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Bei GSI entsteht das neue Beschleunigerzentrum FAIR. Erfahren Sie mehr.

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Sicherheit von Astronauten: Forschungen bei GSI und FAIR für den besten Schutz vor Weltraumstrahlung

Foto: G. Otto/GSI

Lithiumhydrid im Blickfeld

Foto: A. Zschau/GSI

Innenansicht der Beschleunigungsstrecke

Copyright: ESA, C. Carreau

ESA-Mission Mars Express

 

11.06.2019

Es ist leicht, fest und könnte bei künftigen Raumfahrtmissionen in die Tiefen des Weltalls eine wichtige Rolle spielen: Lithiumhydrid, eine salzartige chemische Verbindung von Lithium und Wasserstoff. Entscheidende Anhaltspunkte für eine mögliche Eignung von Lithiumhydrid als Abschirmmaterial gegen kosmische Strahlung haben jetzt Forschungspartner aus Deutschland und Italien gefunden. Das internationale Team um die Wissenschaftler Marco Durante, Christoph Schuy, Felix Horst und Uli Weber von der Abteilung Biophysik des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt mit weiteren Partnern hat seine Ergebnisse im Journal „Radiation Research“ veröffentlicht.

Der Schutz für Menschen im All vor kosmischer Strahlung ist eine große Herausforderung für die Weltraumforschung. Schädliche Auswirkungen der Weltraumstrahlung stellen vor allem bei zukünftigen Langzeitmissionen ein ernsthaftes Gesundheitsrisiko für Astronauten dar. Solche Strahlungseffekte müssen sowohl in der Entwurfsphase von Raumschiffen als auch in der Missionsplanung berücksichtigt und minimiert werden. Hinzu kommt als einschränkender Faktor das Gewicht, das mit an Bord eines Raumfahrtzeugs genommen werden kann. Neue Materialien mit besserer Abschirmleistung bei geringerem Gewicht sind also gefragt. Vor allem, wenn es um Deep-Space-Missionen geht, bei denen die Strahlung noch intensiver ist als im erdnahen Orbit.

Das internationale Wissenschaftlerteam hat dieses Thema nun gemeinsam bearbeitet. Die Forscherinnen und Forscher kommen neben dem GSI Helmholtzzentrum vom Institut für Medizinische Physik und Strahlenschutz der Technischen Hochschule Mittelhessen in Gießen, dem Trento Institut für Grundlagenphysik und Anwendungen (TIFPA) in Povo, der Physikabteilung der University of Trento in Povo, der Abteilung für Angewandte Wissenschaft und Technologie der Politecnico di Torino in Turin, sowie den Abteilungen für Physik und für Chemie und NIS (Centre for Nanostctured interfaces and surfaces) der University of Torino in Turin. Auch Thales Alenia Space in Turin ist in das Team eingebunden. Das Unternehmen betreut für die europäische Raumfahrtagentur ESA das ROSSINI-Projekt für die Optimierung des Strahlenschutzes von Astronauten, ein langjähriges, gemeinsames Forschungsprojekt von ESA und GSI.

Das Ziel des Teams: Geeignete Abschirmmaterialien ausfindig machen, die besser sind als die gut bewährte Standardlösung Hart-Polyethylen, die derzeit beispielsweise auf der Erde oder in den Schlafbereichen der erdnahen internationalen Raumstation ISS zum Strahlenschutz eingesetzt wird. Aufgrund des hohen Wasserstoffgehalts von Hydriden wurde Lithiumhydrid als vielversprechenden Ausgangspunkt für weitere Studien ausgewählt.

