Sebuah tim peneliti dari University of Rochester Medical Center (URMC) di New York telah mengumumkan hasil penelitian mereka. Astronot jangka panjang di luar angkasa, misalnya, selama penerbangan ke Mars, bisa menimbulkan gangguan kesehatan akibat radiasi galaksi. Secara khusus, untuk degenerasi otak, dan bahkan mungkin timbulnya penyakit Alzheimer.
Sebelumnya, pada 2012, kesimpulan serupa dilaporkan para ilmuwan Rusia. Seperti yang ditulis Natalia Teryaeva di surat kabar Ploschad Mira, “jika Anda terbang dalam ekspedisi Mars dengan pesawat ruang angkasa modern, penerbangan akan memakan waktu setidaknya 500 hari. Selama periode misi luar angkasa ini, kesehatan para astronot bisa hilang tanpa bisa diperbaiki.
Hal ini dibuktikan dengan hasil studi ahli radiobiologi dan fisiologi Rusia, yang dibahas di Joint Institute for Nuclear Research (JINR) pada pertemuan kunjungan Biro Departemen Fisiologi dan Kedokteran Fundamental Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia.
Para ilmuwan melihat bahaya terbesar dalam radiasi galaksi: radiasi galaksi dapat menghilangkan penglihatan dan nalar seseorang, tanpanya tidak mungkin mencapai target atau kembali ke rumah.
Pernyataan peneliti tentang bahaya ion berat bagi organisme astronot tidak spekulatif, melainkan berdasarkan data dari percobaan akselerator pada hewan yang dilakukan di Laboratory of Radiation Biology of the Joint Institute for Nuclear Research (LRB JINR) bekerjasama dengan Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences (IMPB RAS), Institute of Biokimia RAS (IBCh RAS) dan bekerja sama dengan ahli biologi dari Badan Antariksa Nasional Amerika (NASA).
Ion berat lebih menakutkan dari proton
Di luar angkasa - di luar medan magnet bumi - radiasi kosmik berbahaya yang berasal dari kedalaman galaksi menunggu manusia.
Video promosi:
"Sinar kosmik galaksi adalah aliran partikel elementer - ion ringan dan berat," jelas Mikhail Panasyuk, direktur Skobeltsyn Research Institute of Nuclear Physics (SINP MSU). - Atom sinar kosmik tidak memiliki cangkang elektronik, pada kenyataannya, mereka adalah inti yang "telanjang". Alasannya adalah interaksi dengan materi dalam proses perpindahannya di Alam Semesta. Unsur paling umum dari sinar kosmik adalah hidrogen, dan ion-ionnya adalah proton. Partikel-partikel ini dipercepat oleh gelombang kejut - sisa-sisa ledakan supernova. Bintang-bintang seperti itu meledak di galaksi kita tidak lebih dari sekali setiap 30-50 tahun.
Fluks partikel sinar kosmik galaksi adalah konstan, tidak seperti sinar kosmik matahari, yang dihasilkan di Matahari atau di media antarplanet selama jilatan api matahari. Karena itu, kontribusi total sinar kosmik matahari dalam kurun waktu yang lama tidak signifikan. Tetapi selama fluks matahari (selama beberapa jam, hari), fluks sinar kosmik matahari dapat melebihi fluks sinar kosmik galaksi. Selain itu, energi partikel sinar kosmik matahari biasanya lebih kecil daripada partikel sinar kosmik galaksi. Ada juga sinar kosmik ekstragalaktik yang memasuki galaksi kita dari galaksi lain. Energi mereka lebih besar daripada energi sinar kosmik galaksi, tetapi fluksnya jauh lebih sedikit. Sinar kosmik memiliki rentang energi yang sangat besar: dari 106 (1 MeV) hingga 1021 eV (1 ZeV)."
Spektrometer massa-energi yang dipasang pada satelit penelitian luar angkasa mencatat komposisi sinar kosmik. Ternyata kurang dari satu persen dari semua partikel radiasi galaksi adalah ion berat dengan energi 300 - 500 MeV / nukleon - inti dari unsur kimia berat. Fraksi ion ringan dan berat radiasi galaksi mengandung sebagian besar ion karbon, oksigen, dan besi - dari unsur-unsur stabil ini, inti bintang terbentuk sebagai hasil evolusi bintang.
