Förutom de välkända farorna med rymden-minusgrader, krossningstryck, isolering - astronauter står också inför risker av strålning, som kan orsaka sjukdom eller skada organ.

Även om det inte tros vara ett överhängande hot mot nuvarande uppdrag, astronauter kan en dag möta strålning från solvindar och galaktiska kosmiska strålar. Hur mycket strålning, vilken sort, och vad de förväntade hälsoeffekterna av denna exponering skulle vara för astronauter är öppna frågor bland rymdorganisationer.

Jeffery kansler, en forskare vid Institutionen för fysik och astronomi vid Texas A&M University och en doktorand i det tillämpade fysikprogrammet där, har ägnat mer än ett decennium åt att studera dessa frågor som en del av fyra NASA -uppdrag. Nyligen, samarbetar med läkare och astronaut Serena Aunon-Chancellor (NASA/University of Texas Medical Branch) och biträdande chef för NASAs Human Research Program for Exploration Research Planning John Charles (NASA), Kanslern undersökte hälsokonsekvenserna av exponering för rymdstrålning i polära banor på låg höjd.

Forskarna använde som ett testfall Manned Orbiting Laboratory (MOL), om vilka uppdragsdokument som nyligen avklassificerats.

MOL uppfanns 1963 och genomgick planering från 1965 till 1969, men faktiskt aldrig flög.

"Det var en så unik orbitalprofil, "Kanslern sa." Polar, låg höjd ... Jag kunde inte gästisera vilka effekterna skulle bli. Så, Jag bestämde mig för att ta ett steg tillbaka och tillämpa avancerade beräknings- och numeriska metoder på denna uppdragsprofil. "

De fann att den relativt minimala avskärmningen av MOL -programmets rymdfordon och dess höga lutningspolarbana skulle ha lämnat besättningen mottaglig för höga exponeringar för kosmisk strålning och solpartikelhändelser. Hade uppdraget fortsatt till 1972, astronauter skulle ha mött giftiga doser av strålning under en massiv solhändelse.

Resultaten publicerades i Aerospace Medicine and Human Performance i januari 2018.

Studien stöddes av Office of the Director of National Intelligence och gjorde omfattande användning av superdatorer vid Texas Advanced Computing Center (TACC).

ÖGON I HIMLEN

Manned Orbiting Laboratory var tänkt som ett experimentellt laboratorium för mänsklig rymdfärd, men gjordes om som en hemlig spaningsplattform 1965 under det kalla krigets höjdpunkt. Fordonet skulle ha färdats i jordbana och passerat upprepade gånger över de norra och södra polarregionerna för att bättre kunna spionera på Sovjetunionen. Denna typ av omloppsbana medför större strålningsexponering än banor närmare ekvatorn eftersom den är mindre skyddad av jordens gravitationsfält.

I augusti 1972 — tre år efter att MOL -uppdragsplaneringen avbröts på grund av uppkomsten av billigare, obemannade satelliter - Jorden upplevde en historiskt stor solpartikelhändelse. Kanslern undrade hur typisk strålning skulle ha påverkat MOL-piloter som kretsade i 30 dagar i det tunnskärmade fartyget och hur en massiv händelse som den 1972 skulle ha påverkat någon som fångats i flygning.

Forskarna fokuserade på strålning från två källor:solvindar och galaktiska kosmiska strålar. Viss rymdstrålning antas passera genom väggarna i skyttlar, medan vissa spärrar avskärmningen och orsakar en kaskad av lösa metalljoner. En del passerar genom kroppen; resten avsätter sin energi på huden eller till och med inuti kroppen, påverkar organen.

Att bestämma strålningsnivåerna som MOL-piloter skulle ha upplevt bakom fordonets lätta avskärmning innebar en hel del datamining, extrapolering och simulering. Kanslern och hans medarbetare modellerade MOL:s bana -profil, rymdvädret och geomagnetiska krafter från dessa år, och partikel och tung jontransport som en sådan bana skulle ha stött på.

Genom att kombinera dessa faktorer, provtagning av dem, och simulera dem tusentals gånger på TACC:s Lonestar5 -superdator, Kanslern och hans medarbetare fann att under normala förhållanden, MOL -besättningen skulle ha utstå 113,6 millisievert (mSv; ett mått på strålningsdosering) mot deras hud och 41,6 mSv till blodbildande organ (t.ex. benmärg eller lymfkörtlar) under en 30-dagars flygning-långt inom exponeringsgränserna för NASA-astronauter.

