Strahlenbelastung von Astronauten bei interplanetaren Missionen

Ich denke mal, dafür ist ein eigenes Thema angebracht.

Der Radiation Assessment Detector (RAD) hat während der Reise des Marsrovers Curiosity die Strahlung im Inneren der Raumsonde gemessen. Damit gibt es nun echte Daten zur Strahlenbelastung von Astronauten bei einem Flug zum Mars.

Die durchschnittliche Strahlungsdosis war 1,8 Millisievert pro Tag. Das ist etwas das 2,5fache der Strahlung, die auf der ISS gemessen wird, 0,7 Millisievert pro Tag. Zum Vergleich: Auf der Erde ist man durch kosmische Strahlung 0,3 Millisievert ausgesetzt - pro Jahr.

Mit den Daten sollen zukünftige bemannte Missionen sicherer werden. Die erlaubte Strahlenbelastung für europäische Astronauten liegt bei 500 Millisievert pro Jahr und 1000 Millisievert für die gesamte Lebenszeit. Ein Marsflug währe damit noch machbar, bessere Abschirmung als bei der Marssonde aber wünschenswert.

Quelle: http://dx.doi.org/10.1126/science.1235989

Das Problem liegt in der Art der Berechnung für die Belastung. Da wird seit Hiroshima die Lebenszeit-Belastung verwendet, obwohl es dafür überhaupt keine wissenschaftliche Basis gibt und auch nicht geben kann.

Unberücksichtigt bleibt dabei, daß das Immunsystem sehr wohl in der Lage ist, Schäden zu reparieren, solange die Dosis nicht zu hoch ist. Dafür gibt es durch Untersuchungen in Chernobyl sehr gute Beweise, wenn auch nicht an Menschen.

Ich gehe davon aus, daß Belastungen, wie sie in der ISS oder auf dem Flug zum Mars auftreten, überhaupt keine negativen Auswirkungen haben. Mit Ausnahme der Solar Flares natürlich, für die muß es einen Schutz geben. Aber ich fürchte, die offizielle Methode wird nicht geändert.

Na überhaupt nicht ist vielleicht untertrieben. Aber die Linear no Treshold Hypothese ist auf jeden Fall nach aktueller Datenlage falsch. Der Körper besitzt viele Reparatur und Instandhaltungsmechanismen gegen Strahlenschäden ( da diese das Leben im Wasser und besonder Land schon so lange begleiten, wie es Leben gibt). Es ist noch Gegenstand der Forschung inwieweit diese Strahlenschäden kompensieren können, aber es ist zweifelsfrei klar, dass man 1 Sv Belastung mit einer Sekunde Expositionszeit auf keinen Fall mit 1 Sv nach mehreren Jahren vergleichen kann.

Bion-M dürfte da wohl bald einige interessante Ergebnisse liefern.

Reparaturmechanismen im Körper können scheinbar so einiges bereinigen. Fliegendes Personal auf Linienflügen in 10 km Höhe bekommt bis zu 7 mSv zusätzlich pro Jahr ab. Bisher habe ich aber noch nichts von dramatisch erhöhten Krebsraten gehört.

Hallo Major Tom,

(.............)
Reparaturmechanismen im Körper können scheinbar   so einiges bereinigen.(..........) 

- scheinbar...ein seltsames Wort in dem Zusammenhang ....

Mit sehr verwunderten Grüßen
Gertrud

Hallo Major Tom,

Zitat von: Major Tom am 31. Mai 2013, 20:43:07

(.............)
Reparaturmechanismen im Körper können scheinbar   so einiges bereinigen.(..........) 

- scheinbar...ein seltsames Wort in dem Zusammenhang ....

Mit sehr verwunderten Grüßen
Gertrud

Naja, setzen wir anscheinend ein statt scheinbar, dann klingt es schon ganz anders.

Dieser häufig gemachte Fehler ist nicht merkwürdiger als das häufige verwechseln von z.B where, were und we're im englischen.