Hasil pengukuran satelit antariksa dijadikan dasar untuk perhitungan model selanjutnya, yang menunjukkan bahwa di luar magnetosfer bumi, sekitar 105 ion berat jatuh per sentimeter persegi luas per tahun, dan sekitar 160 partikel per hari dengan muatan Z lebih besar dari 20. Artinya selama penerbangan ke Mars di setiap hari jumlah seperti itu akan jatuh per sentimeter persegi dari permukaan tubuh kosmonot.
Ion berat kosmik begitu energik sehingga "menembus" kulit pesawat ruang angkasa modern di ruang terbuka, seperti bola meriam yang membombardir sutra halus. Ilmuwan dari Laboratory of Radiation Biology of JINR telah menemukan bagaimana hal ini dapat membahayakan kesehatan pembawa pesan Bumi dalam perjalanan panjang.
Ke Mars - dengan sentuhan?
“Kami berhasil mencari tahu mengapa dosis yang sama dari radiasi yang berbeda (fluks ion berat, neutron, radiasi gamma) menyebabkan efek berbeda pada sel hidup,” kata Evgeny Krasavin, Direktur LRB JINR, Anggota Terkait RAS. - Ternyata perbedaan efektivitas aksi radiasi yang berbeda dikaitkan dengan karakteristik fisik radiasi dan sifat biologis sel hidup itu sendiri - kemampuannya untuk memperbaiki kerusakan DNA setelah iradiasi. Dalam percobaan dengan akselerator ion berat, kami menemukan bahwa kerusakan DNA yang paling parah terjadi di bawah pengaruh ion berat. Perbedaan antara dampak sinar-X (berkas foton) dan berkas ion berat dapat dibayangkan seperti ini: menembakkan tembakan kecil dari senjata ke dinding adalah bahaya dari sinar-X,Menembak bola meriam di dinding yang sama adalah kehancuran dari satu ion berat. Partikel berat, yang memiliki massa besar, kehilangan lebih banyak energi per unit jarak yang ditempuh daripada partikel yang lebih ringan. Itulah sebabnya, melewati sel, ion berat dalam perjalanannya menghasilkan kerusakan besar. Ketika sebuah partikel berat melewati inti sel, lesi "tipe kluster" terbentuk dengan beberapa putusnya ikatan kimia dalam fragmen DNA. Mereka menyebabkan berbagai jenis kerusakan kromosom yang parah pada inti sel. "Ketika sebuah partikel berat melewati inti sel, lesi "tipe kluster" terbentuk dengan beberapa pemutusan ikatan kimia dalam fragmen DNA. Mereka menyebabkan berbagai jenis kerusakan kromosom yang parah pada inti sel. "Ketika sebuah partikel berat melewati inti sel, lesi "tipe cluster" terbentuk dengan beberapa putusnya ikatan kimia dalam fragmen DNA. Mereka menyebabkan berbagai jenis kerusakan kromosom yang parah pada inti sel."
Lebih lanjut, logika penalaran para ilmuwan adalah sebagai berikut. Ion hidrogen (proton) dengan energi 200-300 MeV / nukleon memiliki waktu untuk berjalan sepanjang 11 cm di dalam air sebelum terjadi perlambatan total. Tubuh manusia terdiri dari 90% air. Mengekstrapolasi hasil ini ke tubuh manusia yang hidup, kita mendapatkan kesimpulan: bahkan ion cahaya dalam perjalanannya dapat merusak ribuan sel di tubuh kita. Dalam kasus ion berat dengan muatan lebih dari 20, hasil yang lebih menyedihkan bagi kesehatan harus diharapkan.
Organ manusia apa yang dapat dirusak oleh ion berat galaksi yang paling parah dan mengancam nyawa?
