Under det kommande decenniet planerar NASA och Kina att skicka de första besättningsuppdragen till Mars. Detta kommer att bestå av att båda organen skickar rymdfarkoster 2033, 2035, 2037 och var 26:e månad efter det för att sammanfalla med Mars-motståndet (dvs när Jorden och Mars är närmast i sina banor). Det långsiktiga syftet med dessa program är att etablera en bas på Mars som kommer att fungera som ett nav som rymmer framtida uppdrag, även om kineserna har förklarat att de avser att deras bas ska vara en permanent sådan.

Utsikten att skicka astronauter på den sex till nio månader långa resan till Mars innebär flera utmaningar, för att inte tala om de faror de kommer att möta när de utför vetenskapliga operationer på ytan. I en nyligen genomförd studie genomförde ett internationellt team av forskare en undersökning av marsmiljön – från topparna på berget Olympen till dess underjordiska fördjupningar – för att hitta var strålningen är lägst. Deras resultat skulle kunna informera framtida uppdrag till Mars och skapandet av Mars livsmiljöer.

Teamet leddes av Jian Zhang, en biträdande professor från School of Earth and Space Sciences (ESS) vid University of Science and Technology i Kina. Han fick sällskap av kollegor från ESS och CAS Center for Excellence in Comparative Planetology i Kina, Institute of Experimental and Applied Physics (IEAP) i Kiel, Tyskland, och Russian Academy of Sciences (RAS) Institute of BioMedical Problems och Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics (SINP) i Moskva. Artikeln som beskriver deras fynd publicerades nyligen i Journal of Geophysical Research:Planets .

När det gäller uppdrag till Mars och andra platser bortom låg omloppsbana om jorden (LEO), är strålning alltid ett pågående problem. Jämfört med jorden har Mars en svag atmosfär (mindre än 1% av lufttrycket), och det finns ingen skyddande magnetosfär som skyddar ytan från sol- och kosmisk strålning. Som ett resultat av detta antar forskare att skadliga partiklar, särskilt galaktiska kosmiska strålar (GCR), kan fortplantas och interagera direkt med atmosfären och till och med nå Mars under ytan.

Men nivån på strålningsexponeringen beror på hur tjock atmosfären är, som förändras på grund av höjden. Inom låglänta områden som Mars berömda kanjonsystem (Valles Marineris) och dess största krater (Hellas Planitia), uppskattas atmosfärstrycket till över 1,2 respektive 1,24 kPa. Detta är ungefär dubbelt så mycket som genomsnittet av 0,636 kPa och upp till 10 gånger atmosfärstrycket på höghöjda platser som Olympus Mons (det största berget i solsystemet).

Dr. Jingnan Guo, en uppskattad professor med IEAP vid Christian-Albrechts-University och medlem av den kinesiska vetenskapsakademin (CAS), var professor Jian Zhangs doktorsexamen. handledare och en medförfattare på uppsatsen. Som hon förklarade för Universe Today via e-post:

"Olik höjd betyder olika atmosfärisk tjocklek. Platser på hög höjd har i allmänhet en tunnare atmosfär ovanpå. Högenergetisk partikelstrålning behöver passera genom atmosfären för att nå Mars yta. Om atmosfärens tjocklek ändras kan ytstrålningen också förändras. Således kan höjden påverka ytstrålningen från Mars."

För detta ändamål övervägde teamet påverkan av atmosfäriska djup på strålningsnivåerna på mars. Detta inkluderade den absorberade dosen mätt i rad; dosekvivalenten, mätt i rems och sievert (Sv); och kroppens effektiva doshastigheter inducerade av GCR. Detta bestod i att modellera strålningsmiljön med hjälp av en toppmodern simulator baserad på programvaran GEometry And Tracking (GEANT4) utvecklad av CERN.