Dock, under det "värsta fallet" av solstormen 1972, deras hud skulle ha utsatts för 1, 770 mSv, medan deras organ skulle ha upplevt 451 mSv, som båda överskrider NASA exponeringsgränser.

Baserat på djurstudier, Kanslern och hans kollegor räknar med att sådan exponering skulle ha orsakat illamående, kräkningar, Trötthet, och möjligen hudbrännskador på besättningen. Utan snabba påskyndanden av medicinska motåtgärder, riskerna kunde ha varit ännu allvarligare.

"MOL -uppdrag i polarbana skulle ha haft ännu färre kommunikationsmöjligheter med markkontrollanter än NASA -uppdrag som kretsar mycket närmare ekvatorn - och de var inte alltför frekventa - så alla uppdrag under flygning vid den solhändelsen skulle förmodligen ha avslutats omedelbart, "sa Charles, medförfattare till studien. "Om det skulle ha varit tillräckligt snart för att förhindra sådana fruktansvärda effekter på piloter är svårt att säga."

Även om studien utforskade de historiska MOL -uppdragen, forskarna hade i åtanke framtida kommersiella rymdflygningar, som de som föreslås av SpaceX eller Virgin Galactic, som sannolikt kommer att resa en liknande bana för att bäst visa upp jordens skönhet från rymden.

"Jag tror att forskningen kommer att ha en enorm inverkan på kommersiell rymdflygning, "Kanslern sa." Det ger viss inblick för människor som försöker komma med idéer för hotell i kretslopp, eller till SpaceX eller Virgin Galactic som vill göra turistflyg, när det gäller vad de måste ta itu med för att skydda besättningen och kunderna. "

Deras metoder för att exakt förutse rymdstrålningsexponering och påverkan är också relevanta för resor till månen eller andra planeter.

ÖVERVINNAR BEGRÄNSNINGARNA FÖR RUMSTRADIATIONSPRODIKTION

Ansträngningar att simulera risk för rymdstrålning är inte nya. Faktiskt, historiska register visar att de var en del av NASA och Department of Defense rymdforskning från början. Men decennier av studier har uppnått få konkreta svar eller praktiska åtgärder för att mildra strålning, enligt forskarna.

"Trots år av forskning, förståelse för rymdstrålningsmiljön, och risken för astronauter med lång varaktighet är fortfarande begränsad, " Chancellor and his team wrote in a paper that appeared in Nature Microgravity in April 2018. "Given the intended future of human spaceflight, with efforts now to rapidly expand capabilities for human missions to the moon and Mars, there is a pressing need to improve upon the understanding of the space radiation risk, predict likely clinical outcomes of interplanetary radiation exposure, and develop appropriate and effective mitigation strategies for future missions."

Chancellor says that until recently scientists did not have the capabilities to do radiation simulations accurately.

"We were making assumptions and approaching the problem in the best possible way based on what we had available, " he said. "But this is an area where better algorithms and more powerful computers make a big difference in what's possible. I don't think we would've made this progress or understood what we're seeing without the ability to use high-performance multicore computers. It's a game-changer."

Each of the three test cases from the Manned Orbital Laboratory that the team ran on Lonestar5 required 150, 000 computational hours and generated 2.5 terabytes of data.

"Tracing 10^11 or 10^15 particles in terms of every interaction at every micron or smaller involves a humongous computational load. The fact that I could parallelize the problem and have 1, 000 processors running each computation and do that in three to four hours instead of three to four months is a huge benefit, " he said. "The more samples you take, the more accurate the results and the more confidence you have."

Not only that:the speed-up may one day enable improved decision-making for those working in mission control.

Chancellor used Lonestar5 for most of his computations, but when he re-ran some of his computations on Stampede2, TACC's latest supercomputer and one of fastest in the world, he was able to obtain a result in five minutes as opposed to five hours.

"It's smoking fast, " Chancellor said. "When I first started getting results off of Stampede, I called my friend who works in mission control for radiation at NASA and said, 'You guys have to get on this.'"

This rapid turnaround could enable NASA to run much more accurate models than they currently do to determine, in real-time, how a solar storm or other cosmic event might impact astronauts—a capability that may one day save lives.