Promieniowanie przy Księżycu zaskoczyło. Potwierdziły to detektory z Krakowa

Wyprawy poza ziemską magnetosferę oznaczają stały kontakt z wysokoenergetycznymi cząstkami docierającymi z kosmosu. Dlatego lot kapsuły Orion w ramach misji Artemis I, która w 2022 r. okrążyła Księżyc, wykorzystano do zebrania danych o dawkach promieniowania, z jakimi mogą mierzyć się przyszli astronauci. Na pokładzie znalazły się dwa fantomy odwzorowujące ludzkie ciało, wyposażone w układ ponad 10 tys. detektorów pozwalających sprawdzić, ile energii jest pochłaniane w trakcie takiej podróży.

Wśród urządzeń pracujących w ramach eksperymentu MARE zastosowano krystaliczne detektory z fluorku litu, opracowane przez zespół Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Mikroskopijne kryształy potrafią rejestrować bardzo słabe ślady promieniowania kosmicznego, co umożliwiło odtworzenie rozkładu dawek w różnych "warstwach" fantomów, czyli na głębokościach odpowiadających tkankom organizmu.

Analizy wykonane przez badaczy z Polski i z zagranicy wskazały, że w sąsiedztwie Księżyca promieniowanie rzeczywiście było wyższe niż na orbicie okołoziemskiej, ale wzrost okazał się mniejszy od oczekiwań. Tę różnicę wiąże się m.in. z tym, że w pobliżu Księżyca nie występują już niskoenergetyczne protony z pasów Van Allena, obecne w rejonie Ziemi. Wnioski z pomiarów mogą przełożyć się na sposób przygotowywania przyszłych misji załogowych poza ochronną "bańką" ziemskiego pola magnetycznego.

Zespół kierowany przez prof. Pawła Bilskiego zwraca uwagę, że galaktyczne promieniowanie jonizujące ma znacznie większe energie i łatwo przechodzi przez ciało. Jednocześnie rozkład dawki może być bardziej równomierny niż na niskich orbitach. W praktyce oznacza to, że cząstki często przelatują niemal "na wylot", pozostawiając po drodze mikroskopijne ścieżki uszkodzeń, które da się szczegółowo analizować po sprowadzeniu detektorów na Ziemię.

Krakowskie detektory z fluorku litu działają inaczej niż klasyczne plastikowe czujniki. Uderzenia cząstek powodują w krysztale bardzo drobne mikrouszkodzenia, które tworzą tzw. centra barwne. Po oświetleniu próbki niebieskim światłem pojawia się czerwona poświata, a jej obraz jest oceniany w mikroskopie fluorescencyjnym. Dzięki temu można wychwycić również takie ślady promieniowania, które przy standardowych rozwiązaniach mogłyby pozostać niewidoczne.

Atutem detektorów z fluorku litu jest także możliwość rejestrowania bardzo różnych rodzajów cząstek i energii, w tym neutronów – szczególnie gdy do wytwarzania detektorów wykorzystuje się izotop litu-6. Dane z Artemis I pokazały ponadto, że ścieżki zapisane w krystalicznych detektorach pozwalają szacować dawkę skuteczniej niż tradycyjne, chemicznie przygotowywane plastikowe płytki, a rozbieżności nie przekraczały 15 proc. w całym analizowanym zakresie energetycznym.

Artemis I należała do pierwszych przedsięwzięć, które umożliwiły ocenę zagrożenia promieniowaniem bezpośrednio w rejonie Księżyca, a nie wyłącznie na niskiej orbicie okołoziemskiej. Wyniki zebrane dzięki instrumentom – w tym rozwiązaniom z IFJ PAN w Krakowie – mają wspierać projektowanie zabezpieczeń dla przyszłych astronautów, co staje się coraz ważniejsze w kontekście dalszej eksploracji kosmosu.