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Die kosmische Strahlung ist eine hochenergetische Teilchenstrahlung, die von der Sonne, der Milchstraße und fernen Galaxien ausgeht. Sie besteht vorwiegend aus Protonen, Elektronen und vollständig ionisierten Atomen. Auf die äußere Erdatmosphäre treffen etwa 1000 Teilchen pro Quadratmeter und Sekunde, wobei die meisten durch Wechselwirkungen mit den Gasmolekülen in der Atmosphäre abgeschwächt werden. Diese Wechselwirkungen erzeugen sogenannte Teilchenschauer, von denen nur ein kleiner Bruchteil die Erdoberfläche erreicht. Im Weltraum hingegen fehlt dieser Schutz, was kosmische Strahlung zu einer der größten Herausforderungen für Menschen und Technologie im All macht.

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Relevanz in der Geschichte und darüber hinaus#

Die kosmische Strahlung spielt eine zentrale Rolle in der Geschichte, da sie nicht nur technische Herausforderungen mit sich bringt, sondern auch die grundlegende Frage aufwirft, wie der menschliche Körper in einer lebensfeindlichen Umgebung bestehen kann. Der menschliche Körper ist nicht für den Weltraum geschaffen, und dies wird in der Handlung immer wieder thematisiert. Strahlung ist dabei eine unsichtbare, aber allgegenwärtige Bedrohung, die langfristige Auswirkungen auf die Gesundheit der Crew haben kann.

Ein Beispiel ist die Konstruktion der Wasserschicht in den Gondeln der Thjodhild, die nicht nur als Schutz vor Mikrometeoriten dient, sondern auch eine wirksame Abschirmung gegen kosmische Strahlung bietet. Details zur Schutzhülle der Gondeln und ihrer spezifischen Schutzwirkung gegen kosmische Strahlung werden ausführlich im Beitrag Wissen-Thjodhild Gondeln beschrieben.

Zahlen und Werte wie die effektive Strahlendosis oder die Dicke der Wasserschicht sind keine reinen Hintergrundinformationen, sondern werden in der Geschichte mehrfach aufgegriffen, um die existenziellen Herausforderungen der Raumfahrt zu verdeutlichen. Der Umgang mit dieser unsichtbaren Gefahr zieht sich wie ein roter Faden durch die Handlung.

Blaue Punkte sind mit Strahlendosimetern gemessene Werte, rote Karos solche, die aus der biologischen Wirkung der Strahlung auf die Astronauten rekonstruiert wurden (Biodosimetrie), beide gemessen in Milligray, einer Einheit, die nur die Energie der Strahlung betrachtet. Die hohlen Quadrate zeigen die entsprechende biologisch wirksame Dosis in Millisievert an. Die Strahlenbelastung steigt mit der Missionsdauer und der Entfernung von der Erde. Während Mercury- und Gemini-Missionen überwiegend kurz waren und in Erdnähe blieben, entfernte sich Apollo aus dem Erdmagnetfeld und Shuttle-Missionen waren meist zwei Wochen lang; Shuttle-Missionen zum Hubble-Weltraumteleskop entfernten sich weiter von der Erde, weil das Teleskop doppelt so hoch die Erde umkreist wie die meisten Shuttle-Orbits. Missionen der Raumstationen Skylab, Mir und ISS dauerten Wochen bis Monate. Missionen des Lunar Gateway, welches den Mond umkreisen soll, werden Wochen dauern und solche mit dem ehemals geplanten „Deep Space Transport“, einer Fähre vom Gateway zum Mars, hätten Monate bis zu einem Jahr gedauert. Sie sind direkte Entsprechungen der Strahlenbelastung des Spaceship auf dem Weg zum Mars. Mars-Missionen erreichen Dosen über 1000 mSv, die gesundheitsgefährdend sind. Copyright Lisa_C_Simonsen_Cary Zeitlin_NASA_2017

Fakten#

Art und Ausmaß verschiedener Arten von Strahlenexpositionen#

Art der StrahlenquelleEffektive Dosis im JahrSumme
Natürliche Strahlenquellen   
Kosmische Strahlung
(auf Meeresniveau)
0,3 mSv 		 
Terrestrische Strahlung    
Außerliche Bestrahlung 0,4 mSv  
Einatmen von Radon 1,1 mSv  
sonstige innere Strahlung0,3 mSv    
Summe natürliche Strahlenquellen   ~2 mSv
Künstliche Strahlenquellen    
Medizinische Anwendungen1,9 mSv  
Kernkraftwerke (Normalbetrieb)< 0,01 mSv  
Folgen des Tschernobyl-Unfalls< 0,016 mSv  
Atombombenversuche<0,01 mSv  
Sonstige künstliche Strahlung< 0,02 mSv  
Summe künstliche Strahlenquellen  ~2 mSv
Summe nat. + künstl. Strahlenquellen   ~4 mSv

Geschätzte Strahlenexposition pro Jahr im Weltall#

Aufenthaltsort im AllEffektive Dosis im Jahr
interstellar300–700 mSv
interplanetar≈ 200 mSv (bei ruhiger Sonne)
Mond≈ 100 mSv (bei ruhiger Sonne)

Zunahme der Strahlenexposition durch kosmische Strahlung mit der Höhe, Abnahme des terrestrischen Anteils#