Na überhaupt nicht ist vielleicht untertrieben. Aber die Linear no Treshold Hypothese ist auf jeden Fall nach aktueller Datenlage falsch. Der Körper besitzt viele Reparatur und Instandhaltungsmechanismen gegen Strahlenschäden ( da diese das Leben im Wasser und besonder Land schon so lange begleiten, wie es Leben gibt). Es ist noch Gegenstand der Forschung inwieweit diese Strahlenschäden kompensieren können, aber es ist zweifelsfrei klar, dass man 1 Sv Belastung mit einer Sekunde Expositionszeit auf keinen Fall mit 1 Sv nach mehreren Jahren vergleichen kann.

Ja, überhaupt nicht war übertrieben, das stimmt sicher. Es ist aber äußerst frustrierend, daß die offiziellen Modelle über Strahlungsschäden so falsch sind und die daraus abgeleiteten Gesundheitsrisiken dann als Hindernis oder als Grund für stark steigende Kosten von Langzeitmissionen dargestellt werden.

Übrigens kann man aus einer Chernobyl-Studie sogar ableiten, daß die permanente Strahlung dazu führt, daß der Organismus die zusätzliche Belastung durch einen Solar Flare sogar besser übersteht und nicht schlechter, wie die "Linear no Treshold Hypothese" es annimmt. Das bezog sich auf akute Strahlenkrankheit, nicht auf das Langzeit-Krebsrisiko. Aber es ist mMn nicht unwahrscheinlich, daß das Krebsrisiko dadurch auch sinkt.

Sinkt in dem Sinne, daß das Risiko durch den Solar Flare alleine größer wäre als die kombinierte Bestrahlung durch die allgemeine kosmische Hintergrundstrahlung plus Solar Flare, nicht daß das Krebsrisiko kleiner wäre als auf der Erde.

Edit: Ich glaube der letzte Absatz ist etwas konfus formuliert. Ich meinte, Hintergrundstrahlung plus Solar Flare wäre  weniger gefährlich als Solar Flare alleine, weil die Hintergrundstrahlung den Körper schon auf Strahlung trainiert hat. So hat es ein Test mit Labormäusen in Chernobyl deutlich gezeigt.

Die NASA ueberlegt, das zulaessige Risiko fuer ihre Astronauten zu erhoehen, um Fluege zum Mars zu ermoeglichen:
http://www.world-nuclear-news.org/ON-Nuclear_rocket_puts_Mars_within_reach-3105134.html

Das war zu erwarten. Enger kann der Zusammenhang zwischen Zeit und Geld nicht sein. 

Das war zu erwarten. Enger kann der Zusammenhang zwischen Zeit und Geld nicht sein. 

Oder sie wissen ganz einfach, daß die angewendeten Regeln für die Risikokalkulation falsch sind und das Risiko tatsächlich viel niedriger liegt. Siehe die Diskussion oben.

Zitat von: Gertrud am 01. Juni 2013, 00:37:44

Hallo Major Tom,

Zitat von: Major Tom am 31. Mai 2013, 20:43:07

(.............)
Reparaturmechanismen im Körper können scheinbar   so einiges bereinigen.(..........) 

- scheinbar...ein seltsames Wort in dem Zusammenhang ....

Mit sehr verwunderten Grüßen
Gertrud

Naja, setzen wir anscheinend ein statt scheinbar, dann klingt es schon ganz anders.

Dieser häufig gemachte Fehler ist nicht merkwürdiger als das häufige verwechseln von z.B where, were und we're im englischen.

Ups. Anscheinend ist da klar besser. Ich wollte da eigentlich keinerlei Wertung einfliessen lassen. Solange ich keine disbezüglichen Studien kenne, bin ich da vorsichtig. 

N'abend,

Spaceflightnow hat zu diesem Thema auch einen Artikel, darin eine Übersicht, wieviel milliSievert einzelne Ereignisse bringen:

http://spaceflightnow.com/mars/msl/130530rad/#.UaoQwIXwAQk

Gruß
roger50

Hallo Roger 50

Danke für den Artikel. Die NASA nimmt die Strahlenbelastung ernster als Führerschein.
Bevor die Menschheit zum Mars aufbricht muss erst eine Isolation für das Raumschiff
entwickelt werden (besonders bei Strahlungsausbrüchen auf der Sonne). Und es müssen
neue Triebwerke (z.B. elektrische Triebwerke) entwickelt werden, damit die Reise bis zum
Mars nicht so lange dauert.

