Das Matroschka-Experiment und die kosmische Strahlung - Chronik

Alle Partikel und Strahlen aus dem All jedweder Couleur und Energie belasten den Menschen auch auf der Erdoberfläche. Da gibt es schnelle Wasserstoffkerne, welche die Sonne ausschleudert, energiereiche Gammaquanten und schwere Atomkerne, beispielsweise von Eisen, die von fernen Sternexplosionen stammen. Bei diesen Teilchen der kosmischen Strahlung handelt es sich vornehmlich um Protonen, Heliumkerne und Elektronen. Gerade bei den höchsten Energien findet man allerdings auch sehr viele Eisenkerne. Neben unserer Sonne werden Sternexplosionen in der Milchstraße und aktive Galaxienkerne außerhalb der Milchstraße als mögliche Quellen gehandelt. Der Ursprung insbesondere der energiereichen Teilchen ist bislang aber noch nicht eindeutig geklärt. Während die Anzahl hochenergetischer Teilchen von fernen Quellen über Jahre hinweg nahezu konstant bleibt, kann die Menge der niederenergetischen Partikel von der Sonne zum Teil sehr stark schwanken. Ursache dafür sind meist Eruptionen auf der Sonnenoberfläche. Lange Zeit wurde die Strahlenbelastung aus dem Weltraum bei Astronauten mit Sensoren auf der Haut oder am Raumanzug gemessen. Unklar ist jedoch, wie stark die inneren Organe betroffen sind. Diese Frage wurde Anfang des neuen Jahrtausends mit dem Experiment Matroschka geklärt. Die Puppe war eine Nachbildung des menschlichen Körpers. Im Innern des Kunststofftorsos, der das menschliche Gewebe simuliert, befand sich ein echtes menschliches Skelett. &bdquo;Die Materialien sind innerhalb der Puppe wie in einer Zwiebel schichtweise angeordnet&bdquo;, erklärt der Projektleiter vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln, der dieses Experiment federführend begleitete. Matroschka, dessen Namen an die bunten, ineinander geschachtelten, russischen Puppen angelehnt ist, spiegelt ein in Scheiben zerlegbares, menschengroßes Phantom wider, dessen Komponenten eine ähnliche Strahlenempfindlichkeit zeigen wie die Organe eines Menschen. Es war 68 kg schwer, 1,1 m hoch, hatte einen Durchmesser von 60 cm und weder Arme noch Beine. Es enthielt echte menschliche Knochen und Kunststoffe, die das Absorptionsverhalten menschlicher Organe nachahmten. In die Scheiben eingelassen waren ca. 600 Sensoren. Eine äußere Karbonfaserstruktur umhüllt das Phantom, das zudem von einer Sauerstoffschicht umlagert wird. Ziel war es, die Auswirkung von kosmischer Strahlung auf den Menschen wurde mit Matroschka zu überprüfen. Dazu wurde diese Matroschka-Puppe am 24. Januar 2004 mit einem Progress-Raumschiff zur ISS transportiert und vom 15. März 2004 bis 18. August 2005 außerhalb der ISS angebracht, um dort die Strahlenbelastung zu messen (MTR-1). Ab Dezember 2005 setzte man sie in die Internationale Raumstation (ISS) in 300 km Höhe. Dieser Torso kehrte im Jahr 2009 zur Erde zurück, um ausgewertet zu werden. Krebsrisiko bei Marsflug Das ermöglichte es, aus der leicht messbaren Außenstrahlung die innere Belastung bei späteren Flügen zu berechnen. Gerade die kosmische Strahlung ist vor allem bei Langzeitflügen gefährlich. So schätzen Weltraummediziner der Nasa, dass die Apollo-Astronauten bei ihren Mondreisen einer dreimal höheren Strahlendosis ausgesetzt waren als ihre heutigen Kollegen in der ISS. DLR-Forscher haben errechnet, dass sich die Wahrscheinlichkeit, während etwa eines Marsflugs an Krebs zu erkranken, um 25 Prozent gegenüber dem Leben auf der Erde ansteigt. Seit