Ochrona Artemidy i odkrywców Księżyca przed promieniowaniem kosmicznym

Misja Artemis I, której start zaplanowano na 29 sierpnia, będzie ważnym krokiem w powrocie ludzkości na Księżyc.

Chociaż na pokładzie tego lotu testowego nie ma pasażerów, przyszłe misje ponownie wyniosą badaczy kosmosu poza ochronne środowiska ziemskiej atmosfery i pola magnetycznego w niezakłóconą sferę promieniowania kosmicznego.

Astronauci przetrwają burzę

Podczas gdy rozbłyski słoneczne oraz małe i średnie koronalne wyrzuty masy są alarmująco oszałamiające, same te zjawiska raczej nie stanowią znaczącego zagrożenia dla Artemidy I lub przyszłych załogowych misji księżycowych.

Należy uważać na „zdarzenia cząstek słonecznych”. Występują, gdy cząstki emitowane przez słońce – głównie protony, ale także niektóre zjonizowane atomy, takie jak hel – są przyspieszane i przyspieszane do bliskich prędkości względnych. To właśnie te wysokoenergetyczne cząstki uwalniane w przestrzeni kosmicznej mogą wpływać na statek kosmiczny i jego załogę.

Zdarzenia cząstek słonecznych są szczególnie związane z dużymi erupcjami słonecznymi i koronalnymi wyrzutami masy, ponieważ to te erupcje wulkaniczne mogą powodować fale uderzeniowe, które popychają cząstki słoneczne do niebezpiecznych prędkości.

Jeśli chodzi o misje Artemis, znaczna część promieniowania ze zdarzenia cząsteczkowego zostanie zablokowana przez ściany kapsuły kosmicznej – Orion i Europejski Moduł Serwisowy mają zapewnić niezawodność platform podczas zdarzeń radioaktywnych.

Ale wydarzenie może zakłócać komunikację między załogą a zespołami na Ziemi, a astronauci mogą być zmuszeni do szukania schronienia w tymczasowym schronie przed burzą, jak to miało miejsce na stacji kosmicznej we wrześniu 2017 roku.

Jednak stacja kosmiczna wciąż znajdowała się pod ochroną ziemskiej „magnetosfery” – ochronnego bąbla pola magnetycznego, którego Księżyc nie posiada.

„Opuszczenie magnetosfery jest jak opuszczenie bezpiecznej przystani i wyprawa na otwarty ocean” – mówi Melanie Hill, koordynatorka działu w Biurze Pogody Kosmicznej Europejskiej Agencji Kosmicznej.

„Ekspozycja na promieniowanie dla astronautów na Księżycu może być o rząd wielkości wyższa niż na stacji kosmicznej i kilka rzędów wielkości wyższa niż na Ziemi. Przyszli astronauci będą narażeni na większe ryzyko ze strony cząstek słonecznych: bardzo ważne jest, abyśmy badali radioaktywność środowiska poza magnetosferą i poprawiając naszą zdolność przewidywania i przygotowywania się na burze słoneczne”.

Blisko Miss: Lato 72

Dokładnie 50 lat temu, w sierpniu 1972 r., seria potężnych burz słonecznych, w tym dużych cząstek słonecznych, spowodowała powszechne zakłócenia satelitów i systemów komunikacji naziemnej na Ziemi.

Burze miały miejsce w środku misji NASA Apollo 16 i Apollo 17, a po obu stronach miały tylko kilka miesięcy. Na szczęście w tym czasie nie było ludzkich odkrywców poza ochronnym polem magnetycznym Ziemi. Uważa się, że gdyby napotkali te burze z poziomu modułu dowodzenia, dostarczona dawka promieniowania spowodowałaby poważne zatrucie popromienne. Dla astronauty na spacerze kosmicznym może to być śmiertelne.

„Niezawodne usługi pogody kosmicznej są niezbędne do długoterminowej eksploracji i ustanowienia Księżyca” – mówi Juha-Pekka Luntama, dyrektor ds. pogody kosmicznej w ESA.