Anders als hohe Strahlungsbelastung in kurzer Zeit ist niedriger Belastung für einen langen
Zeitraum schlecht erforscht. Aber von Reparaturmechnismen des Körpers habe ich noch
nie gehört.

Gruß von Matjes

Eine Reise zum Mars ist mit chemischem Antrieb in etwa 6 Monaten zu machen. Elektrische Antriebe sind dazu nicht nötig. Als Voraussetzung wird sowas meiner Ansicht nach meistens von Leuten propagiert, die aus welchen Gründen auch immer schlicht und ergreifend nicht zum Mars wollen, zumindest nicht in den nächsten zwanzig Jahren.

Bessere Abschirmungen sind allerdings zwingend notwendig, idealerweise besonders sichere Kammern für Strahlungsausbrüche.

... Aber von Reparaturmechnismen des Körpers habe ich noch nie gehört...

Hallo Matjes,
die normale, niedrigste Zellerneuerungsrate beim menschlichen Körper liegt n.m. Kenntnis (nicht mehr sooo neu) bei 120 d. Das bedeutet, dass es zwar keine "Reperatur" im Sinne des Austauschs von nicht funktionierenden molekularer Bausteinchen einer Zelle gibt, sondern nur "Ersatzinvestionen" für Altzellen vorgenommen werden, und damit alle Menschen nach einem Jahr "Neue Menschen" sind.
Verschlissenes Zell-Material wird demontiert und an die Umwelt zurück gegeben.
Schlimm sind die entarteten Zellen, die nur noch auf Vermehrung und Schmarotzen programmiert funktionieren, eben Krebszellen. Das geht aber mit der Exposition des Menschen in hochenergetischen Strahlungsfeldern des Weltraums leider einher.
Dort ist noch viel Raum für die Erforschung zu einer "sicheren" Passage zum Mars bzw. auch längerer Aufenthalte auf dem Erdmond.

Gruß, HausD

Bessere Abschirmungen sind allerdings zwingend notwendig, idealerweise besonders sichere Kammern für Strahlungsausbrüche.

Das ist absolut richtig, ich würde das nie bestreiten.

Schon Apollo war durchaus gut genug abgeschirmt, um schwere Schäden zu vermeiden. Auf der Reise zum Mars hätte man heute aufblasbare Habitate. Deren Material schirmt schon von den Materialeigenschaften her noch wesentlich besser ab. Solar Flares breiten sich auch entlang Magnetlinien aus, man kann das Raumschiff also entsprechend ausrichten und die Schirmung gerichtet verstärken. Schlafkammern kann man mit den Vorräten umgeben. Damit ist eine sehr gute Schirmung gewährleistet, ohne daß man extra viel Material dafür mitnehmen muß. Als Schlafkammer und als privaten Rückzugsraum würde man wohl ungefähr die Hälfte seiner Zeit in diesem besonders geschützten Bereich verbringen. Und natürlich würde man sich bei einem Solar Flare dahin zurückziehen.

Chernobyl-Forschungen haben ergeben, daß der Körper sehr wohl in der Lage ist, Beschädigungen des genetischen Codes zu reparieren.

Eine Reise zum Mars ist mit chemischem Antrieb in etwa 6 Monaten zu machen. Elektrische Antriebe sind dazu nicht nötig. Als Voraussetzung wird sowas meiner Ansicht nach meistens von Leuten propagiert, die aus welchen Gründen auch immer schlicht und ergreifend nicht zum Mars wollen, zumindest nicht in den nächsten zwanzig Jahren.

Bessere Abschirmungen sind allerdings zwingend notwendig, idealerweise besonders sichere Kammern für Strahlungsausbrüche.

eben. Fortschrittlichere Antriebe, und dadurch eine kürzere Reisezeit sind natürlich ein "Muss" für Kolonisation und Marshotels, aber für eine erste bemannte Erkundungstour reichen auch die chemischen Antriebe aus. Natürlich nur, wenn die Strahlenbelastung tatsächlich nicht zu gefährlich ist.

