Kozmik ışınların sağlık tehdidi

Kozmik ışınlarının sağlık tehdidi, Galaktik kozmik ışınların ve solar enerji parçacıklarının Van-Allen Kuşakları veya dış Dünya'nın manyetosferinde gerçekleşen gezegenler arası görevler ya da herhangi bir görev sırasında astronotlar üzerindeki tehdididir . Galaktik kozmik ışınlar (GCRler), yüksek enerjili proton (%85), helyum (%14) ve diğer yüksek enerji çekirdeklerinden (HZE iyonları) oluşur. Solar enerji parçacıklarının büyük bir kısmı, Güneş püskürtüleri ve taçküre kütle atımları sırasında oluşan yüksek enerjili protonlardan oluşur. Bu tehditler İnsanlı uzay uçuş programının gezegenler arası seyahat planları önündeki en büyük engellerdendir.

Ekim 2015'te, NASA Genel Müfettiş Ofisi Mars'ta insan görevi de dahil olmak üzere, uzay araştırmalarıyla ilgili bir sağlık tehlikesi raporu hazırladı.

Derin uzayın radyasyon ortamı, dünya yüzeyi ya da alçak dünya yörüngesindeki radyasyon ortamından çok daha farklıdır, bunun sebepleri ise galaktik kozmik ışınlarının akılarının çok büyük olması, solar proton etkinlikleri (SPEler) ve radyasyon kuşaklarıdır.

Galaktik kozmik ışınlar, Güneş sistemi içinde solar etkinlik arttıkça azalan ve solar etkinlik azaldıkça artan, sürekli radyasyon dozu oluşturur (solar etkinlik). İç ve dış radyasyon kuşakları, dünyanın manyetik alanının sonradan dinamik etkileşimleriyle hızlandırdığı, solar rüzgarlar içinde kısıtlı olan iki parçacık alanıdır. Radyasyon dozu her zaman yüksek olmasına rağmen, jeomanyetik fırtınalar ve tali fırtınaları sırasında çok daha fazla yükselebilir. Solar proton etkinlikleri güneşin yüksek enerjili protonları püskürtmesidir. Nadir olarak gerçekleşirler ve aşırı yüksek radyasyon seviyeleri oluştururlar. Kalın kalkanlama olmadan, SPEler  ağır radyasyon zehirlenmesi ve ölümle sonuçlanabilecek kadar güçlüdür.

Dünya atmosferi (GeV) 1 gigaelektron volt altında enerjilere sahip birincil kozmik ışınları geçirmediğinden, sadece ikincil radyasyon yüzeye ulaşabilir. İkincil radyasyon da atmosferinin emilimi tarafından zayıflatılmış olmanın yanı sıra müon gibi parçacıkların uçuş sırasındaki bozunumları sebebiyle de zayıflar. Özellikle ufuğa yakın yönlerden giren parçacıklar zayıflaştırılır. Dünya nüfusu yıllık ortalama olarak sadece %0.4 millisievert (mSv) kozmik radyasyona maruz kalmasının sebebi (solunan radon gibi diğer radyasyon teşhirleri hariç) atmosferik koruyucudur. 12 km yükseklikte, atmosfer korumasının büyük bir kısmının üstünde, yıllık radyasyon miktarı 20 mSv ekvatora, 50-120 mSv kutuplarda olmak üzere, güneş maksimum ve minimum koşullarına göre değişir.

Çok yüksek enerjili galaktik kozmik ışınlar haricinde, Dünya'nın manyetik alanı içindeki cayro yarıçapı, ışınların dünyadan saptırılabilmesine yetecek kadar küçüktür . Alçak dünya yörüngesi ötesindeki görevler jeomanyetik alan korumasının dışında olduğundan,Van Allen radyasyon kuşaklarına maruz kalır. Bu sebeple görevlerde, maruz kalınan kozmik ışınlar, Van Allen radyasyonu veya güneş püskürmelerine karşı korunmaları gerekir. Güneşin iki ve dört yarıçapı uzaklıkları arasında kalan bölge iki radyasyon kuşağı arasında kalır ve bazen "güvenli bölge" olarak adlandırılır.