Känd som Atmospheric Radiation Interaction Simulator (AtRIS), använder denna programvara Monte Carlo sannolikhetsalgoritmer för att simulera partikelinteraktioner med Mars atmosfär och terräng. Som Dr. Guo illustrerade:

"Vi använder en Monte Carlo-metod som kallas 'GEANT4' för att modellera transporten och interaktionen av energiska partiklar med Mars atmosfär och regolit. Mars miljö är inrättad med hänsyn till Mars atmosfäriska sammansättning och struktur och regolitegenskaper.

"Ingångspartikelspektra på toppen av Mars atmosfär erhålls också från datakalibrerade modeller som beskriver den allestädes närvarande partikelstrålningsmiljön i det interplanetära rymden som inkluderar laddade partiklar av olika arter som huvudsakligen är protoner (~87%), heliumjoner (12%) och även små spår av tyngre joner som kol, syre och järn."

De fann att högre yttryck effektivt kan minska mängden tungjonstrålning (GCR) men att ytterligare avskärmning fortfarande behövs. Tyvärr kan närvaron av denna avskärmning leda till "kosmiska strålduschar", där effekten av GCR mot avskärmning skapar sekundära partiklar som kan översvämma en livsmiljös inre med varierande nivåer av neutronstrålning (aka. neutronflöde). Dessa kan avsevärt bidra till den effektiva stråldos som astronauter kommer att absorbera.

De fastställde att både neutronflödet och den effektiva dosen nådde en topp vid cirka 30 cm (1 fot) under ytan. Lyckligtvis erbjuder dessa fynd lösningar när det gäller att använda Martian regolit för avskärmning. Sa Dr. Guo:

"För en given tröskel för den årliga biologiskt vägda effektiva stråldosen, t.ex. 100 mSv (en kvantitet som ofta anses vara den tröskel under vilken strålningsinducerad cancerrisk är försumbar), sträcker sig det erforderliga regolitdjupet mellan cirka 1 m och 1,6 m . Inom detta intervall, vid en djup krater där yttrycket är högre, är den extra regolitskärmning som behövs något mindre. Medan på toppen av berget Olympus är den nödvändiga extra regolitskärmningen högre."

Baserat på deras fynd skulle de bästa platserna för framtida livsmiljöer på Mars vara belägna i låglänta områden och på djup av 1 m och 1,6 m (3,28 till 5,25 fot) under ytan. Därför skulle det norra låglandet, som utgör större delen av det norra halvklotet (aka. Vastitas Borealis), och Valles Marineris vara mycket lämpliga platser. Förutom att ha tjockare atmosfärstryck har dessa regioner också rikligt med vattenis precis under ytan.

Om allt går enligt planerna kommer astronauter att sätta sin fot på Mars yta om drygt ett decennium. Detta kommer att bestå av transiter som varar sex till nio månader (med undantag för utvecklingen av mer avancerad framdrivningsteknik) och ytoperationer på upp till 18 månader. Kort sagt, astronauter kommer att behöva brottas med hotet om förhöjd strålning i upp till tre år. Som sådan måste detaljerade begränsningsstrategier utvecklas i god tid.

NASA och andra rymdorganisationer har investerat avsevärd tid, energi och resurser för att utveckla habitatdesigner som utnyttjar 3D-utskrift, In-Situ Resource Utilization (ISRU) och till och med elektromagnetisk skärmning för att säkerställa astronauternas hälsa och säkerhet. Det finns dock fortfarande obesvarade frågor om hur effektiva dessa strategier kommer att vara i praktiken, särskilt med tanke på hur lång tid besättningarna kommer att spendera på Mars-ytan.

"Vår studie kan tjäna för att mildra strålningsrisker vid utformning av framtida Mars-habitat med naturligt ytmaterial som avskärmande skydd", säger Dr Guo. "Forskning som denna kommer därför att vara av stort värde när uppdragsplanerare börjar överväga design för framtida Mars-habitat som är beroende av naturligt ytmaterial för att ge strålskydd."