Helga i Zohar - pierwsi "pasażerowie" kapsuły Orion - wracają z kosmosu na Ziemię

Statek kosmiczny Orion w podróż dookoła Księżyca wyniosła w połowie ubiegłego miesiąca rakieta Space Launch System (SLS). Tak rozpoczęła się misja Artemis I, która jest jednym z kroków do powrotu człowieka na Srebrny Glob. W niedzielę kapsuła ma powrócić na Ziemię, wodując Oceanie Spokojnym.

We wtorek po godzinie 9 NASA poinformowała, że Orion znajdował się w odległości ponad 236 tysięcy kilometrów nad naszą planetą. Obiekt porusza się z prędkością 4163 kilometrów na godzinę.

25 listopada Orion dokonał najbliższego przelotu nad powierzchnią Księżyca.

Razem ze statkiem kosmicznym na Ziemi wylądują dwa fantomy umieszczone wewnątrz Oriona w ramach eksperymentu MARE (MATROSHKA AstroRad Radiation Experiment). Głównym celem misji Artemis I było przetestowanie statku załogowego Orion w locie wokółksiężycowym bez załogi, na pokładzie znalazły się fantomy. Brak pasażerów w pierwszy etapie programu Artemis postanowiono wykorzystać do zweryfikowania współczesnej wiedzy o wpływie promieniowania kosmicznego na ludzkie ciało.

Fantomom nadano nazwy Helga i Zohar, każdy z nich waży 39 kilogramów. Na drugi z nich założono pancerz ochronny AstroRad, wyprodukowany przez izraelską firmę StemRad. Fantomy wyposażone są w liczne detektory promieniowania kosmicznego.

Na zaproszenie Niemieckiego Centrum Kosmicznego (DLR) w Kolonii, koordynatora projektu MARE, w eksperymencie uczestniczy Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. Jak podkreśla w swoim komunikacie polski instytut, spośród licznych zagrożeń czyhających na astronautów podejmujących dalekie podróże kosmiczne, do najpoważniejszych i jednocześnie najtrudniejszych do wyeliminowania należy ekspozycja na szkodliwe dawki promieniowania kosmicznego.

Jak tłumaczy prof. dr hab. Paweł Bilski (IFJ PAN), eksperyment ten to "kontynuacja serii doświadczeń zrealizowanych na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w latach 2004-2009 w ramach projektu MATROSHKA, w którym także uczestniczyliśmy". "Wtedy dane dotyczące dawek promieniowania z konieczności zbierano na niskiej orbicie wokółziemskiej. Teraz, dzięki amerykańskiej misji Artemis I, nafaszerowane detektorami promieniowania ludzkie fantomy po raz pierwszy trafiły poza ochronny zasięg nie tylko ziemskiej atmosfery, ale i magnetosfery" - wyjaśnia.

Aby zdobyć informację o dawkach promieniowania kosmicznego pochłanianych przez poszczególne części ludzkiego ciała, w całej objętości fantomów co trzy centymetry rozmieszczono od czterech do sześciu niewielkich pasywnych detektorów promieniowania z fluorku litu. Dodatkowo w miejscach najważniejszych organów zostały zainstalowane aktywne detektory krzemowe. Łącznie w obu fantomach zamontowano ponad dziesięć tysięcy detektorów pasywnych i 34 aktywne - informuje IFJ PAN.

"Wkład naszego instytutu w eksperyment MARE to przede wszystkim 276 pasywnych detektorów termoluminescencyjnych w fantomie ZOHAR oraz dalszych 288 detektorów w 12 pakietach pomiarowych na powierzchni obu fantomów" - wskazuje prof. Bilski. Jak dodaje, "detektory te mają postać cienkich, białych pastylek o średnicy kilku milimetrów". Głównym materiałem używanym do produkcji detektorów z IFJ PAN jest fluorek litu wzbogacony o starannie dobrane domieszki.

Wyjaśniono, że odczyt dawki promieniowania zarejestrowanej przez detektor z fluorku litu jest możliwy dzięki zjawisku termoluminescencji. W laboratorium poszczególne detektory stopniowo podgrzewa się do temperatury kilkuset stopni Celsjusza. Dostarczona energia powoduje, że elektrony zaczynają wyskakiwać z kolejnych metastabilnych pułapek energetycznych. Część z nich szybko rekombinuje, czemu towarzyszy emisja fotonów. W rezultacie pojawia się świecenie, przez fizyków nazywane termoluminescencją.

Jak opisuje prof. Bilski, "nasze detektory z fluorku litu działają w ten sposób, że ilość światła emitowanego przy ich podgrzewaniu jest proporcjonalna do dawki zdeponowanej przez cząstki promieniowania kosmicznego, które weszły w oddziaływanie z materiałem". Zaznacza, że "odczyt informacji jest więc wiarygodny i stosunkowo prosty, aczkolwiek nietrywialny". Jak wyjaśnia, "różne pułapki w materiale mają bowiem różne właściwości i opróżniają się w różnych temperaturach".

Pomiary w ramach eksperymentu MARE mają przede wszystkim zweryfikować dotychczasową wiedzę o wpływie promieniowania kosmicznego na organizm człowieka. Priorytetem jest redukcja do minimum zagrożeń dla astronautów, ale badania mają także wymiar czysto praktyczny. Chodzi bowiem o to, aby nadmiernie restrykcyjne normy bezpieczeństwa nie ograniczały ludzkiej aktywności w dalekim kosmosie - podkreśla IFJ PAN.

Jeśli powrót statku Orion misji Artemis I zakończy się sukcesem, detektory z fantomów Zohar i Helga wkrótce wrócą do Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w celu odczytania danych. Wstępne wyniki dotyczące zarejestrowanych przez nie dawek promieniowania kosmicznego zostaną przedstawione przez międzynarodowy zespół eksperymentu MARE w ciągu pierwszych miesięcy następnego roku.

Lot z załogą w kapsule Orion jest zaplanowany w ramach misji Artemis II za dwa lata. Astronauci mają wykonać lot wokół naszego naturalnego satelity. Następnie, w 2025 roku, podczas misji Artemis III, ma nastąpić lądowanie na powierzchni Księżyca.