Polskie kryształki okrążyły Księżyc. Zarejestrowały ślady, których inni nie widzieli

Maleńkie kryształy opracowane w Krakowie poleciały wokół Księżyca na pokładzie statku Orion i wróciły na Ziemię z zapisanymi śladami promieniowania kosmicznego. Teraz polscy naukowcy pokazali wyniki ich analizy. Okazało się, że urządzenia potrafią dostrzegać sygnały, których nie rejestrują tradycyjne detektory.

To naprawdę bardzo ważny krok w badaniu jednego z największych zagrożeń dla przyszłych astronautów. Dzięki nowej technologii można dokładniej poznawać promieniowanie występujące poza ochronnym polem magnetycznym Ziemi, gdzie człowiek będzie musiał przebywać podczas dłuższych wypraw na Księżyc i Marsa.

Wszystko zaczęło się jeszcze w listopadzie 2022 r., kiedy to NASA wysłała bezzałogową misję Artemis I. Statek Orion okrążył Księżyc i po ponad 25 dniach wrócił na Ziemię. Jednym z celów wyprawy było sprawdzenie, na jakie promieniowanie będą narażeni astronauci podczas przyszłych misji załogowych.

Na pokładzie znalazły się dwa fantomy, czyli modele ludzkiego ciała wykonane z materiałów odwzorowujących właściwości tkanek. Nazwano je Helga i Zohar. W ich wnętrzach rozmieszczono ponad 10 tys. detektorów promieniowania, które rejestrowały warunki panujące podczas całej podróży.

W eksperymencie MARE uczestniczył również Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie. Naukowcy dostarczyli około 600 detektorów termoluminescencyjnych oraz kilkadziesiąt eksperymentalnych czujników fluorescencyjnych wykonanych z kryształów fluorku litu.

Właśnie te ostatnie stały się przedmiotem nowej analizy. Jak czytamy na łamach portalu Nauka w Polsce, zespół kierowany przez prof. Pawła Bilskiego, we współpracy z niemieckim DLR, opracował metodę pozwalającą odczytywać z nich informacje o promieniowaniu o zróżnicowanych energiach. Wyniki przedstawiono w badaniu opublikowanym w czasopiśmie Radiation Measurements.

Zasada działania polskich detektorów jest niezwykle interesująca. Nie potrzebują zasilania ani pokładowego komputera, aby rejestrować promieniowanie. Są urządzeniami pasywnymi, które zapisują informacje w swojej strukturze, a ich odczyt następuje dopiero po powrocie do laboratorium.

Kiedy naładowana cząstka przelatuje przez kryształ fluorku litu, powoduje niewielkie uszkodzenia jego struktury atomowej. Powstają tzw. centra barwne, czyli defekty zdolne do pochłaniania i emitowania światła. Ślady pozostają w materiale nawet po zakończeniu oddziaływania z promieniowaniem.

W laboratorium naukowcy oświetlają kryształ niebieskim światłem, które pobudza powstałe defekty. W odpowiedzi emitują one czerwone światło fluorescencyjne, widoczne pod specjalistycznym mikroskopem. Pozwala to zobaczyć ślady przelotu pojedynczych cząstek.

Co ciekawe, każdy detektor jest naprawdę niewielki. Wykorzystywane w eksperymencie kryształy miały zazwyczaj około 3 mm długości i szerokości oraz 1 mm grubości. Wyhodowano je w Krakowie metodą Czochralskiego, polegającą na powolnym wyciąganiu monokryształu ze stopionego materiału.

W przeciwieństwie do tradycyjnych detektorów śladowych wykonanych z tworzywa sztucznego nie wymagają one chemicznego trawienia przed obserwacją. W starszych rozwiązaniach trzeba najpierw powiększyć mikroskopijne uszkodzenia za pomocą odpowiednich substancji chemicznych. Polskie kryształy pozwalają sprytnie ominąć ten etap.

Najciekawszy wynik dotyczy czułości nowych detektorów. Naukowcy porównali informacje zapisane w kryształach z pomiarami wykonanymi przez klasyczne detektory plastikowe, umieszczone w tych samych miejscach fantomów.

Okazało się, że obie technologie dają zbliżony obraz badanego promieniowania w znacznym zakresie energii przekazywanych materiałowi przez cząstki. Polskie kryształy wykazały jednak zdolność rejestrowania również słabszych śladów, znajdujących się poniżej progu detekcji standardowych urządzeń.

Chodzi o parametr nazywany liniowym przekazem energii, w skrócie LET. Określa on, ile energii cząstka oddaje materii podczas pokonywania określonej odległości. Cząstki silnie jonizujące pozostawiają wyraźniejsze ślady, podczas gdy te przekazujące mniej energii mogą tworzyć zaledwie drobne, oddzielone od siebie punkty.

