Stråling i rummet.
I februar 2002 blev der vist en film i TV , hvor man fremkommer med argumenter for at man aldrig har været på månen. Et af argumenterne er at strålingen i Van Allen bælterne er så kraftig at der skal 2m bly til at stoppe det, og at denne stråling ville give voldsomme stråleskader, hvorefter man viser billeder af voldsomme stråleskader, formentlig fra Hiroshimabomben.
Rummet uden for Van Allen bælterne.
Lad os først se på rummet uden for Van Allen bælterne.
Udstrålingen fra solen er et bredt spektrum der spænder fra røntgenstråling til radiobølger.
Solvinden består hovedsalig af protoner og elektroner med
lave energier. Den gennemsnitlige tæthed i stille perioder er 5 protoner pr cm3,
som bevæger sig bort fra solen med en hastighed på 400km/s. Det svarer til en
flux-tæthed på 
med en
gennemsnitsenergi på nogle keV. I aktive perioder kan flux-værdierne variere
med en faktor 20, og energierne kan blive op til nogle hundrede MeV.
90% af den galaktiske kosmiske stråling består af protoner og nogle få alfapartikler.
Energierne er i GeV området , men fluxen er meget lav ca. 2,5 partikler pr cm2/s.
Van Allen bælterne.
Van Allen bælterne er en zone rundt om jorden , hvor partikelstrålingen fra solen fanges af jordens magnetfelt. Sammensætningen af partikler varierer med afstanden til jorden. Man taler ofte om to Van Allenbælter et ydre ( elektronbælte) og et indre (protonbælte), men overgangen mellem dem er ikke skarp.
Figur 1a) viser fordelingen af elektronstrålingen med energier større end 1MeV.
På figuren kan ses at flux-tætheden vokser med en faktor ti i de yderste ringe.
Bemærk x-aksen og y-aksen er afstand i jordradier, RJ= 6378 km. Jordens centrum er i (0,0) og Jorden har en radius på 1.
Det ses at fluxtætheden for 1MeV elektroner er størst i ca. 4RJ som svarer til
20.000km’s højde over jordoverfladen, her er fluxtætheden ca. 
.
figur 1a) 1MeV
Fluxtætheden er størst i bæltet fra 6.300km til 38.000km’s højde.
Hvilke energier de øvrige elektroner har, fremgår af figuren 1b)nedenfor. Der er under 1 elektron pr cm2, pr sek., med energier over 7MeV, de er ikke med på figuren.
Figur 1b)Elektronflux
Figur 2a) viser fordelingen af protonstrålingen med energier over 10MeV ( bemærk x-aksen viser at vi er tættere på jorden)
Figur
2a ) 10MeV protoner
Igen
kan vi se at de yderste ringe ændrer flux-tætheden med en faktor 10. Den
inderste med en faktor 2.
(Bemærk igen at x-aksen og y-aksen er afstand i jordradier , som er 6378 km)
Vi kan se at den største fluxtæthed for protoner er
i et meget lille
område i ca 1,7 jordradier svarende til 4.500km’s højde over jordoverfladen,
bæltet strækker sig fra ca.3.000km til ca.10.000km’s højde over jordoverfladen.
.
Af figur 2b) nedenfor kan man se at der er ca. 12.000 protoner pr cm2, pr sek., med energier over 100MeV i området omkring 1,5 jordradier eller i ca. 3.000km’s højde.
Figur 2b) Protonflux
Fluxtætheden i Van Allen bæltet er undersøgt nøje, bla. fordi det har en stor kommerciel interesse. Kommunikationssatellitterne bevæger sig nemlig i dette område.
De geostationære satellitter bevæger sig i en højde af 35.955km, (eller 42.332 km fra centrum ) hvilket svarer til 6,6 jordradier, dvs. uden for det højenergirige partikkelbælte.
Når de ladede partikler træffer en satellit og bremses op, dannes der bremsestråling i form af hård røntgenstråling, og den har stor indtrængningsdybde.
Højenergipartikler kan beskadige satellitternes elektronik, og især kan de forandre dataindholdet ved at beskadige halvlederkomponenterne.
Lad os se nærmere på rækkevidden af elektronstrålingen og protonstrålingen i aluminium.
Figur 3)
Som vi kan se af figur 3) skal der ca. 4 cm aluminium til helt at stoppe en proton med energien 100MeV, og der skal ca. 1 cm aluminium til at stoppe elektroner med energien 4 MeV.
Under alle omstændigheder drejer det sig ikke om 2m bly
som filmen omtalte.
Nogle energier stoppes ikke helt af raketskjoldet , men en væsentlig del af strålingen må siges at blive stoppet af raketskjoldet.
Strålingen bremses dog noget af skjoldet, således at en stråling med energien 100MeV , ikke vil have denne energi efter passage af raketskjoldet.
Lad os regne på hvilken dosis man modtager fra protonstrålingen på 100MeV, hvis man befinder sig uden for rumskibet i den zone hvor partikeltætheden er størst.
Når bemandede rumraketter sendes op , sendes de igennem områder hvor fluxtætheden uden for rumskibet maksimalt er på 12.000 protoner pr cm2, pr sek , når det drejer sig om protoner med energier over 100MeV. Dette er i området omkring 3.000km’s højde.
På figur 2b) kan man se at området med størst fluxtæthed
strækker sig over ca. 
.
