Mars’ın hangi bölgeleri kozmik radyasyondan en güvenli?

Önümüzdeki on yılda NASA ve Çin, ilk mürettebatlı misyonları Mars’a göndermeyi planlıyor. Bu, her iki ajansın da 2033, 2035, 2037’de ve bundan sonra her 26 ayda bir Mars muhalefetiyle (yani, Dünya ve Mars yörüngelerinde en yakın oldukları zaman) çakışması için uzay aracı göndermesinden oluşacak. Bu programların uzun vadeli amacı, Çinliler üslerinin kalıcı olmasını planladıklarını belirtmiş olsalar da, Mars’ta gelecekteki misyonları barındıran bir merkez olarak hizmet edecek bir üs kurmaktır.

Altı ila dokuz aylık Mars yolculuğuna astronot gönderme olasılığı, yüzeyde bilimsel operasyonlar yürütürken karşılaşacakları tehlikelere dair hiçbir şey söylememek için çeşitli zorluklar sunuyor. Yakın tarihli bir çalışmada, uluslararası bir bilim adamları ekibi, radyasyonun en düşük olduğu yeri bulmak için, Olimpos Dağı’nın zirvelerinden yeraltındaki girintilerine kadar Mars çevresi hakkında bir araştırma yaptı. Bulguları, gelecekteki Mars misyonlarını ve Mars habitatlarının yaratılmasını sağlayabilir.

Ekip, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nde Yer ve Uzay Bilimleri Okulu’ndan (ESS) yardımcı doçent olan Jian Zhang tarafından yönetildi. Ona ESS ve Çin’deki Karşılaştırmalı Gezegenolojide CAS Mükemmellik Merkezi, Kiel, Almanya’daki Deneysel ve Uygulamalı Fizik Enstitüsü (IEAP) ve Rusya Bilim Akademisi’nin (RAS) Biyomedikal Sorunlar ve Enstitüsü’nden meslektaşları katıldı. Moskova’daki Skobeltsyn Nükleer Fizik Enstitüsü (SINP). Bulgularını açıklayan makale, yakın zamanda dergide yayınlandı. Jeofizik Araştırma Dergisi: Gezegenler.

Mars’a ve düşük Dünya yörüngesinin (LEO) ötesindeki diğer yerlere yapılan misyonlar söz konusu olduğunda, radyasyon her zaman devam eden bir endişe kaynağıdır. Dünya ile karşılaştırıldığında, Mars’ın zayıf bir atmosferi vardır (hava basıncının %1’inden daha az) ve yüzeyi güneş ve kozmik radyasyondan koruyan koruyucu bir manyetosfer yoktur. Sonuç olarak, bilim adamları, zararlı parçacıkların, özellikle galaktik kozmik ışınların (GCR’ler) yayılabileceğini ve doğrudan atmosferle etkileşime girebileceğini ve hatta Mars’ın yeraltına ulaşabileceğini teorileştiriyor.

Bununla birlikte, radyasyona maruz kalma seviyesi, atmosferin ne kadar kalın olduğuna bağlıdır ve bu da irtifaya bağlı olarak değişir. Mars’ın ünlü kanyon sistemi (Valles Marineris) ve en büyük krateri (Hellas Planitia) gibi alçak bölgelerde, atmosfer basıncının sırasıyla 1.2 ve 1.24 kPa’nın üzerinde olduğu tahmin edilmektedir. Bu, Olympus Mons (güneş sistemindeki en büyük dağ) gibi yüksek rakımlı yerlerde, ortalama 0,636 kPa’nın yaklaşık iki katı ve atmosfer basıncının 10 katına kadardır.

Christian-Albrechts-University’de IEAP ile saygın bir profesör ve Çin Bilimler Akademisi (CAS) üyesi olan Dr. Jingnan Guo, Prof. Jian Zhang’ın Ph.D. süpervizör ve kağıt üzerinde bir ortak yazar. Universe Today’e e-posta yoluyla açıkladığı gibi:

“Farklı yükseklik, farklı atmosferik kalınlık anlamına gelir. Yüksek rakımlı yerler genellikle daha ince bir atmosfere sahiptir. Yüksek enerjili parçacık radyasyonunun Mars’ın yüzeyine ulaşmak için atmosferden geçmesi gerekir. Atmosfer kalınlığı değişirse, yüzey radyasyonu da değişebilir. Böylece yükseklik, Mars’ın yüzey radyasyonunu etkileyebilir.”

Bu amaçla ekip, atmosferik derinliklerin Mars radyasyon seviyeleri üzerindeki etkisini değerlendirdi. Bu, rad cinsinden ölçülen soğurulan dozu içerir; rem ve sievert (Sv) cinsinden ölçülen doz eşdeğeri; ve GCR’ler tarafından indüklenen vücut etkili doz oranları. Bu, CERN tarafından geliştirilen GEometry And Tracking (GEANT4) yazılımına dayalı son teknoloji bir simülatör kullanılarak radyasyon ortamının modellenmesinden oluşuyordu.