seiner Ankunft auf der ISS hat der Matroschka-Versuchsaufbau gut funktioniert. In seinem Inneren war kein nennenswerter Druckverlust festzustellen, und auch die Temperatur blieb im Rahmen des Erwarteten. Die aktiven Detektoren im Inneren des Behälters haben bereits eine verwertbare Menge an Daten geliefert, die laufend zur Analyse an die beteiligten Wissenschaftler weitergeleitet wurden. Darüber hinaus ist eine weitere Versuchsrunde namens Matroschka II.B geplant, bei der aktive Strahlungs-Dosimeter zum Einsatz kommen sollen. Diese wurden bereits in der ersten Matroschka-Versuchsrunde verwendet und sind daher schon am Versuchsaufbau montiert. Daten in Köln ausgewertet Während die passiven Detektoren nach dem Rücktransport auf die Erde analysiert werden, um Daten zu den kumulierten Strahlungsdosen zu erhalten, meldeten die aktiven Detektoren die gemessenen Strahlungswerte in Echtzeit. Die Ergebnisse wurden damals an das Moskauer Missionskontrollzentrum übertragen und anschließend zur Auswertung an die Forscher im Kölner Nutzerunterstützungszentrum (MUSC) weitergeleitet. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse berichtet die ESA (European Space Agency) folgende Erkenntnisse: Zwei der aktiven Dosimeter, DOSTEL und SSD, wurden von der Universität Kiel gebaut. Bei DOSTEL (DOSimetrie-TELeskop) handelt es sich um ein Teleskop-Messgerät für geladene Teilchen. Es erfasst Teilchenraten, Dosisraten und lineare Energieübertragungsspektren (LET) für Strahlung aus den Van-Allen-Gürteln, aus dem &bdquo;tiefen Raum“ (Deep Space) und von der Sonne. Das SSD (Silizium-Szintillator-Dosimeter) hingegen ignoriert geladene Teilchen und ermöglicht es dadurch, die Neutronendosis zu messen. Ein weiteres aktives Dosimeter verbarg sich hinter der Abkürzung TEPC (Tissue Equivalent Proportional Counter, gewebeäquivalenter Proportionalzähler). Dabei handelt es sich um eine Niederdruck-Ionisierungskammer, die von 1,9 mm gewebeäquivalentem Material (A-100) umgeben ist. Der TEPC misst alle Strahlungsarten und kann pro Minute ein LET-Spektrum aufzeichnen. Gebaut wurde er am Johnson Space Center der NASA im amerikanischen Houston. Sobald alle vertraglichen Formalitäten geregelt sind, sollen die aktiven Dosimeter Mitte des nächsten Jahres für die Matroschka II.B-Experimente aktiviert werden. Bedingt durch die Kombination verschiedenster Teilchen- und Photonenstrahlung mit unterschiedlicher Energie und linearem Energietransfer (LET) ist die Dosimetrie im Weltraum schwierig. Der Körper wird nicht homogen belastet. Die Matroschka-Puppe erhielt außerhalb der Station 0,9 mGy/d auf der Oberfläche (gleichbedeutend wie die Haut des Menschen) und 0,2–0,4 mGy/d im Bereich der tieferen Organe. Die Äquivalentdosis betrug 1,3 mSv/d außerhalb der Station und ca. 0,5 mSv/d innerhalb. Zum Vergleich: die natürliche Hintergrundstrahlung auf der Erdoberfläche liegt in Mitteleuropa bei ca. 0,006 mSv/d, wobei dieser Wert die Messgröße für die biologische Wirkung ionisierender Strahlung auf den Menschen ist. Ihre Einheit ist J/kg mit dem speziellen Namen Sievert (Sv). 1 mSv = Mikrosievert ist der millionste Teil des Sievert. 1 mSv = Millisievert ist der tausendste Teil des Sievert. Diese Einheit, die nach dem schwedischen Mediziner und Physiker Rolf Sievert benannt ist, dient im Strahlenschutz zur Quantifizierung von Risiken (Krebs und/oder vererbbare Defekte) im Zusammenhang mit Strahlungsexposition infolge von ionisierender Strahlung.