ανάγνωση των τροχιών, η εξαγωγή ποσοτικών πληροφοριών από το σεληνιακό περιβάλλον παρουσίασε σημαντικές προκλήσεις. Σε τυπικά πειράματα φυσικής, οι ανιχνευτές εκτίθενται σε δέσμες σωματιδίων με συγκεκριμένη ενέργεια και κατεύθυνση. Αντίθετα, η κοσμική ακτινοβολία είναι χαοτική, καθώς τα σωματίδια προέρχονται από όλες τις κατευθύνσεις και διαθέτουν ευρύ φάσμα ενεργειών. Αυτό δημιουργεί οπτικές παρεμβολές, όπου η κάμερα του μικροσκοπίου καταγράφει μια θολή λάμψη από τμήματα τροχιών που βρίσκονται εκτός του εστιακού επιπέδου. Επιπλέον, η διαφορά στην ιοντίζουσα ικανότητα των σωματιδίων —με ορισμένα να αφήνουν συνεχή ίχνη και άλλα μόνο διακριτές κουκκίδες— απαίτησε την ανάπτυξη εξειδικευμένου λογισμικού για την αφαίρεση του θορύβου υποβάθρου και την ακριβή βαθμονόμηση των αποτελεσμάτων.
Σύγκριση με τις ζώνες ακτινοβολίας Van Allen
Μια από τις πιο ενδιαφέρουσες διαπιστώσεις της έρευνας αφορά τη σύγκριση της ακτινοβολίας κοντά στη Σελήνη με εκείνη που δέχονται οι αστροναύτες σε χαμηλή γήινη τροχιά. Στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, τα πρωτόνια χαμηλής ενέργειας που παγιδεύονται από το μαγνητικό πεδίο της Γης στις ζώνες Van Allen αποτελούν σημαντικό μέρος της συνολικής δόσης ακτινοβολίας, προκαλώντας ανομοιόμορφη κατανομή της δόσης μέσα στα ανθρώπινα σώματα. Αντίθετα, στο σεληνιακό περιβάλλον, όπου οι ζώνες αυτές απουσιάζουν, κυριαρχεί η γαλαξιακή κοσμική ακτινοβολία. Τα σωματίδια αυτά διαθέτουν τόσο υψηλή ενέργεια που μπορούν να διαπεράσουν ολόκληρο το ανθρώπινο σώμα, με αποτέλεσμα η κατανομή της δόσης μέσα στα ομοιώματα να είναι ουσιαστικά ομοιόμορφη, προσφέροντας μια πιο σταθερή αλλά και διαφορετική πρόκληση για την προστασία των πληρωμάτων.
Συμπεράσματα για την έκθεση των αστροναυτών
Τα δεδομένα από το πείραμα MARE υποδεικνύουν ότι, αν και οι συνολικές δόσεις ακτινοβολίας κοντά στη Σελήνη είναι πράγματι υψηλότερες από εκείνες στην τροχιά της Γης λόγω της έντονης γαλαξιακής ακτινοβολίας, η διαφορά δεν είναι τόσο χαοτική όσο θα μπορούσε κανείς να υποθέσει διαισθητικά. Οι ερευνητές του IFJ PAN κατάφεραν να επιτύχουν αποτελέσματα που παρουσιάζουν απόκλιση μικρότερη του 15% σε σχέση με τους συμβατικούς ανιχνευτές, ενώ παράλληλα κατέγραψαν πολυάριθμες τροχιές σωματιδίων που βρίσκονταν κάτω από το όριο ανίχνευσης των παλαιότερων τεχνολογιών. Αυτή η αυξημένη ευαισθησία επιτρέπει μια πολύ πιο λεπτομερή χαρτογράφηση του κινδύνου, παρέχοντας στους επιστήμονες τα απαραίτητα εργαλεία για να σχεδιάσουν καλύτερα τα συστήματα θωράκισης των μελλοντικών διαστημικών αποστολών.
Πλεονεκτήματα και μελλοντικές προοπτικές των κρυστάλλων
Οι ανιχνευτές φθοριούχου λιθίου, που αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο Czochralski, προσφέρουν πολλαπλά πλεονεκτήματα για τη διαστημική ιατρική. Το μικρό τους μέγεθος, της τάξης των χιλιοστών, τους καθιστά ιδανικούς για χρήση από αστροναύτες, καθώς μπορούν να ενσωματωθούν εύκολα στον εξοπλισμό τους χωρίς να προκαλούν δυσφορία. Επιπλέον, η ανώτερη ανάλυση τροχιών επιτρέπει την καταγραφή υψηλότερων δόσεων με μεγαλύτερη ακρίβεια. Μια ιδιαίτερα σημαντική δυνατότητα είναι η χρήση κρυστάλλων εμπλουτισμένων με το ισότοπο λίθιο-6, οι οποίοι μπορούν να ανιχνεύσουν δόσεις νετρονίων μέσω πυρηνικών αντιδράσεων. Καθώς η ανθρωπότητα προετοιμάζεται για μακροχρόνιες παραμονές στη Σελήνη και πέρα από αυτήν, η τεχνολογία αυτή αναμένεται να διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην παρακολούθηση της υγείας των αστροναυτών και στην ασφάλεια των διαστημικών ταξιδιών.
Πηγή: phys.org