- Jika Anda berpikir untuk berkembang biak secara aktif - memperbaharui dengan cepat - jaringan tubuh, seperti darah atau kulit, maka kerusakannya karena sifat alami akan cepat pulih, - jelas direktur LRB JINR Yevgeny Krasavin. - Tetapi pada jaringan statis - sistem saraf pusat, mata, yang tidak memiliki kemampuan alami untuk memperbaiki kerusakan dengan cepat, aliran ion berat yang konstan akan memiliki efek berbahaya berlapis, menyebabkan kematian sel secara teratur. Tapi sistem saraf pusat dan mata adalah "chip" pengatur tubuh kita.
Dalam percobaan pada hewan di Dubna, sekelompok ahli radiobiologi yang dipimpin oleh Akademisi Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia Mikhail Ostrovsky mempelajari mekanisme efek ion berat pada struktur mata - lensa, retina, dan kornea. Pada akselerator JINR, tikus dan larutan kristal (protein) lensa mereka diiradiasi dengan berkas proton 100-200 MeV.
“Lensa mata manusia dan vertebrata 90% terdiri dari kristal alfa, beta, dan gamma,” kata Akademisi Ostrovsky dalam pidatonya pada pertemuan kunjungan Biro Departemen Matematika Fisik dan Mekanika Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia. - Kandungan protein ini dalam lensa kira-kira sama, tetapi mereka berbeda secara signifikan dalam struktur dan berat molekul. Paparan radiasi ultraviolet atau radiasi dapat menyebabkan agregasi kristal - munculnya serat buram di lensa. Sebagai hasil dari agregasi, konglomerat penghamburan cahaya besar terbentuk, yang menyebabkan pengaburan lensa, yaitu perkembangan katarak. Melewati lensa mata, bahkan ion berat tunggal setelah beberapa saat dapat menyebabkannya menjadi keruh.
Kembali ke Bumi sebagai Homo sapiens
Setidaknya dari semua ahli radiobiologi telah mempelajari efek merusak dari ion berat pada sistem saraf pusat. Menurut para ahli NASA, selama misi Mars 2 hingga 13 persen sel saraf akan dilintasi oleh setidaknya satu ion besi. Dan satu proton akan terbang melalui inti setiap sel tubuh setiap tiga hari. Oleh karena itu, ada bahaya serius berupa pelanggaran yang tidak dapat diubah terhadap reaksi perilaku awak kapal. Ini membahayakan keseluruhan misi. Otak adalah alat yang sangat halus, dan gangguan pada bagian-bagian kecilnya dapat menyebabkan hilangnya fungsi seluruh tubuh, seperti yang terjadi pada orang yang pernah mengalami stroke atau mereka yang menderita penyakit Alzheimer.
Di Laboratorium Radiasi Luar Angkasa NASA di Brookhaven, menggunakan berkas ion besi yang dipercepat menjadi energi 1 GeV / nukleon, radiasi galaksi disimulasikan pada pra-akselerator ion berat dari penumbuk RHIC di Brookhaven National Laboratory. Percobaan tikus itu disebut "tes kognitif". Area padat kecil ditempatkan di kolam bundar di bawah lapisan tipis air buram. Tikus laboratorium, pertama sehat dan kemudian diiradiasi dengan berkas ion besi, diluncurkan ke kolam ini dan memantau seberapa cepat hewan dapat menemukan area ini dan memanjatnya. Tikus yang sehat dengan cepat menemukan situs tersebut dan berjalan ke arahnya melalui jalur terpendek. Iradiasi dengan ion berat secara dramatis mengubah fungsi kognitif (kemampuan belajar) hewan. Sebulan setelah penyinaran, perilaku tikus berubah drastis. Dia melingkarUntuk waktu yang lama dia mengitari kolam, sampai dia hampir secara tidak sengaja berhasil merasakan tanah yang kokoh di bawah kakinya. Kemampuan berpikir hewan itu sangat rusak. Tidak ada efek seperti itu yang diamati ketika tikus diiradiasi dengan sinar-X dan radiasi gamma.
Untuk merepresentasikan konsekuensi yang mungkin timbul dari iradiasi tubuh manusia dengan ion berat, perlu untuk "memainkan" model bahaya kosmik pada primata, para peneliti percaya. Meski demikian, bahaya yang terungkap pada hewan pengerat dari efek radiasi galaksi dari ion berat cukup meyakinkan untuk tidak memikirkannya ketika berencana mengirim orang dalam penerbangan panjang ke Mars.
Bagaimana menghindari masalah
Dari apa yang diketahui fisikawan dan ahli biologi saat ini, risiko kerusakan radiasi pada astronot tidak dapat dikurangi menjadi nol selama lebih dari satu tahun perjalanan ke Mars. Metode untuk mengurangi risiko tersebut selama ini ada dalam bentuk ide.
Ide pertama: merencanakan penerbangan ke Mars selama siklus matahari maksimum. Pada saat ini, fluks sinar kosmik galaksi akan berkurang karena fakta bahwa medan magnet antarplanet tata surya akan membelokkan lintasan sinar kosmik galaksi, berupaya mengurangi intensitas partikelnya dan "menyapu" partikel dengan energi kurang dari 400 MeV / nukleon dari tata surya.
Ide kedua adalah secara signifikan mengurangi dosis radiasi dari radiasi galaksi dengan bantuan perlindungan kapal yang andal dan untuk menyediakan dalam struktur kapal tempat penampungan kompartemen khusus dengan perlindungan yang lebih kuat dari aliran kuat angin matahari yang tidak dapat diprediksi. Jenis bahan pelindung baru sedang dikembangkan yang akan menjadi lebih efektif daripada aluminium yang digunakan saat ini, misalnya, plastik yang mengandung hidrogen seperti polietilen. Dengan bantuan mereka, dimungkinkan untuk membuat perlindungan yang mampu mengurangi dosis radiasi hingga 30-35% pada ketebalan 7 cm. Benar, ini tidak cukup, kata para ilmuwan, ketebalan lapisan pelindung harus ditingkatkan. Dan jika tidak berhasil, kurangi durasi penerbangan secara signifikan - katakanlah, setidaknya hingga 100 hari. Seratus hari adalah angka yang sejauh ini hanya dapat dibenarkan secara intuitif. Tetapi bagaimanapun juga, Anda harus terbang lebih cepat.
Ide ketiga: untuk memasok pilot pesawat ruang angkasa Mars dengan obat anti-radiasi efektif yang secara signifikan dapat memperkuat ikatan antara protein DNA, mengurangi kerentanan mereka terhadap pemboman ion berat.
Ide keempat: membuat medan magnet buatan di sekitar pesawat ruang angkasa, mirip dengan medan magnet bumi. Ada proyek magnet toroidal superkonduktor, di dalam dan di luar bidangnya mendekati nol, agar tidak merusak kesehatan astronot. Medan kuat magnet semacam itu harus mengalihkan sebagian besar proton dan inti kosmik dari pesawat ruang angkasa, dan mengurangi dosis radiasi sebanyak 3 - 4 kali selama ekspedisi ke Mars. Prototipe magnet semacam itu telah dibuat dan akan digunakan dalam eksperimen untuk mempelajari sinar kosmik di Stasiun Luar Angkasa Internasional.
Namun, hingga gagasan untuk melindungi awak Mars belum menemukan perwujudannya, hanya ada satu jalan keluar, kata ahli radiobiologi: melakukan studi radiobiologis terperinci dalam kondisi terestrial pada akselerator ion berat, yang, dalam kondisi terestrial, akan mensimulasikan efek merusak dari inti berat berenergi tinggi yang memancar dari kedalaman galaksi. Di antara akselerator unik tersebut adalah Nuclotron dari Laboratorium Fisika Energi Tinggi JINR dan kompleks penumbuk NICA yang dibuat atas dasarnya. Para ilmuwan menaruh harapan besar pada kemampuan instalasi ini.
Dan jika kita terburu-buru untuk terbang ke Mars, maka inilah saat yang tepat untuk membangun pesawat luar angkasa yang lebih cepat, atau meninggalkan impian penerbangan berawak di luar angkasa untuk sementara waktu. Biarkan robot melakukan perjalanan untuk saat ini.