„Wydarzenie z 1972 roku wydarzy się ponownie, a jeśli nie zachowamy czujności, możemy mieć astronautów w kosmosie i poza ochroną pola magnetycznego Ziemi, kiedy to się stanie”.

Pomiar promieniowania na Księżycu

Do tej pory interesował nas przede wszystkim wpływ pogody kosmicznej na infrastrukturę Ziemi – sieci energetyczne, systemy komunikacyjne, satelity krążące wokół Ziemi i astronauci na stacji kosmicznej.

Sieć usług meteorologicznych Europejskiej Agencji Kosmicznej jest rozproszona w całej Europie, a eksperci przetwarzają dane z szerokiej gamy detektorów promieniowania na pokładach satelitów na orbicie i czujników naziemnych.

Dzięki temu dostarczają informacje i usługi wielu „użytkownikom”, od operatorów satelitarnych, linii lotniczych i sieci energetycznych po myśliwych zorzy polarnej. Sieć będzie nadal świadczyć swoje usługi podczas lotu Artemis I i zgłaszać wszelkie ważne wydarzenia związane z pogodą kosmiczną, przewidywane lub nadchodzące.

Ale w przypadku długoterminowej działalności człowieka na Księżycu musimy bezpośrednio monitorować środowisko promieniowania księżycowego.

Badania nad promieniowaniem będą głównym celem eksperymentalnego lotu Artemis I. Kapsuła Orion będzie zawierać monitory promieniowania z NASA i Europejskiej Agencji Kosmicznej, a także szereg manekinów i CubeSatów zaprojektowanych, aby pomóc nam lepiej zrozumieć środowisko promieniowania w drodze na Księżyc i jego wpływ na zdrowie człowieka.

Europejska Agencja Kosmiczna pracuje również nad projektem European Radiation Sensor Array (ERSA) – serią instrumentów, które zapewnią monitorowanie promieniowania w czasie rzeczywistym na pokładzie stacji kosmicznej przyszłej załogowej bramy księżycowej.

Połączenie pomiarów promieniowania z zewnątrz i wewnątrz zamieszkałych przestrzeni pozwoliłoby naukowcom zobaczyć, ile promieniowania „wyciekło” i dokładniej przewidzieć ryzyko dla astronautów na Księżycu po wykryciu zdarzenia pogody kosmicznej.

Naukowcy z ESA rozważają również możliwość włączenia instrumentów radioaktywnych na innych bezzałogowych orbitach księżycowych, takich jak Lunar Pathfinder i sieci satelitarne na potrzeby przyszłej komunikacji księżycowej.

Patrząc w przyszłość

Nasza gwiazda może być nieprzewidywalna i nastrojowa, ale gdy na powierzchni Słońca pojawiają się „obszary aktywne”, mają tendencję do pozostawania tam od dni do kilku tygodni. Jeśli możemy obserwować te regiony jeszcze zanim okrążą one szerokość Ziemi, możemy poprawić nasze prognozy pogody kosmicznej wokół Ziemi i Księżyca.

Wczesne obserwacje aktywnych regionów na dysku słonecznym – skąd wybuchają rozbłyski i masowe emisje – są jednym z głównych celów zbliżającej się misji Vigil Europejskiej Agencji Kosmicznej. Zaplanowany do startu w 2029 roku, Vigil uda się do Lagrange Point 5 (L5), wyjątkowego miejsca w kosmosie, które pozwoli mu zobaczyć „stronę” Słońca przed orbitowaniem z Ziemi.

Dzięki systemowi Vigil wcześniejsze ostrzeżenia o potencjalnie niebezpiecznych zjawiskach pogody kosmicznej są spodziewane na kilka dni przed narażeniem zdrowia astronautów w kosmosie lub infrastrukturze na Ziemi i wokół niej. Będą to szczególnie przydatne informacje dla zagrożonych odkrywców Księżyca oraz do planowania działań wysokiego ryzyka, takich jak zajęcia poza pojazdem.