Helga und Zohar: Strahlungsbelastung auf dem Weg zum Mond
Schwerpunkte: Bemannte Raumfahrt, Medizin
Für den Menschen im Weltraum stellt die Weltraumstrahlung ein großes gesundheitliches Risiko dar. Deren Auswirkungen auf den menschlichen Körper sind ein entscheidender und möglicherweise limitierender Faktor für geplante zukünftige Langzeitaufenthalte des Menschen im freien Weltraum. Um dieses Strahlenrisiko genauer bestimmen und mögliche Maßnahmen zum Schutz entwickeln zu können, wird das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mehr als 50 Jahre nach der ersten Mondlandung im Jahr 2020 das Experiment MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment) mit der NASA Exploration Mission 1 (NASA EM-1) zum Mond schicken. Mit MARE werden erstmals zwei weibliche Phantome, ausgestattet mit Strahlungsdetektoren und eine der beiden mit einer Strahlenschutzweste, einen Raumflug antreten.
Anfang November ist nun das europäische Servicemodul (ESM) für das amerikanische NASA-Raumschiff Orion in den USA angekommen. Die beiden Phantome Helga und Zohar - ausgestattet vom DLR - werden bei Orions erstem Flug zum Mond 2020 im Rahmen der NASA EM-1 Mission in seinen Passagiersitzen mitfliegen. Die beiden aus jeweils 38 Scheiben bestehenden Phantome fliegen stellvertretend für zwei Astronautinnen - in ihrem Inneren haben sie über 5600 passive Detektoren sowie 16 aktive Detektoren, die die Strahlung während des Flugs messen werden. Die beiden "Zwillinge" werden sich lediglich in einem unterscheiden: Zohar trägt eine Strahlenschutzweste (AstroRad), Helga nicht. Das DLR, welches MARE zusammen mit der israelischen Raumfahrtagentur ISA, dem israelischen Industriepartner StemRad sowie Lockheed Martin und der NASA durchführt, rüstet die beide Phantome derzeit in Köln mit Sensoren aus. "Wir werden erstmals messen, welche Strahlenbelastung bei einem bemannten Flug zum Mond für die Astronautinnen und Astronauten entsteht", erläutert Dr. Thomas Berger vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, der wissenschaftliche Leiter des MARE Experiments.
95 Zentimeter groß sind die Phantome, die im Rahmen der NASA EM-1 Mission mit auf den unbemannten Flug zum Mond gehen. In ihrem Inneren finden sich Organe und Knochen aus Kunststoff unterschiedlicher Dichte. "Mit Helga und Zohar wird ein Frauenkörper inklusive Fortpflanzungsorgane und Brüste simuliert", erläutert DLR-Wissenschaftler Thomas Berger. "Die Anzahl der Astronautinnen wird immer größer, daher haben wir uns für ein weibliches Phantom für unser Experiment entschieden." Erfahrungen mit der Messung von Strahlung im All haben er und sein Team bereits unter anderem durch das Matroshka Experiment, einem männlichen Phantom, welches in den Jahren 2004 bis 2011 sowohl im Inneren als auch an der Außenseite der Internationalen Raumstation ISS der Strahlung ausgesetzt wurde. Auch innerhalb des europäischen Forschungslabors Columbus misst das DLR derzeit mit dem Experiment DOSIS 3D, welche Strahlungsbelastung dort herrscht. "Die Risiken im Weltraum liegen für Astronauten in den Auswirkungen der Schwerelosigkeit, den psychologischen Aspekten und vor allem in den möglichen Langzeitschäden durch die galaktische kosmische Strahlung sowie den Kurzzeitstrahlungseffekten durch ein solares Teilchenereignis."
Ausrüstung mit Tausenden Detektoren
Am DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin werden die beiden "Passagiere" nun für das MARE-Experiment vorbereitet. Zum einen werden 1400 Sensorplätze mit kleinen passiven aus Kristallen bestehenden Strahlungsdetektoren bestückt, zum anderen werden die Sensoren der aktiven Detektoren an den strahlenempfindlichsten Organen des Körpers - Lunge, Magen, Gebärmutter und Knochenmark - integriert. Während die passiven Detektoren vom Start bis zur Rückkehr zur Erde kontinuierlich messen werden und die Gesamtbelastung erfassen sollen, werden die aktiven, batteriebetriebenen Detektoren während des Startes eingeschaltet und speichern dann zeitlich aufgelöst die Strahlenbelastung auf. "So können wir nach der Rückkehr die verschiedenen Detektoren auslesen und Daten über die Reise zum Mond auswerten."
Messungen mit und ohne Strahlenschutzweste
Die gewonnenen Daten der "schutzlosen" Helga dienen außerdem dazu, die Wirksamkeit der neu entwickelten Strahlenschutzweste (AstroRad) des von der israelischen Raumfahrtagentur ISA geförderten Industriepartners StemRad zu bestimmen. Diese wird den Oberkörper, aber auch die Gebärmutter und die blutbildenden Organe abdecken. Tragen wird sie das israelische Phantom Zohar während des gesamten Flugs. Im Vergleich lässt sich dann ermitteln, in welchem Ausmaß die Weste eine Astronautin vor schädlicher Strahlenbelastung schützen würde.
Bevor der bis zu 42 Tage dauernde Flug zum Mond und die Rückkehr zur Erde beginnen können, kommen auf Helga und Zohar noch einige Tests zu. In einem ersten Test am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen wurde Helga bereits den Vibrationen ausgesetzt, die sie beim Start mit dem von der NASA derzeit entwickelten Space Launch System (SLS) erfahren wird. Ein erster Fit-Check, wie sich Helga und Zohar auf den Passagiersitzen der Orion-Kapsel befestigen lassen, wird im Frühling des kommenden Jahres in den USA durchgeführt. Dabei wird getestet, wie Helga und Zohar auf ihren am DLR gebauten und für sie angepassten Sitzen in der Orion-Kapsel Platz finden werden.
MARE stellt in seiner Komplexität und in seiner internationalen Zusammenarbeit mit zahlreichen Universitäten und Forschungseinrichtungen in Österreich, Belgien, Polen, Ungarn, der Tschechischen Republik, Griechenland, der Schweiz, Japan und den USA das größte Experiment zur Bestimmung der Strahlenbelastung für Astronauten dar, das jemals den erdnahen Orbit verlassen hat. Es liefert grundlegende Daten zur Abschätzung des Strahlenrisikos für die kommenden bemannten Flüge zum Mond.