Die Untersuchungen wurde überwiegend an der Beschleunigeranlage auf dem GSI- und FAIR-Campus in Darmstadt durchgeführt, wo Teilchenstrahlung, wie sie im Weltall herrscht, erzeugt und für Experimente zur Verfügung gestellt werden kann. Das Forscherteam bewertete in seinen Experimenten die Abschirmleistung von Lithiumhydrid unter anderem durch Messungen mit hochenergetischen Kohlenstoffstrahlen. Zudem konnten genaue Daten zum Benchmarking von Monte-Carlo-Simulationen bereitgestellt werden. Solche Simulationen werden für Risikoabschätzungen in Studien ohne Teilchenbeschleuniger eingesetzt, um eine statistische Übersicht über Strahlungseffekte zu erhalten.

Die Untersuchungen, die jetzt veröffentlicht wurden, deuten darauf hin, dass Lithiumhydrid ein guter Kandidat als Abschirmmaterial sein könnte. Der Leiter der GSI-Abteilung Biophysik, Professor Marco Durante, fasst zusammen: „Die ersten experimentellen Ergebnisse legen nahe, dass Lithiumhydrid zur Verbesserung des Strahlenschutzes für Menschen während einer langfristigen Weltraummission geeignet ist.“ Lithiumhydrid könnte somit eine effektive Strategie zum Schutz des Menschen bei der langfristigen Erforschung des Sonnensystems sein. „Es könnte das richtige Material auf dem Weg zum Mars sein.“

Auch der Experimentverantwortliche Dr. Christoph Schuy hält die Lithiumhydrid-Verbindungen für aussichtsreich. Dies stelle die Forscher und Ingenieure aber noch vor einige Aufgaben, wie beispielsweise die genaue Bestimmung der Neutronenproduktionsquerschnitte bei hohen Energien oder das sichere Ummanteln des Materials.

Noch ist es ein Blick in die Zukunft, weitere Experimente bei höheren Energien und mit schwereren Ionen sind notwendig, um die Abschirmfähigkeit von Lithiumhydrid und anderen vielversprechenden Lithium-Verbindungen vollständig zu beurteilen. Auch die potenzielle Entstehung von Sekundärstrahlung muss untersucht werden, ebenso eine möglicher Zweitnutzen des Abschirmmaterials beispielsweise in Lithiumhydrid-basierten Batterien im Raumfahrtzeug. Professor Durante erläutert: „Wir müssen jetzt komplexe, realistische Strukturen testen, die die realen Wände von Raumfahrzeugen simulieren, wobei Lithiumhydrid enthalten ist. Diese Tests haben bereits im Februar im Rahmen des FAIR-Phase-0-Experimentierprogramms begonnen und werden durch das ESA-ROSSINI3-Projekt finanziert.“

Schon seit Jahren arbeiten ESA und GSI sehr erfolgreich in mehreren Forschungsprojekten gemeinsam. Am künftigen Beschleunigerzentrum FAIR, das derzeit bei GSI entsteht, werden diese Möglichkeiten noch erheblich erweitert: FAIR wird Experimente mit einem noch größeren Spektrum an Teilchenenergien und -intensitäten erlauben und die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung so genau simulieren können wie keine andere Beschleunigeranlage. Vor gut einem Jahr hatten ESA und FAIR eine engere Zusammenarbeit beschlossen und eine Kooperationsvereinbarung zur Erforschung kosmischer Strahlung unterzeichnet. (BP)

Mehr Informationen

Artikel in Radiation Research (auf Englisch)


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Lithiumhydrid im Blickfeld
Innenansicht der Beschleunigungsstrecke
ESA-Mission Mars Express
Zu Pellets gepresst lässt sich Lithiumhydrid gut mit Ionenstrahlen untersuchen. Im Foto ist ein Experimentaufbau mit Detektoren zu sehen, die erfassen, wie das Material die kosmische Strahlung abschirmt.
Der GSI-Ringbeschleuniger SIS18 und künftig die FAIR-Anlage ermöglichen wegweisende Untersuchungen zur Erforschung kosmischer Strahlung.
Bevor es eine astronautische Mission zum Mars geben kann, ist viel Forschung nötig, beispielsweise durch die ESA-Mission Mars Express.
Foto: G. Otto/GSI
Foto: A. Zschau/GSI
Copyright: ESA, C. Carreau