Warum alternative Antriebe für Kolonisation? Nur wenn es unter dem Strich kostengünstiger ist. Ein halbes Jahr ist ohne Weiteres machbar. Mit chemischem Antrieb kommt man schneller aus dem VanAllen Gürtel raus. Das senkt die tatsächlich gefährliche Strahlenbelastung.

Alternative Antriebe, SEP, sehe ich eher für langsame Versorgungsflüge. Hohe Massen mit niedriger Geschwindigkeit. Aber darauf können wir uns heute wohl noch nicht festlegen. Wer weiß, wie sich die Technik entwickelt.

Aber von Reparaturmechnismen des Körpers habe ich noch
nie gehört.

Ich war jetzt kurz versucht Paper zu posten aber ich vermute das geht viel zu sehr in fachspezifisches Wissen und ist somit nicht so einfach zu erarbeiten. Aber wie immer hat Wikipedia eine ganz gute Übersicht der DNA-Reparaturmechanismen. Das ist wohl das wichtigsten, weil hauptsächlich die DNA-Schäden für den Körper problematisch sind.
http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_repair

Ich kann aber auch kurz einen Überblick nach dem Stand meiner Kenntnisse geben:

DNA-Schäden werden entweder 1) Die Strahlung selbst oder 2) Durch durch die Strahlung enstehende freie Radikale z.B. Superoxid oder Wasserstoffperoxid.
 1) Die Stahlung verändert entweder die Basensequenz durch umwandlung bestimmter Basen gegen andere oder (wesentlich schlimmer) verbindet Basen kovalent miteinander und sorgt so dafür, dass sie der Doppelstrang nicht mehr zum Ablesen öffnen kann(Basen von versch Strängen verbunden) oder macht die Sequenz unleserlich(Nachbarbasen verbunden). Beides verhindert ein Ablesen der DNA zur Vermehrung/Transkription der DNA.
--> Im Falle des Einzelstrangs können entweder die veränderten Basen durch spezielle Suchsysteme gefunden und einzeln ersetzt, oder die gesamte Region herausgeschnitten und durch neue Basen ersetzt werden(da man ja den komplementären Strang als Referenz hat. Beim Doppelstang wird die Stelle herausgeschnitten und ersetzt(kleine Schäden) oder einfach entfernt(Risiko von Genknockouts--->Krebsrisiko falls Krebskontrollgene betroffen). Ausserdem ist eine Reperatur mittels homologer Rekombination(http://en.wikipedia.org/wiki/Homolog_recombination) möglich.

 2) Die Radikale greifen Proteine und die DNA an und modifizieren diese...bei der DNA greifen ähnliche Mechanismen wie beim direkten Schaden. Zusätzlich werden die Radikale durch spezielle Mechanismen z.B. den Einsatz von Antioxidantien neutralisiert. Dies macht der Körper sowieso, weil beim Stoffwechsel(besonders Energiestoffwechsel) ständig Radikale anfallen.
 
Proteinschäden sind weniger wichtig bei niedriger Belastung. Proteine werden in der Zelle sowieso recht schnell ersetzt und funktionslose zusätzlich aktiv detektiert.....das stellt also bei niedriger dauerhafter Belastung kein relevantes Problem dar.


Diese Mechanismen sind in der Zelle dauerhaft gefordert, da nicht zwischen den ursachen der DNA-Mutation unterschieden wird und es ja neben radioaktiver Strahlung noch UV-Strahlung und Chemikalien sowie der eigene Stoffwechsel ständig Mutationen erzeugen.

