Dosimetrie in Luft- und Raumfahrt

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Abbildung 1: Die Matroshka-Puppe („angekleidet“)

Dosimetrie in Luft- und Raumfahrt

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Die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit biologischen Zellen ist ein wesentlicher Risikofaktor in der bemannten Weltraumfahrt. Die Dosisleistung ist deutlich höher als auf strahlenexponierten Arbeitsplätzen auf der Erde und die Strahlung muss daher bei bemannten Missionen aus Strahlenschutzgründen überwacht werden. Ähnliche Strahlungsfelder herrschen in der oberen Atmosphäre bis hinunter zu den Flughöhen der modernen Verkehrsflugzeuge. Strahlenschutzgesetze verlangen auch für die Besatzungen der Flugzeuge eine Überwachung der Strahlenexposition. Die Messung der Strahlung erfolgt durch zahlreiche Institute, u.a. auch durch das IEAP der Universität Kiel mit dem Instrument DOSimetrie-TELeskop DOSTEL.

Die MATROSHKA Mission

  • Europäisch-Russische Mission auf der Internationalen Raumstation ISS mit einer dem menschlichen Oberkörper nachgebildeten Puppe zur Bestimmung von Organ-Dosiswerten
  • Start am 29.01.2004 mit einer russischen Proton-Rakete zur ISS, erfolgreiche Montage auf der Außenseite der Raumstation durch die beiden ISS-Astronauten am 26.02.04. Die Aktivierung des Systems und das Einschalten der aktiven Messinstrumente ist am 15.03.04 erfolgt.
  • Missionsdauer etwa ein Jahr mit einer möglichen Verlängerung

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Abbildung 2: Die Matroshka-Puppe („nackt“)

Die Kieler Beiträge

Die Messungen der Arbeitsgruppe Extraterrestrik zur Dosimetrie in der bemannten Raumfahrt begannen mit Beteiligungen an den Mondflügen Apollo 16 und 17 im Jahre 1972. Seit dieser Zeit wurden in mehr als 30 Einsätzen die Strahlenfelder in erdnahen Umlaufbahnen innerhalb und außerhalb der Raumfahrzeuge gemessen. Neben der Dosimetrie wurden die folgenden wissenschaftlichen Themen untersucht:

  • Zusammensetzung der galaktischen und solaren Teilchenstrahlung
  • Strahlungsgürtel der Erde
  • Einfluss des Erdmagnetfeldes
  • Abschirmung durch Raumfahrzeuge
  • Veränderung der primären Strahlung in der Erdatmosphäre

Zum Einsatz kommen passive und aktive Detektorsysteme. Die passiven Systeme bestehen aus einem Paket von 0,25 mm dicken Plastikfolien, in denen die ionisierenden Teilchen beim Durchgang eine latente Spur hinterlassen. Ähnlich wie bei einer photographischen Emulsion wird dieses Bild nach Rückkehr der Folien in unser Labor für die weitere Auswertung unter einem Lichtmikroskop durch eine Entwicklung sichtbar gemacht. Der Einsatz dieser passiven Detektoren ist daher auf Missionen beschränkt, die eine Rückkehr unserer Experimente erlaubt. Die aktiven Systeme nutzen 0,3 mm dicke Silizium-Detektoren, die beim Teilchendurchgang einen elektrischen Impuls abgeben, der in einer angeschlossenen Schaltung verarbeitet und gespeichert wird. Diese Daten werden über Funksignale auf die Erde übertragen und können daher unmittelbar bzw. mit geringer Zeitverschiebung ausgewertet werden; eine Rückkehr des Instruments ist nicht mehr erforderlich. Da jedoch unsere aktiven Instrumente bisher alle auf bemannten Missionen zum Einsatz kamen, kehrten sie auch mit den Besatzungen zurück und wurden zum Teil erneut in weiteren Missionen eingesetzt. Die Kieler Experimente zur Dosimetrie im Weltraum sind bisher u.a. eingesetzt worden auf zahlreichen Flügen des NASA Shuttle (seit STS9 in 1983) sowie auf jeweils zwei Langzeitmissionen auf der MIR-Station und der Internationalen Raumstation ISS. In Zusammenarbeit mit Lufthansa, Condor und anderen Fluglinien haben wir Messungen in Verkehrsflugzeugen durchgeführt, bei denen die in der Raumfahrt bewährten Kieler Detektor-systeme eingesetzt wurden. Unsere Messungen haben zum Verständnis der Strahlen-exposition in Abhängigkeit von der Flughöhe und dem Flugweg beigetragen.