Güneş rüzgarlarına gömülü, Gezegenler arası manyetik alan da kozmik ışınları saptırır. Sonuç olarak, heliosfer içindeki kozmik ışın akısı ve güneş döngüsü ters orantılıdır.

Yukarıda faktörler arasında, birinci hariç hepsi alçak yörünge yapılarında dahildir, Uzay Mekiği ve Uluslararası Uzay İstasyonu gibi. UUİ üzerindeki yıllık ortalama radyasyon maruzu 150 mSv dir, ancak sık sık mürettebat rotasyonlarıyla risk en aza indirilir. Apollo ve Skylab görevlerinde çalışan astronotların radyasyona maruz kalma miktarı ortalama 1.2 mSv/gün ile 1.4 mSv/gün arasındaydı. Apollo ve Skylabın görev süreleri, yakın dünya astreoitleri ya da mars görevleri aksine, daha kısa sürdüğünden maruz kalınan radyasyon süreleri de aynı oranda azdır.

31 Mayıs 2013'te, NASA bilim adamları yaptıkları açıklamada yapılması mümkün olan Mars insanlı görevi sırasında büyük miktarda radyasyon tehlikesi olabileceğini, bu radyasyonun Mars Bilim Laboratuvarında bulunan radyasyon değerlendirme detektörü (RAD) tarafından tespit edilen enerjik parçacık radyasyonundan kaynaklandığını belirtti.

Uzay radyasyonunun potansiyel ağır ve kronik sağlık etklileri, diğer iyonlaştırıcı radyasyon tehşirleri gibi, DNA üzerindeki doğrudan hasarının yanı sıra çeşitli reaktif oksijen üretimi sayesinde dolaylı bir etki de taşır. Yüksek radyasyon dozlarının ağır (ya da erken radyasyon) etkileri vardır ve bunlar genellikle solar parçacık etkinliklerinden sonra meydana gelir. Uzay radyasyonunun benzer kronik etkileri arasında tahmini karsinojenez ve belirleyici dejeneratif doku etkileri de vardır. Ancak, bu güne kadar uzay radyasyonu astronotlar arasında sadece yüksek radyasyon kataraktı riski oluşturmuştur.

Sağlık tehdidinin bağlı olduğu etkenler akı, enerji kuşağı ve radyasyonun nükleer yapısıdır. Akı ve enerji kuşağını çeşitli faktörler belirler: kısa süreli solar hava durumu, uzun süreli eğilimler (1950'lerden beri süregelen görünür artış gibi), ve Güneş'in manyetik alanındaki konum. Bu faktörler henüz tam olarak anlaşılamamıştır. 2001'de başlayan Mars Radyasyon Ortamı Deneyi (MARIE) bu konuda daha çok veri elde etmek amaçlıdır. Yapılan tahminlere göre gezegenler arası alanda bulunan korumasız bir insan yaklaşık 400 ile 900 mSv (Dünya'da yaklaşık olarak 2.4mSv) arası, ve Mars görevinde (12 aylık uçuş ve 18 ay Mars) korumalı astronotlar yaklaşık 500 ile 1000 mSv radyasyona maruz kalabilir.  Bu dozlar kariyer limiti olan ve Milli Radyasyon Korunması ve Ölçümü Konseyi tarafından alçak Dünya yörüngesi için önerilen  1-4 Sv ye yakındır.

Kozmik ışınların sayısal biyolojik etkileri fazla bilinmemekte ve araştırılmaya devam etmektedir. Birçok deney, uzayda ve Dünya'da, tehlikenin büyüklüğünü değerlendirmek için sürdürülmekte. 2007'de Brookhaven Milli Laboratuvarının NASA Uzay Radyasyonu Laboratuvarı bölümünde yapılan deneylerde radyasyon teşhirlerinin hasar miktarının daha önceden tahmin edilenin yarısı kadar olduğu tespit edildi: özellikle, düşük enerjili protonların yükseklere kıyasla daha fazla hasara sebep olduğu anlaşıldı. Bu durum daha yavaş parçacıkların vücuttaki moleküllerle etkileşime girebilmesi için daha fazla süreye sahip olmasıyla açıklandı. Etkilenen hücrelerin enerji birikimi arttığı ve tümör olarak çoğalamadan öldüklerinden bu durum uzay seyahayi açısından kabul edilir bir durum olarak yorumlandı. Sonuç olarak, radyasyon üzerindeki güncel inanç, düşük enerjili radyasyonların insan üzerindeki teşhiri tümör oluşumu açısından daha riskli olduğu yönünde.