Kommen die Reparaturmechanismen nicht mehr mit mit den Schäden zurecht ist die Zelle meist sowieso nicht mehr lebensfähig und leitet die Apoptose(kontrollierte Demontage) von selbst ein. Im seltenen Fall dass jedoch die Zelle nur ihre Wachstumsregulation verliert und zur Krebszelle wird gibt es Mechanismen in der Zelle, die deswegen nach außen hin als Feind für das Immunsystem markieren und dieses sich dann um die Einleitung des Zelltodes kümmert. Manchmal wird aber auch dieser Mechanismus beschädigt...erst dann kommt es zu einer Krebserkrankung....dies ist jedoch sehr selten wenn man bedenkt dass eigentlich ständig Krebszellen im Körper entstehen.
Alle diese Mechanismen verlieren mit dem Alter an Effektivität.....deswegen auch die explodierenden Krebsraten im hohen Alter.

Solange aber die Limits des Reparatursystems nicht überschritten werden sollte also eigentlich keine Erhöhung des Krebsrisikos auftreten.

Da ich selbst aber kein Strahlenbiologe bin ist dies nur meine (mit Studien fundierte) Meinung/ unvollständige Einsicht in die relevanten Prozesse. Definitiv gibt es noch andere (auch uns unbekannte) Kontroll-, und Reparaturmechanismen die am Werk sind.

Ich hoffe dass ich das einigermaßen verständlich darstellen konnte.

Zum Thema chemische Antriebe vs. elektrische beim Marsflug: Fliegt man den klassischen Weg hin und zurück mit chemischen Antrieben ist man mehr oder weniger auf 2,5 Jahre Missionsdauer festgelegt. Weiter oben war zu lesen, der Flug und damit die Strahlenbelastung dauert nur je 6 Monate, das ist nur teilweise richtig, der Hin -und Rückflug würde in etwa jeweils 6 Monate dauern, aber die lange Zeit Aufenthalt am Mars ist doch auch einzubeziehen, denn mangels nennenswertem Magnetfeld und kaum Atmosphäre ist an der Marsoberfläche bzw. im Orbit die Strahlenbelastung fast genau so hoch wie im interplanetaren Raum. Abgesehen davon ist so eine lange Zeit problematisch, in 2,5 Jahren kann viel passieren, mit der Psyche oder körperlichen Gesundheit der Astronauten, technische Probleme, Lebensmittelvorräte etc. Das Risiko das da was schief geht ist imho recht hoch. Abgesehen davon gabs bislang noch ja noch nicht mal im Erdorbit eine Mission bei der ein Astronaut nur annähernd so lange ununterbrochen im All war. Imho zu viele Unwegbarkeiten und man sollte von Anfang an versuchen die Gesamtmissionsdauer zu verkürzen - vorallem für die ersten Flüge wo man noch Erfahrung sammeln muss.

Eine kürzere insgesamte Missionsdauer ist mit chemischen Antrieben aus bahnmechanischen und energetischen Gründen kaum zu realisieren, Ausnahme wäre eine alternative Route mit Flyby an der Venus beim Rückflug, das wäre dann ein paar Monate kürzer, da tauchen dann aber wieder andere Probleme auf.

Mit elektrischen Antrieben wäre es aber möglich, in weniger als einem Jahr wieder zur Erde zurück zu kommen, nach dem Start die halbe Flugzeit beschleunigen, dann die zweite Hälfte bremsen, so könnte man den Mars viel schneller "einholen" und nach einigen Tagen/Wochen auf dem Mars wieder den Rückflug antreten und die Erde noch "einholen" bevor sie hinter der Sonne verschwindet und müsste nicht wie bei chemischen Antrieben über ein jahr am Mars warten bis die Erde wieder in richtiger Position ist.

Dazu bräuchte man halt entsprechnde elektrische Energie zur Verfügung gestellt von einem Kernreaktor und ein passendes Triebwerk. VASIMR wäre da als Beispiel zu nennen, das ist regelbar, viel Schub/wenig ISP bzw. wenig Schub/viel ISP. Das ist in etwa so wie die Gangschaltung im Auto, im ersten Gang kann man stark bescheunigen, dafür ist es ineffizienter und man erreicht keine hohen Geschwindigkeiten, im sechsten Gang kann man dann zwar kaum noch beschleunigen aber hohe Geschwindigkeiten erreichen(Ist jetz nicht fachlich genau richtig, veranschaulicht es imho aber ganz gut) .Genau das richtige um mit viel Schub schnell von der Erde wegzukommen und dann "hochschalten" und mit viel Speed zum Mars zu fliegen bevor dann umgekehrt abgebremst wird um in den Marsorbit einzuschwenken....

