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Die Sonne mit ihren Aktivitäten kann das Strahlungsniveau auf der Erde enorm erhöhen.

Raumfahrt

Besserer Schutz vor kosmischer Strahlung

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Die europäische Weltraumorganisation Esa und das Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung schließen einen Kooperationsvertrag.

Wenn er auf der Internationalen Raumstation die Augen geschlossen habe, erzählt Thomas Reiter, habe er Lichtblitze gesehen. „Bei Einschlafproblemen konnte man sie statt Schäfchen zählen, das half“, scherzt der ehemalige Astronaut. Doch die Lichtblitze haben einen ernsten Hintergrund: Sie sind ein Effekt, der durch Strahlung erzeugt wird – die auf dem Außenposten der Menschheit in 400 Kilometern Höhe stärker ist als auf der Erde, aber bei weitem noch nicht so intensiv wie tiefer im All.

Raumfahrer wären ihr in starkem Maße bei Flügen zum Mars ausgesetzt, aber auch bereits bei längeren Aufenthalten auf dem Mond oder in seinem Orbit, wie die internationalen Weltraumorganisationen sie planen. „Die Apollo-Missionen zum Mond hatten Glück“, sagt Jan Wörner, Generaldirektor der europäischen Raumfahrtagentur Esa: Die amerikanischen Astronauten waren in den 1960er und 1970er Jahren nie unterwegs, als Sonnenstürme tobten, von denen viel Strahlung ausging.

Bei einer möglichen Reise zum Mars wäre die Gefahr noch weit größer – nicht nur, weil sie weiter weg führen und deshalb eine stärkere kosmische Strahlung auf die Besatzung einwirken würde. Schon alleine durch die reine Dauer wären die Raumfahrer einer weit höheren Dosis ausgesetzt. Zum Vergleich: Die Apollo-Missionen nahmen rund eine Woche in Anspruch, für einen Hin- und Rückflug zum Mars müssten mindestens zwei Jahre eingeplant werden, rechnet Jan Wörner vor. Und: Die Strahlung kann nicht nur der menschlichen Gesundheit schaden, sondern auch Computer durcheinander bringen – man mag sich das Szenario nicht ausmalen, wenn auf einer so langen Reise am Bord Instrumente verrückt spielen.

Wie Menschen, Elektronik und Material vor kosmischer Strahlung geschützt werden können, gehört zu den wichtigsten Fragestellungen der astronautischen und robotischen Raumfahrt – sie dürfte für deren Zukunft mindestens genauso entscheidend sein wie die Entwicklung leistungsstarker Antriebe. Um die Auswirkungen kosmischer Strahlung zu erforschen und Lösungen zu finden, wie sie abgeschirmt werden kann, wollen die Esa und das internationale Beschleunigerzentrum FAIR, das derzeit am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung entsteht, künftig enger zusammenarbeiten. Eine entsprechende Kooperationsvereinbarung haben beide Partner gestern in Darmstadt unterzeichnet.

Mit der Teilchenbeschleunigeranlage könne man „das Universum ins Labor holen“, erklärt deren wissenschaftlicher Geschäftsführer Paolo Giubellino. Das heißt: Dort lässt sich Teilchenstrahlung, wie sie im Weltall herrscht, erzeugen und für Experimente nutzen. „GSI ist die einzige Einrichtung in Europa, die in der Lage ist, hochenergetische schwere Kerne zu simulieren, die in der kosmischen Strahlung vorkommen“, erläutert Jan Wörner.

In der Darmstädter Anlage sollen künftig unter anderem Zellkulturen, verschiedene Materialien und elektronische Komponenten kosmischer Strahlung ausgesetzt und die Folgen analysiert werden. So wollen die Forscher zum Beispiel untersuchen, wie sich Zellen und das menschliche Erbgut unter diesem Einfluss verändern oder wie gut Mikrochips die extremen Bedingungen im Weltall aushalten. Auch soll nach Materialien gesucht werden, die geeignet sind, um Strahlen fernzuhalten. Die ersten Experimente sollen bereits in diesem Sommer entwickelt werden. Zwar wird die Beschleunigeranlage am Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung voraussichtlich erst 2025 komplett fertiggestellt sein, doch einige Komponenten sind schon jetzt verfügbar, und bereits in den nächsten Jahren soll FAIR nach und nach in Betrieb gehen.

Aber was genau ist kosmische Strahlung, welche Arten gibt es, wo kommt sie her? Eine wesentliche Quelle sind schnelle Teilchen, die bei Sternenexplosionen ins All geschleudert oder von der Sonne ausgesendet werden. Je nachdem, welche Teilchen mit welchen Energien auf Objekte und Lebewesen treffen, können ganz unterschiedliche Effekte auftreten.

Auf der Erde bieten die Atmosphäre und das Magnetfeld Schutz – wenn auch keinen völligen. Für unseren Heimatplaneten stellt die Sonne die größte Strahlungsquelle dar. Insbesondere wenn es dort zu Eruptionen kommt, kann das für bestimmte Gebiete unangenehme Folgen haben. Zuletzt verhielt sich das bei den heftigen Sonnenstürmen im vergangenen September so, als der Flugverkehr wegen des hohen Strahlungsniveaus die Polregionen meiden musste.

Aber auch Strahlen aus unendlichen Weiten erreichen die Erde. Diese galaktische kosmische Strahlung stammt von den Sternen unserer Milchstraße und besteht aus Atomkernen, Protonen und Elektronen. Auf ihrem langen Weg wird sie nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und besitzt deshalb hohe Energien. Wenn diese Strahlung mit Materie zusammenstößt – etwa beim Auftreffen auf das Schutzschild eines Raumfahrzeugs – verändert sie sich, es bildet sich „sekundäre Strahlung“. Diese kann noch ganz andere Folgen haben und biologisches Gewebe oder empfindliche Elektronik unter Umständen noch stärker schädigen als die ursprüngliche kosmische Strahlung. Besondere Bedeutung hat dieser Effekt auch für die Luftfahrt.

Schon aus diesem Grund sei die Erforschung der kosmischen Strahlung nicht allein eine Sache, die nur der Raumfahrt diene, sagt Jan Wörner. Menschen, Tiere, Pflanzen und technische Geräte sind ihr ausgesetzt, auch die Satelliten, die in unterschiedlichen Umlaufbahnen zwischen 700 und 36 000 Kilometern um die Erde kreisen. Diese empfindlichen Systeme, die Wettervorhersagen, Telekommunikation, Navigation oder der Erdbeobachtung dienen, können durch Strahlen massiv beeinträchtigt werden, erklärt Jan Wörner. Auf Lebewesen können Strahlen bekanntermaßen verheerende Auswirkungen haben: Sie dringen durch die Haut in den Körper und können dabei Zellen und Erbmaterial verändern und schädigen - was das letztlich alles an Konsequenzen bedeuten kann, gilt es noch zu erforschen.

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