Atmosferik Radyasyon Etkileşim Simülatörü (AtRIS) olarak bilinen bu yazılım, Mars atmosferi ve arazisi ile parçacık etkileşimlerini simüle etmek için Monte Carlo olasılık algoritmalarını kullanır. Dr. Guo’nun gösterdiği gibi:

“Enerjik parçacıkların Mars atmosferi ve regolit ile taşınmasını ve etkileşimini modellemek için ‘GEANT4’ adlı bir Monte Carlo yaklaşımı kullanıyoruz. Mars ortamı, Mars’ın atmosferik bileşimi ve yapısı ve regolit özellikleri dikkate alınarak kurulur.

“Mars’ın atmosferinin tepesindeki girdi parçacık spektrumları, aynı zamanda, esas olarak protonlar (~% 87), helyum iyonları olan farklı türlerin yüklü parçacıklarını içeren gezegenler arası uzayda her yerde bulunan parçacık radyasyon ortamını tanımlayan veri kalibreli modellerden de elde edilir. (%12) ve ayrıca karbon, oksijen ve demirler gibi daha ağır iyonların küçük izleri.”

Daha yüksek yüzey basınçlarının ağır iyon radyasyonu (GCR’ler) miktarını etkili bir şekilde azaltabildiğini, ancak ek korumaya hala ihtiyaç duyulduğunu buldular. Ne yazık ki, bu korumanın varlığı, GCR’lerin korumaya karşı etkisinin, bir habitatın içini değişen seviyelerde nötron radyasyonu (aka. nötron akışı) ile doldurabilen ikincil parçacıklar oluşturduğu “kozmik ışın yağmurlarına” yol açabilir. Bunlar, astronotların absorbe edeceği etkili radyasyon dozuna önemli ölçüde katkıda bulunabilir.

Hem nötron akışının hem de etkili doz zirvesinin yüzeyin yaklaşık 30 cm (1 fit) altında olduğunu belirlediler. Neyse ki, bu bulgular, koruma için Marslı regolit kullanımı söz konusu olduğunda çözümler sunuyor. Guo dedi ki:

“Yıllık biyolojik olarak ağırlıklı radyasyon etkili dozunun belirli bir eşiği için, örneğin, 100 mSv (genellikle altında radyasyona bağlı kanser riskinin ihmal edilebilir olduğu eşik olarak kabul edilen bir miktar), gerekli regolit derinliği yaklaşık 1 m ile 1,6 m arasında değişir. Bu aralıkta, yüzey basıncının daha yüksek olduğu derin bir kraterde, gereken ekstra regolit koruması biraz daha küçüktür. Olimpos Dağı’nın tepesindeyken, gereken ekstra regolit koruması daha yüksektir.”

Bulgularına göre, Mars’ta gelecekteki habitatlar için en iyi yerler, alçak alanlarda ve yüzeyin 1 m ve 1,6 m (3,28 ila 5,25 ft) derinliklerinde yer alacaktır. Bu nedenle, kuzey yarımkürenin çoğunu oluşturan Kuzey Ovaları (aka. Vastitas Borealis) ve Valles Marineris çok uygun yerler olacaktır. Daha kalın bir atmosfer basıncına sahip olmanın yanı sıra, bu bölgeler ayrıca yüzeyin hemen altında bol miktarda su buzu içerir.

Her şey plana göre giderse, astronotlar on yıldan biraz fazla bir süre içinde Mars yüzeyine ayak basacaklar. Bu, altı ila dokuz ay süren geçişlerden (daha gelişmiş sevk teknolojisinin geliştirilmesi hariç) ve 18 aya kadar yüzey operasyonlarından oluşacaktır. Kısacası, astronotlar üç yıla kadar yüksek radyasyon tehdidiyle mücadele etmek zorunda kalacaklar. Bu nedenle, ayrıntılı azaltma stratejilerinin önceden iyi bir şekilde geliştirilmesi gerekir.

NASA ve diğer uzay ajansları, astronot sağlığını ve güvenliğini sağlamak için 3D baskı, Yerinde Kaynak Kullanımı (ISRU) ve hatta elektromanyetik kalkandan yararlanan habitat tasarımları geliştirmek için önemli ölçüde zaman, enerji ve kaynak yatırımı yaptı. Ancak, özellikle ekiplerin Mars yüzeyinde harcayacağı süre düşünüldüğünde, bu stratejilerin uygulamada ne kadar etkili olacağı konusunda hala cevaplanmamış sorular var.

Dr. Guo, “Çalışmamız, koruyucu koruma olarak doğal yüzey malzemesini kullanarak gelecekteki Mars habitatlarını tasarlarken radyasyon risklerini azaltmaya hizmet edebilir” dedi. “Bu nedenle, misyon planlayıcıları radyasyondan korunma sağlamak için doğal yüzey malzemesine dayanan gelecekteki Mars habitatları için tasarımlar düşünmeye başladığında, bu tür araştırmalar önemli bir değer olacaktır.”