Gruß, Gerry

Hallo Atlan,
ich habe mir den http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_repair Beitrag auch schon durchgelesen, vermisse aber : Zellerneuerung. Denn nur die permanente Zellerneuerung erhält unseren menschlichen Körper am Leben, da die echte Lebenszeit einer Zelle nicht unserer Gesamtlebensdauer entspricht.
Daher halte ich den Begriff "Reparatur" für den falschen Begriff, - auch wenn er sich aus dem repair-Verwender-Bereich immer wieder propagiert wird.
DNA kann jedoch bei der natürlichen Herstellung der Kopie trotz bestimmter Fehler des Ausgangsmaterials zu einem Teil wieder in der Ursprungsform weiter angefertigt werden.
Doch der Träger der DNA ist die Zelle mit ihren Stoffwechsel- und Reproduktionsmechanismen, und wenn die durch hochenergetische Strahlung zerstört wird, ist diese einschließlich aller Repro-Prozesse verloren.

Gruß, HausD

Nein ist sie eben nicht. Wird die DNA beschädigt, dann werden die betreffenden Bereiche bei Detektion ersetzt oder einfach entfernt. Damit ist die Funktionsfähigkeit/Reproduktionsfähigkeit der DNA und damit der Zelle wiederhergestellt. Wenn das nicht Reparatur ist, was dann? Was du unter Zzellerneuerung verstehst ist doch die Erneuerung von Gewebe durch Zellteilung oder? Das ist aber sowieso nur möglich wenn die zelluläre Funktionsfähigkeit auf molekularer Ebene gewahrt bleibt. Das geschieht u.A. durch Reparaturmechanismen wie die aufgeführten. Ich halte den Begriff Reparatur deswegen für absolut zutreffend.

Nochmal:
 Es wird nicht das Alte wieder hergerichtet, sondern das vollständig Neue wieder richtig hergestellt. = Replikation
Reparatur ist Altes so ergänzen, dass es wieder wie Neues ist - Viel Alte, mit etwas Neuem drin...
Daher stoße ich mich an Reparatur - da ich das, was ich weggeschmissen habe, nicht mehr habe und nicht reparieren kann - eben nur neu herstellen...

Gruß, HausD

Naja es werden nur kleine DNA-Bereiche ausgetauscht ....vielleicht 20-30 basenpaare von mehreren Milliarden im Genom.....also viel Altes und ein wenig Neues.....ich sehe immer noch nicht das Problem an Reparatur.

Hallo Gerry.

Da ist so einiges falsch. Die Astronauten sind nicht 2 1/2 Jahre im All, nur zweimal ein halbes Jahr. Den großen Rest sind sie auf dem Mars und da ist das Strahlungsniveau viel niedriger. Das fängt damit an, daß die Planetenmasse die Hälfte der Strahlung abschirmt. Die Atmosphäre ist dünn aber sie fängt trotzdem noch einiges ab. Weniger von dem, was senkrecht runterkommt, aber deutlich mehr von dem was horizontnah ankommt. Also insgesamt sehr viel weniger als die Hälfte.Den Schutz in den Habitaten kann man nach oben konzentrieren, dann ist es nochmal weniger.

Schwerelosigkeit ist auch nur zweimal ein halbes Jahr. Und das hat man in der ISS und in MIR schon oft genug probiert. Zusammen mit modernen Trainingsmöglichkeiten und Medikamenten ist das eindeutig kein Problem.

Die Dauer erhöht das Risiko, das ist richtig. Aber da die Astronauten ausgesucht gesund und fit sind, ist das Risiko trotzdem überschaubar.

Sicher sind Ionenantriebe langfristig wünschenswert, aber so zu tun, als ob man sie unbedingt braucht, scheint mir wie ein Argument, lieber nciht zu fliegen in den nächsten 30 Jahren. So starke Antriebe, daß man die Flugdauer mit den hohen benötigten Massen schnell absolvieren kann, sind noch lange nicht zu erwarten.