Data fra Apollo turene viser at raketterne i dette område bevæger sig medhastigheder op til 10km/s , passagen af dette område tager således ca. 3,5 min.
Da vi skal både frem og tilbage vil raketten være ca. 7 min i dette område.
På 7 min rammes man af 
protoner pr cm2.
Overfladen af et menneske kan beskrives ved formlen:
, i m2
, Krop og Energi s 39.
M=massen af astronauten i kg , lad os sige at han vejer 80kg, H= højden af astronauten i cm, lad os sige at han måler 180cm. Vi får da A=2m2=20.000cm2. Hele overfladen rammes ikke,
protonerne der bevæger sig i et magnetfelt har alle samme retning ( elektronerne er modsatrettede), lad os regne med at kroppen vender en tredjedel af arealet direkte mod strålingen.
Astronauten rammes således af 
.
Disse har energien 
Hvis vi antager at protonerne stoppes helt af kroppen bliver
helkropdosis således 
. (Dog vil mest stoppes på de yderste 1cm af
kroppen)
Vi får således 
, da det er protonstråling med Q=10.
Til sammenligning er 0,05Sv grænsen pr år, for at arbejde med radioaktive stoffer ifølge ICRP ( International Commission on Radiological protection). 1 Sv giver mærkbar strålesyge.
Da strålingen stoppes på det yderste lag, kan der således ikke herske tvivl om, at det er klogest at blive inde i rumskibet.
Opgave1) Antag at strålingen stoppes på den yderste cm af kroppen. Antag at massefylden af kroppen er 1 g/cm3, hvilken dosis modtager huden da pga. protonstrålingen?
Astronauterne
havde dosimetre på under deres rumrejse ( tabel 1).
Dengang regnede man i rad.
1 rad =10-2J/kg
Dvs. 1,14rad=0,0114Gy var den samlede dosis for en astronaut på Apollo 14 rumrejsen.
tabel 1)
Er det farligt at arbejde i rummet?
På steder som Månen og Mars er intensiteten af røntgenstrålingen og gammastrålingen så lav at de ikke udgør nogen fare, selvom man befinder sig uden for rumskibet, kun i rumdragt.
Det er højenergipartikler som trænger gennem rumskibet der udgør en fare for astronauten.
De
mest energirige partikler går direkte igennem rumskibet, eller kan ved
kollision med rumskibet danne stråling der er farligere end den oprindelige
stråling.
Viden om både mængden og typen af stråling som astronauter udsættes for er stadig mangelfuld. ESA har givet et skøn over hvilken dosis der optræder bag 4mm beskyttende skjold i Van Allenbæltet, her kan man se at bremsestrålingen giver en dosis der er 100 gange mindre end protonstrålingen, mens elektronstrålingen i det ydre bælte er betydelig.
Figur 4) viser dosis ( rad/ år) bag et skjold på 4mm, hvis satellitten befinder sig i kredsløb om jorden i den givne højde i Van Allenbæltet.
Figur 4)
Af figur 1a) og 2a) kan vi se at , når rumskibe skal sendes op, så skal de sendes op lidt skråt, således at området med den største flux-tæthed undgås. (Af Apollo data, kan man se at raketterne er sendt op 72˚ i forhold til horisonten, mod Nord –Øst) .
Man arbejder i dag med hydrogenholdige forbindelser som polyetylen som stråleværn,
de er både lettere og bedre end aluminium.
Øst for Sydamerika ligger protonlaget særligt lavt hele året ( ca. 400km oppe). Dette fænomen kaldes Det Syd Amerikanske anomali SAA.
figur 5)
MIR har
foretaget målingerne på figur 5) .
80mrad
pr dag svarer til 0,008Sv pr dag.
Når MIR og rumfærger befinder sig i dette område holder astronauterne sig inde i rumskibet for at beskytte sig mod strålingen.
Satellitter rammes også ofte når de passere dette område. figur 6)
SEU står her for Singel Event Upset,
altså hvor mange gange satellitten er blevet forstyrret af en højenergipartikkel.
figur 6)
Man kan nok ikke forvente at arbejdstilsynets regler gælder i
rummet, det vil nok altid være en farlig arbejdsplads.
Opgave 2): Hvilke elektronenergier kan passere 4mm aluminium?
Lad os se på elektroner med energien 4MeV.
Prøv at vurdere hvor længe rumskibet er i zonen med elektronenergier på 4MeV, forudsat at det styrer lige gennem det værste bælte. ( Hvilken strækning drejer det sig om? hvilken hastighed mon raketten har?)
Vurder hvilken dosis astronauten får uden for rumskibet , ved passage af denne zone.
Sammenlign med den samlede dosis det forventes at man får bag 4mm skjold, i dette område.
Vil du vide mere?
Kilder til denne tekst:
http://www.romteknologi.no/view_html?b=38 Meget om satellitter og stråling i rummet.
http://spider.ipac.caltech.edu/staff/waw/mad/mad19.html en anden beregning
http://lsda.jsc.nasa.gov/books/apollo/S2ch3.htm om doser
http://history.nasa.gov/SP-4029/Apollo_18-20_Ascent_Data.htm om hastigheder
http://www.estec.esa.nl/wmwww/WMA/
http://www.estec.esa.nl/wmwww/WMA/standards/ecss/10-04a/ch09_d3.pdf Hovedkilde
http://www.estec.esa.nl/wmwww/wma/R_and_D/rem/cherbs97www/rem97.pdf
Om Mir
EH marts 2002