Deeltjesschild voor astronauten - NEMO Kennislink
Auteur: Gieljan de Vries | 30 juni 2005
Met een zuurstoffles en luchtdicht pak ben je er niet als astronaut. In de ruimte is het niet alleen ijskoud of gloeiend heet (het maanoppervlak haalt in het zonlicht temperaturen boven de honderd graden), maar het hagelt er ook nog eens deeltjes. Voortdurend schieten geladen deeltjes als ionen en elektronen voorbij. De zon produceert die straling in de zonnewind en in zonnevlammen, maar ook uit het verre heelal dreigt gevaar in de vorm van kosmische straling.
Bij de normale stralingsdosis in de ruimte hebben astronauten "alleen maar" een verhoogde kans op kanker, maar pieken in de straling zijn levensgevaarlijk. Daarom is bescherming nodig, in de vorm van stralingsschilden. Het simpelste schild bestaat uit lagen stevig materiaal die de geladen deeltjes opvangen. Vandaar de dikke betonlaag rond een kernreactor.
Betonnen ruimteschepen zijn te zwaar om te lanceren en ook schilden van aluminium of vloeibaar waterstof hebben hun nadelen. Charles Buhler en John Lane (ASRC Aerospace Corporation, onderdeel van NASA's Kennedy Space Center) hebben geen beschermlagen nodig: zij willen straling afbuigen met elektrische en magnetische velden.
Artist's concept van een elektrisch afgeschermde maanbasis. De geleidende ballons zijn opgeladen tot spanningsverschillen van miljoenen Volts. De buitenste ballons zijn negatief geladen en stoten andere negatief geladen deeltjes af. De binnenste ballons balanceren het veld en werken in op positief geladen deeltjes. Alleen deeltjes met meer energie dan het veld kunnen er doorheen dringen. _ bron: ASRC Aerospace. Klik op de afbeelding voor een grotere versie._
Elektrisch afremmen
Astronauten in een permanente maanbasis kunnen onmogelijk om elke keer het werk neer te leggen en naar een bunker rennen. Buhler's idee: scherm de hele basis af met een groot elektrisch veld. Dat moet binnenkomende deeltjes zó afremmen, dat die geen schade meer aanrichten.
Buhler denkt aan Kapton-ballons van maar een miljoenste meter dik. Op dit niet-geleidende materiaal komt een geleidende gouden coating om de lading gladjes over de bol te verdelen. Met een paar van deze bollen, opgeladen tot miljoenen Volt, is een hele maanbasis elektrisch af te schermen. Aanstormende deeltjes remmen af doordat ze tegen het veld in bewegen (als een fietser die wind tegen heeft). Alleen deeltjes met meer bewegingsenergie dan de veldsterkte komen er zonder problemen doorheen; het is dus zaak het veld zo sterk mogelijk te maken om zoveel mogelijk deeltjes af te remmen. Hoe sterk precies?
Stralingsbronnen in de ruimte
Astronauten moeten uitkijken voor twee verschillende stralingsbronnen. De zon zendt een gestage stroom van geladen deeltjes (waterstof- en helium-kernen) de ruimte in. Deeltjes in deze zonnewind hebben energieën tussen de 100 en 200 MeV. De elektronvolt (eV) is een standaardeenheid in de deeltjesfysica. Eén eV is de energie die een foton wint als het door een één-Volts veld wordt versneld. Röntgenapparatuur in een ziekenhuis werkt met een energie van zo'n 150 keV (1 MeV = 1000 keV). Zonnewind-deeltjes dragen wel duizend keer zoveel energie als röntgenstraling uit een medische scanner, maar er zijn er veel minder van: de energie die de zonnewind per seconde aflevert is dus lager dan die van een röntgenscan.
Vergelijking tussen de energie in de zonnewind (SolarParticleRadiation) en kosmische straling (GalacticCosmicRadiation) in de linkergrafiek. Horizontaal de energie, verticaal het aantal deeltjes. Tijdens zonnestormen (rechterplaatje) wakkert de zonnewind aan; meer deeltjes van dezelfde energie. Kosmische straling kenmerkt zich door meer deeltjes bij hogere energieën dan de zon uitbraakt. _ bron: ASRC Aerospace. Klik op de afbeelding voor een grotere versie._
Eens in de paar maanden schakelt de zon op: dan ontbrandt er een zonnevlam als de magnetische veldlijnen van de zon in de knoop raken en plotseling losschieten. Plasma-vlammen zo groot als de aarde schieten de ruimte in. Zo'n zonnestorm bestaat uit veel meer deeltjes dan de zonnewind en kan dus meer schade aanrichten. Ook komen er deeltjes vrij die meer energie dragen dan hun collega's in de zonnewind.
Sterker dan de zonnewind maar zwakker dan een zonnestorm is de kosmische straling. Die is afkomstig van bronnen in het verre heelal, zoals supernovae en zwarte gaten. Kosmische straling bestaat uit zwaardere deeltjes dan de zonnewind en –storm; complete ijzerkernen bijvoorbeeld. Ze hebben een energie tussen de 1000 en 10.000 MeV per stuk.
Veldsterkte rond een maanbasis (rechts de grond, links de ruimte). Vlak bij de grond is het veld kortgesloten. Iets hoger en de positief geladen bollen zorgen voor een positief veld; verder weg overheerst het negatieve veld. _ bron: ASRC Aerospace. Klik op de afbeelding voor een grotere versie._
Het schild van Buhler en Lane zou een veldsterkte van zo'n 150 MeV hebben. Genoeg om de zonnewind en zonnestormenbuiten de deur te houden, net als een groot deel van de kosmische straling. Die laatste kan een energie tot in de miljoenen elektronvolt bereiken, ruim voldoende om door het schild te breken. Waarom mogen die gevaarlijke deeltjes erdoor?
Overgebleven deeltjes uit de zonnewind en kosmische straling na het activeren van Buhler's schild. _ bron: ASRC Aerospace._
She cannae take any more, cap'n!
Zoals oude Star Trek-wijsheid ons leert: er zijn grenzen aan de techniek. Een schild met genoeg kracht om de supersnelle deeltjes uit de kosmische straling tegen te houden is zó sterk, dat het zijn eigen generator (in Buhler's geval een Kapton-ballon) aan stukken scheurt. Overbelasting is trouwens niet het enige probleem van het Buhler-schild…
Mobiele schilden rond landers. Een deel van de airbags die de landing breken (a) overleeft de klap (b) en wordt omhoog getakeld ©. De groene kegel is het beschermde gebied. Denk je eens een hele vloot van die beestjes in…(d). _ bron: ASRC Aerospace. Klik op de afbeelding voor een grotere versie._
Neem nou het dwarrelende maanstof: door ultraviolette straling van de zon is dat elektrisch geladen. Een elektrostatisch schild rond een maanbasis zou door al dat stof kort kunnen sluiten. En wat te denken van straling die vlak over de horizon scheert? Omdat het schild kortsluit op de grond kan zulke schuin invallende straling er onderdoor glippen. Een muurtje om de basis, of het hele complex in een krater bouwen, zijn Buhlers enige oplossingen voor dit probleem. Hij benadrukt dan ook dat zijn schild nog maar in het ontwerpstadium is en nog lang niet klaar is voor gebruik.