Höhe über dem ErdbodenEffektive Dosis im Jahr
300 km ( Außenbordeinsatz des Space Shuttles)400–500 mSv (bei ruhiger Sonne)
300 km ( Space Shuttle)100–200 mSv (bei ruhiger Sonne)
10 km ( Flugzeug-Reisehöhe)40 mSv (bei Daueraufenthalt)
3800 m1,8 mSv
3000 m1 mSv
2000 m0,6 mSv kosmisch + ca. 1 mSv terrestrisch
0 m0,3 mSv kosmisch + 0,5–2 mSv terrestrisch

Folgen kurzzeitiger und akuter Strahlenexposition#

Dosis bei kurzzeitiger ExpositionStrahlenschäden
>500 mSvVeränderungen im Blutbild, Schäden an Embryos
1000 mSvAkute Gefahr für die Gesundheit, beginnende Strahlenkrankheit (Übelkeit, Erbrechen, Haarausfall)
2000 mSvStrahlenkrankheit, Hautschäden, etwa 10% Todesfälle
3000 mSvBlutungen, schwere Veränderungen im Blutbild, etwa 20% Todesfälle
4000 mSvSchwere Entzündungen, 50% Todesfälle innerhalb von 5 Wochen
Ab 6000 mSvMehr als 90% Todesfälle, selbst durch Transplantation von Knochenmark kann man die Mehrzahl der Verletzten nicht mehr retten.

Text-Fakten#

  • Die Berufslebensdosis für strahlenexponierte Personen soll 0,4 Sv, für Astronauten 1–4 Sv nicht überschreiten.
  • Der Prozessortyp, der im Rover Perseverance seinen Dienst verrichtet, soll laut dem Hersteller Strahlendosen bis 10.000 Gy vertragen. Zum Vergleich: Ein Wert von 6 Gy gilt für einen Menschen als absolut tödlich.

Welche Substanz bietet die beste Abschirmung gegen kosmische Strahlung?#

Die Wahl des richtigen Materials zur Abschirmung kosmischer Strahlung ist eine der größten Herausforderungen in der Raumfahrt. Materialien wie Wasserstoff, Bor oder Blei können abhängig von der Art der Strahlung effektive Barrieren bilden. Wasserstoffhaltige Materialien, wie Kunststoffe oder Wasser, sind besonders wirksam, da sie hochenergetische Partikel gut abbremsen können.

Für geladene Teilchen, etwa Protonen, sind Magnetfelder eine effektive Lösung, da sie die Strahlung umlenken können. Ohne das Erdmagnetfeld wäre das Leben auf der Erdoberfläche kaum möglich. Im Weltraum sind jedoch rein magnetische Schutzsysteme aufgrund des enormen Energiebedarfs und der technischen Komplexität schwierig umzusetzen.

In der Praxis kommen häufig Materialkombinationen zum Einsatz, um verschiedene Strahlungsarten gleichzeitig abzuschirmen. Beispielsweise könnte die Außenhülle eines Raumschiffs aus faserverstärktem Kunststoff bestehen, ergänzt durch Schichten aus Borkarbid oder Blei, um sowohl kosmische Strahlung als auch Mikrometeoriten abzuwehren. Wasserstoffhaltige Materialien könnten im Inneren verwendet werden, um zusätzlichen Schutz zu bieten.

Trotz aller Bemühungen bleibt die Abschirmung im Weltraum eine Frage des Kompromisses: Eine stärkere Schutzwirkung erfordert oft eine größere Materialmenge, was das Gesamtgewicht des Raumschiffs erheblich erhöht. Große Raumschiffe haben hier den Vorteil, dass sie ein günstigeres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweisen, wodurch der Strahlenschutz effektiver gestaltet werden kann.

Dosisreduktion durch Wasser#

Wasser ist ein effektiver Strahlenschutz im Weltraum, da es aufgrund seines hohen Wasserstoffgehalts besonders gut hochenergetische Partikel abbremst. Die Schutzwirkung hängt von der Dicke der Wasserschicht und der Art der Strahlung ab. Hier sind typische Werte für die Dosisreduktion kosmischer Strahlung durch Wasser:

Dicke der Wasserschicht (m) Reduktion der Strahlungsdosis (%) Typische Dosis nach Schutz (mSv/Jahr)
0,1 ~10% 900 (hohe Belastung)
0,5 ~50% 500
1,0 ~75% 250
1,5 ~90% 100 (moderate Belastung)
2,0 ~95% 50 (niedrige Belastung)

Analyse der Schutzwirkung#

Dicke von 0,5 bis 1,5 m:#

  • 0,5 m: Bietet eine signifikante Reduktion (~50%) und ist ausreichend für kurzfristige Missionen.
  • 1,0 m: Liefert guten Schutz für Langzeitmissionen mit mittlerer Strahlungsexposition.
  • 1,5 m: Optimaler Schutz für Langzeitmissionen oder stationären Betrieb.

Dicke über 1,5 m:#

  • Eine zusätzliche Wasserschicht über 1,5 m verbessert den Schutz nur geringfügig (z. B. von 90% auf 95%). Daher ist 1,5 m ein sinnvoller Kompromiss zwischen Gewicht und Schutzwirkung.

Empfehlungen für die Thjodhild#

Während des Flugs:#

Die Tanks der Wasserschicht bleiben leer, um Gewicht zu sparen. Der Schutz der Besatzung wird durch die Torpor-Kapseln gewährleistet.

Stationärer Betrieb:#

Eine Wasserschicht von 1,0 bis 1,5 m wird eingefüllt, abhängig von der Strahlungssituation (z. B. Nähe zur Pluto-Oberfläche oder bei erhöhter Sonnenaktivität).

Lektüre#

Kategorie Wissen

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