Varsayalım ki merkezi sinir sistemi üzerindeki erken ve geç etki NASA için büyük bir problem ve aktif bir araştırma konusu. Uzay seyahati sırasında, merkezi sinir sisteminin galaktik kozmik radyasyonuna maruz kalmasının kısa ve uzun dönemli sonuçları arasında çok ciddi sinirsel tehlikeler bulunmakta. Mars veya Ay görevlerinde maruz kalınan proton ve ikincil radyasyon gibi yüksek enerjili ağır iyonların tahminlere göre tüm vücuda etki etmesi için gereken doz 0.17-1.0 Sv üzeri. Bu parçacıkların yüksek düzgün enerji transferi potansiyelleri düşünüldüğünde, sinirsistemini etkileyen radyasyon sebebiyle etkilenen hücrelerin büyük bir kısmının ölmesi muhtemel. Uzay uçuşları sırasında çeşitli hücre modelleriyle yapılan deneylerle hesaplanan ağır iyon akışı, bu seyahatlerde astronotların hücrelerinin yaklaşık %5 'inin ölebileceğini gösteriyor. 3 yıllık bir Mars görevinde, kritik beyin bölgelerindeki hücrelerinin yaklaşık %13'ünün içinden seyahat boyunca ağır iyonlar geçmesi mümkün. Birçok Apollo astronotu parlama gördüklerini belirtti, ancak bu durumun biyolojik mekanizmaları henüz tam olarak bilinmiyor. Benzer yolculuklar ağır iyonların retinal fotoreseptörlerle etkileşimler ve camsı cisimde gerçekleşen parçacık etkileşimleriyle oluşan Çerenkov ışıması içeriyor. Bu fenomen Dünya'da çeşitli kurumlar ve bilim adamları tarafından birçok kez taklit edildi. En uzun Apollo uçuşlarının süreleri iki haftadan kısa olduğundan, astronotların maruz kaldığı radyasyon seviyelerinin radyasyon karsinojenezi oluşturma ihtimali düşüktür. Üstelik, sadece 24 astronot olduğundan, sağlık etkilerinin istatistiksel analizini yapmak da sorunlu.

31 Aralık 2012'de, NASA-destekli bir çalışma insanlı bir uzay uçuşunun astronotların beynine hasar verebileceğini ve Alzheimer hastalığının oluşumunu hızlandıracağını belirtti. Bu araştırma birçok anlamda problem oluşturucu, deneyde fareler üzerine teşhir edilen radyasyon miktarı normal görevler sırasında maruz kalınan radyasyon miktarlarına oranla çok fazla olması bu problemlerden yalnızca biri.

Materyal koruması galaktik kozmik ışınlara karşı efektif bir koruma yöntemi olabilir ancak ince kalkanlar bazı yüksek enerjili ışınlar göz önüne alındığında durumu daha kötü hale getirebilir; çünkü bu koruma şekli ikincil radyasyonnun artmasına sebep olur, kalın kalkanlama bu sorunu çözebilir. Örneğin Uluslararası Uzay İstasyonu'nun sahip olduğu alüminyum duvarların radyasyon teşhiri konusunda kesin azaltma sağladığına inanılıyor. Ancak, gezegenler arası alanda alüminyum kalkanlama radyasyon teşhirinin artışına sebep olabileceğini ancak bu teşhirin ikincil radyasyona karşı alınacak tedbirlerin arttırılmasıyla azaltılabileceği düşünülmekte.

Zaten yakıt olarak kullanılması için getirilecek sıvı hidrojen koruma açısından kullanışlı olması ve ikincil radyasyon yayımı çok az olduğundan dolayı bu yakıt mürettebatı radyasyondan koruyacak şekilde gemiye yerleştirilebilir. Ancak, yakıt gemi tarafından kullanılacağından koruma sürekli azalacaktır.

Yaşamın sürdürülebilmesi için gerekli olan su da korumaya yardımcı olabilir ancak su da yolculuk boyunca tüketilecek ve herhangi bir atık geridönüşümü kullanılmadığı takdirde koruma azalacaktır.

Yüklü radyasyon parçacıklarının manyetik saptırımı ya da elektrostatik itimi de araştırma altındaki varsayımsal bir alternatif kalkanlama tekniği. Teorik olarak, basit 5 metrelik bir yumru elektrostatik kalkanı kullanımı için gerekli güç miktarı yaklaşık 10 GW civarı ile melez bir tasarım ile 10 kilowatta kadar düşürülebilmekte. Ancak, bu tip aktif bir kallkanlama henüz denenmedi ve pratikliği ve çalıştırılabilirliği materyal kalkanlamaya göre daha belirsiz.

Özel koşullar da çeşitli solar proton etkinliklerinden (Akı miktarını arttıran ve mürettebatı ay ve yıl yerine saat ve günler içinde öldürebilme potansiyeli olan) korunmak için gerekmekte. Potansiyel azaltma stratejileri arasında uzay aracının su deposunun ya da kalın bir duvarın arkasına hazırlanabilecek yaşanabilir küçük bir alan hazırlamak, ya da Dünya'nın koruyucu atmosferine dönülmesini sağlayacak bir iptal seçeneği hazırlama da bulunuyor. Apollo görevi bu stratejilerin ikisini de kullandı. Solar proton etkinliğinin onaylanmasının ardından, astronotlar yönetim modülüne yöneliyordu, bu modül Ay modülüne göre çok daha kalın duvarlara sahipti ve sonra da Dünya'ya gönderiliyordu. Sonradan anlaşıldığına göre yönetim modülünün koruma miktarı mürettebatı hasar almaktan korumaya yeterliydi.

Galaktik kozmik ışınlarının insan teşhirinin etkileri henüz sayısal değerler olarak bakıldığiında belirsiz. NASA Uzay Radyasyon Laboratuvarı koruma kalkanı araştırmalarının yanı sıra radyasyonun canlılar üzerindeki etkilerini de araştırmakta.

Başka bir araştırma alanı ise, vücudun doğal bir şekilde radyasyon hasarlarını onarma kapasitesini taklit edebilecek ya da geliştirebilecek ilaçlar üretmektir. Dikkate alınan ilaç çeşitlerinden biri de retinoidler, bunlar antioksidanlı vitaminlerdir ve zararlı mutasyonların kendilerini çoğaltmasından önce vücuda durumu düzeltmesi için zaman tanıyan, hücre bölünmesini bozan moleküllerdir.

Kozmik ışınların astronutlar üzerindeki potansiyel negatif etkileri sebebiyle gelecek uzay seyahatlerinde solar etkinlikler etkili olabilir. Solar aktivitelerin yüksek olduğu sırasında galaktik kozmik ışını akısı düşük olduğundan, solar maksimum sırasında yapılan bir uzay seyahati astronotların averaj doz alımını azaltacaktır.

Taçküre kütle atımı sırasında Forbush azalması etkisi geçici olarak galaktik kozmik ışınlarının akısını azaltsa da, etkinin kısa süreli olması (1-3 gün) ve CME'nin tehlikeli solar proton etkinliği üretme ihtimali yaklaşık %1 olduğundan, görev zamanlama esnekliğini kısıtlıdır.

Dünya'nın radyasyon kuşaklarından kaynaklanan radyasyon dozajları, bu radyasyondan kaçınan ya da içinden göreceli olarak hızlı geçen yörüngeler ile azaltılır, örneğin; alçak Dünya yörüngesi, meyili düşük olduğundan genellikle iç kuşağın altındadır.