Tradycyjne detektory plastikowe wykorzystywane w eksperymencie rejestrują zwykle cząstki o LET przekraczającym około 10 keV na mikrometr w przeliczeniu na wodę. Kryształy fluorku litu pozwalają obserwować ślady również przy wartościach wynoszących około 4,5 keV na mikrometr.

Nie oznacza to jednak, że wszystkie słabsze sygnały można już dokładnie przeliczyć na dawkę promieniowania. W przypadku najdelikatniejszych śladów naukowcy nadal opracowują odpowiednie metody analizy i kalibracji.

Dodatkowym wyzwaniem jest kierunek przelotu cząstek. W laboratorium można skierować wiązkę promieniowania prostopadle do powierzchni kryształu. W kosmosie cząstki nadlatują z różnych stron, co wpływa na kształt i intensywność obserwowanych śladów. Krakowski zespół musiał opracować sposób uwzględnienia tych różnic.

Badanie pozwala również lepiej zrozumieć środowisko, w którym będą pracować przyszli astronauci. Na niskiej orbicie okołoziemskiej wpływ na dawki promieniowania mają m.in. cząstki uwięzione w ziemskim polu magnetycznym, tworzące pasy Van Allena.

W okolicach Księżyca sytuacja jest inna. Nie ma tam analogicznej osłony magnetycznej, a znacznie większego znaczenia nabiera promieniowanie galaktyczne. Tworzą je wysokoenergetyczne cząstki docierające z odległych obszarów kosmosu, zdolne do przenikania przez materiały konstrukcyjne statków i ludzkie tkanki.

Jak pisaliśmy niedawno przy okazji badań nad błyskami światła obserwowanymi przez astronautów nawet przy zamkniętych oczach, ciężkie jądra atomowe należą do szczególnie interesujących składników takiego promieniowania. Mogą przekazywać materii znaczne ilości energii, powodując jonizację na swojej drodze.

Z pomiarów eksperymentu MARE wynika, że całkowite dawki promieniowania w rejonie Księżyca są większe niż na niskiej orbicie okołoziemskiej, ale różnica nie jest aż tak wielka, jak można byłoby przypuszczać. Jednocześnie dawka wewnątrz fantomów była rozłożona względnie równomiernie, ponieważ wysokoenergetyczne promieniowanie galaktyczne może przenikać przez całe ciało.

Nie oznacza to oczywiście, że podróż na Księżyc jest bezpieczna pod względem radiacyjnym. Długotrwała ekspozycja nadal pozostaje jednym z głównych problemów planowania misji załogowych, szczególnie gdy do promieniowania galaktycznego dojdą gwałtowne zdarzenia związane z aktywnością Słońca.

Autorzy badania podkreślają, że nowa metoda nie jest jeszcze doskonała. W pewnym zakresie pomiarów polskie detektory zawyżały wyniki względem tradycyjnych czujników, szczególnie w przypadku cząstek przekazujących bardzo duże ilości energii. Różnice mogły prowadzić do zawyżenia obliczonej dawki nawet o 30 proc. oraz współczynnika jakości promieniowania o około 15 proc. Ten ostatni parametr pomaga oceniać biologiczną szkodliwość różnych rodzajów promieniowania.

Gdy naukowcy ograniczyli analizę do zakresu LET poniżej 100 keV na mikrometr, zgodność wyników była znacznie lepsza. Różnice w dawkach nie przekraczały 15 proc., a w przypadku współczynnika jakości wynosiły zaledwie kilka proc.

To dobry rezultat jak na eksperymentalną technologię, która po raz pierwszy została wykorzystana do takiej rekonstrukcji widma promieniowania w warunkach lotu wokółksiężycowego. Badacze planują teraz udoskonalenie kalibracji, opracowanie metod analizy najsłabszych śladów oraz automatyzację skanowania powierzchni kryształów. W przyszłości rozwiązanie mogłoby pozwolić na dokładniejsze mierzenie promieniowania bez konieczności stosowania dużych i skomplikowanych urządzeń elektronicznych.

Znajomość dawek promieniowania to nie tylko kwestia naukowej ciekawości. Im dokładniej można określić, jakie cząstki przenikają przez statek i ile energii oddają w ludzkim ciele, tym lepiej da się projektować osłony dla załogi.

Opisywaliśmy już wcześniej, że NASA przygotowała dla astronautów Oriona procedury tworzenia tymczasowego schronienia z zapasów wody, ubrań i elementów wyposażenia. To sposób na zwiększenie ochrony bez konieczności wynoszenia dodatkowych ton materiałów osłonowych.

Przeczytaj także:

Podobne znaczenie będą miały wyniki eksperymentów podczas przygotowywania przyszłych baz księżycowych. Niedawno pisaliśmy również o planach NASA dotyczących zbadania księżycowych jaskiń, które mogłyby zapewnić astronautom naturalną ochronę przed promieniowaniem. Zarówno na pokładzie statku, jak i na powierzchni Srebrnego Globu potrzebne będą wiarygodne pomiary rzeczywistego zagrożenia.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI