Bolle d’acqua. Proteggere gli astronauti dai raggi cosmici

Questo post partecipa al Carnevale della Fisica – Edizione Marzo 2012: Fisica e Bolle ospitato sul blog del mio amico Marco Casolino.

Apprendo dall’aggiornatissimo sito di news spaziali AstronautiNEWS che la NASA ha rilasciato alcuni documenti inerenti alla Exploration Roadmap che  indicano per la prima volta la volontà da parte dell’agenzia spaziale americana di un ritorno di astronauti sulla superficie della Luna. Il piano definito fino ad ora prevede due missioni (EM-1 ed EM-2) circumlunari, una senza equipaggio ed una con, seguite da un piano di sviluppo generico che porti all’esplorazione di un asteroide (NEA) nella metà degli ’20 e con l’obiettivo finale di una missione con equipaggio verso Marte negli anni ’30 (Leggi su AstronautiNEWS tutta la notizia: Nuovi dettagli sulla Exploration Roadmap della NASA).

Sempre da AstronautiNEWS apprendo poi che nelle scorse settimane è stato presentato il primo studio per il possibile “Deep Space Habitat” pensato per le missioni extra-LEO di cui sopra. Caratteristica basilare su cui è basato tutto il concept è l’utilizzo massimo di tecnologie già pronte e utilizzate oggi sulla ISS, prevedendone due versioni, una prima per missioni di circa 60 giorni e una più capiente per missioni di 500 giorni, entrambe per 4 membri di equipaggio (Leggi su AstronautiNEWS tutta la notizia: Primi studi e prime proposte per il Deep Space Habitat).

Il punto che mi piaceva approfondire è quello inerente alla protezione dei moduli dalla radiazione cosmica, visto che si parla di viaggi fuori della magnetosfera terrestre. La notizia parla di una sezione dell’Hab schermata con uno scudo ad acqua, spesso 10cm circa, per la protezione dalle radiazioni di eventuali SPE (Particelle solari), e che fungerà anche da serbatoio di acqua, con 2850 litri circa. Non è invece prevista attualmente protezione da GCR (Raggi cosmici galattici).

Basta racchiudere gli astronauti in una bolla d’acqua da 10 cm di spessore per difenderli dalle particelle solari emesse durante gli eventi solari più forti? E quanti ne servirebbero invece per proteggere gli astronauti dai raggi cosmici galattici? Abbiamo già visto che le particelle cariche che formano i raggi cosmici riescono a penetrare spessori notevoli di materia e che nell’attraversarli rilasciano parte della loro energia all’interno del materiale attraversato (E se un raggio cosmico ci colpisce e E se ci colpisce quanta energia deposita?). Abbiamo anche visto, con alcune considerazioni teoriche, quali siano le migliori strategie per schermarci dalle radiazioni e che caratteristiche debbano avere gli schermi (Come proteggersi dai raggi cosmici). In accordo con quanto detto nei post passati, la schermatura di questa futura navetta è affidata ad uno spessore di 10 cm di acqua che protegge però solo dalle particelle solari e non dai raggi cosmici galattici. Infatti, come abbiamo già visto in precedenza, le particelle solari, in larga maggioranza protoni, più energetiche (e quindi più penetranti), hanno tipicamente energie inferiori a 100 MeV. Simulando lo scafo della nave spaziale come un cilindro di alluminio con due pareti da 1 cm di alluminio che racchiudono uno spessore di 10 cm d’acqua, possiamo calcolare qual è l’energia rilasciata da un protone da 100 MeV e quanto spessore il protone riesce a penetrare prima di fermarsi all’interno dello schermo.

Possiamo osservare che un protone da 100 MeV viene fermato a circa metà dello spessore (circa 5 cm). Notiamo anche come il rilascio di energia sia concentrato proprio al termine del percorso del protone.

Basta però un protone con energia di poco maggiore (150 MeV) per attraversare completamente lo spessore di 10 cm e andarsi a fermare nei primi 2 o 3 centimetri di acqua successivi allo scafo. Ricordiamo che l’acqua è in buona approssimazione equivalente ai tessuti biologici, e che quindi 2 o 3 centimetri sarà la profondità di penetrazione nel corpo umano, abbastanza cioè da andare a colpire e potenzialmente danneggiare gli organi interni di un astronauta.

Ovviamente aumentando ancora l’energia (200 MeV) la penetrazione sarà ancora maggiore, anche se come già detto in post precedenti, l’energia rilasciata sarà minore così come il possibile danno biologico associato.

Ecco quindi riproposto il problema per il quale, essendo le particelle di bassa energia meno penetranti ma più dannose, lo schermo va dimensionato correttamente per evitare che, tentando ma non riuscendo a fermare le particelle all’interno dello schermo, si producano particelle che vanno a terminare la loro corsa e a rilasciare il massimo di energia proprio nei tessuti che si intende proteggere.

La maggior parte delle particelle dei raggi cosmici galattici ha invece una energia cinetica intorno ad 1 o 2 GeV. Possiamo vedere dalla seguente simulazione che 10 cm d’acqua sono assolutamente ininfluenti nei confronti di protoni ad 1 GeV. Il rilascio medio è molto più basso di quello dei protoni a bassa energia visto sopra.

Un protone a 1 GeV viene fermato molto bene da uno schermo da 10 metri d’acqua (si ferma dopo circa 6 metri), che riesce a fermare anche protoni da 2 GeV, che attraversano fino ad 8 metri d’acqua (figura sotto).

.

Inoltre, come già detto, particelle più pesanti con la stessa energia cinetica per nucleone hanno una penetrazione minore e quindi lo schermo che riesce a proteggere da un protone a 1 o 2 GeV è in grado di fermare tutti gli altri nuclei con energia di 2 GeV/nucleone, come si vede dalla simulazione di un nucleo di Carbonio a 2 GeV.

Il problema è che portare in orbita una tale massa d’acqua è impensabile. Il modulo abitabile è un cilindro da circa 5m di diametro per il quale lo schermo da 10cm peserebbe quasi 3000 Kg. Facendo le dovute proporzioni, uno schermo da 10m di spessore verrebbe a pesare più di 500 tonnellate.

E’ dunque possibile schermare i protoni prodotti durante gli eventi solari con spessori tutto sommato contenuti d’acqua, ma risulta impossibile usare lo stesso approccio per la protezione dai raggi cosmici galattici durante lunghi viaggi interplanetari. Rimane come soluzione lo sviluppo di sistemi di protezione attivi che utilizzino campi magnetici per deflettere le particelle.