Modellering van de effecten van ruimtestraling in de ruimte en op Mars

Onderzoek naar ruimtestraling voor veilige Marsmissies

Ruimtestraling is een van de belangrijkste factoren die van invloed zijn op de overlevings- en bewoonbaarheidsomstandigheden. Op Mars en tijdens de reis erheen wordt de stralingsomgeving voornamelijk gevormd door galactische kosmische straling (Galactic Cosmic Rays - GCR), de hoogenergetische achtergrond met lage intensiteit waarvan wordt aangenomen dat hij verband houdt met supernova-explosies, en energetische deeltjes afkomstig van de zon (Solar Energetic Particles - SEPs), gelinkt aan kortstondige gebeurtenissen op de zon.

In de eerste fase van de missie, dichtbij de aarde, speelt de straling die in de Van Allen gordels gevangen zit de hoofdrol. Al deze straling, die inslaat op een ruimtevaartuig of boven in de atmosfeer van Mars, kan aanzienlijke secundaire stralings- en deeltjesbuien genereren, die astronauten en toekomstige ontdekkingsreizigers op Mars kunnen treffen. Deze kunnen bindingen in biomoleculen verbreken en/of verschillende onderdelen van een ruimtevaartuig aantasten.

De studie van de effecten van ruimtestraling omvat het concept “bewoonbaarheid” in de breedste zin van het woord, aangezien dergelijke effecten niet alleen van invloed kunnen zijn op bemande missies, maar ook op eventuele levensvormen of hun sporen op andere lichamen, evenals op middelen en componenten die nodig zijn voor veilige missies.

Straling op landingsplaatsen van Marsmissies

In samenwerking met medewerkers van NASA LRC en het Curiosity rover team, heeft het ESC2RAD team onlangs de stralingsomgeving en de door GCRs en SEPs geïnduceerde doses bestudeerd, op twee plaatsen op het noordelijk halfrond van Mars, die van groot astrobiologisch belang zijn:

• Oxia Planum, de landingsplaats van de ExoMars 2022 missie van ESA
• Mawrth Vallis, een vroegere kandidaat-landingsplaats die voor verschillende missies wordt onderzocht.

Biologische doelen ruimtestraling

Met behulp van Monte Carlo benaderingen voor deeltjestransport, en met water als proxy voor biologische doelen, vonden we

• een verschillende hoeveelheid gammastraling naar gelang het verschil in hydratatieniveau van de regoliet op de twee locaties
• een licht afwijkende relatie tussen doses en oppervlaktedruk gedurende verschillende seizoenen en onder verschillende zonneactiviteit, in vergelijking met de gegevens van Curiosity in Gale Crater, op het zuidelijk halfrond.

Dit betekent dat zelfs wanneer men alleen maar uitgaat van water als biologisch doel, er nog lessen te leren zijn over hoe de stralingsomgeving op Mars varieert gedurende verschillende seizoenen en over hoe de hydratatie van het regoliet de neutronenreacties beïnvloedt die leiden tot gammastraling. 

Een belangrijke stap in de modellering van stralingseffecten is echter het beschouwen van realistischer doelwitten, zoals kleine biologische eenheden in plaats van alleen maar water, en het in detail bestuderen van het patroon van energie-afgifte aan het biomolecuul door het inslaande deeltje (en door secundaire stoffen die waterhydrolyse veroorzaken), de zogenaamde spoorstructuur.

In deze context levert het ESC2RAD-project volgende bijdrages:

1. ESC2RAD heeft een nieuwe slimme en efficiënte strategie ontwikkeld om alle relevante trajecten van protonen in het omringende water te onderzoeken;
2. ESC2RAD berekent momenteel fundamentele nanodosimetrische grootheden in glycine (het eenvoudigste aminozuur) en DNA-segmenten, met als doel de mogelijkheden van de Monte Carlo-spoorstructuurcodes uit te breiden en het begrip van stralingsfysica te vergroten.
3. ESC2RAD bestudeert nieuwe mogelijkheden voor materiaal om een betere bescherming tegen ruimtestraling mogelijk te maken

Wil je meer weten ?

• Airapetian, V.S., Barnes, R., Cohen, O., Collinson, G.A., Danchi, W.C., Dong, C.F., Del Genio, A.D., France, K., Garcia-Sage, K., Glocer, A., Gopalswamy, N., Grenfell, J.L., Gronoff, G., Güdel, M., Herbst, K., Henning, W.G., Jackman, C.H., Jin, M., Johnstone, C.P., Kaltenegger, L., Kay, C.D., Kobayashi, K., Kuang, W., Li, G., Lynch, B.J., Lüftinger, T., Luhmann, J.G., Maehara, H., Mlynczak, M.G., Notsu, Y., Osten, R.A., Ramirez, R.M., Rugheimer, S., Scheucher, M., Schlieder, J.E., Shibata, K., Sousa-Silva, C., Stamenković, V., Strangeway, R.J., Usmanov, A.V., Vergados, P., Verkhoglyadova, O.P., Vidotto, A.A., Voytek, M., Way, M.J., Zank, G.P., and Yamashiki, Y. (2020). Impact of space weather on climate and habitability of terrestrial-type exoplanets. International Journal of Astrobiology, 19(2), 136-194. https://doi.org/10.1017/S1473550419000132

• Da Pieve, F., Gronoff, G., Guo, J., Mertens, C.J., Neary, L., Gu, B., Koval, N.E., Kohanoff, J., Vandaele, A.C., and Cleri, F. (2021). Radiation environment and doses on Mars at Oxia Planum and Mawrth Vallis: Support for exploration at sites with high biosignature preservation potential. Journal of Geophysical Research: Planets, 126(1), e2020JE006488. https://doi.org/10.1029/2020JE006488

• Gu, B., Cunningham, B., Muñoz Santiburcio, D., Da Pieve, F., Artacho, E., and Kohanoff, J. (2020). Efficient ab initio calculation of electronic stopping in disordered systems via geometry pre-sampling: Application to liquid water. Journal of Chemical Physics, 153(3), A034113. https://doi.org/10.1063/5.0014276