NASA의 무인 아르테미스 임무는 우주인의 방사선 위험을 강조합니다.
과학 기자 Jacinta Bowler
ABC Science

주제: 우주 탐사

7시간 전
세 명의 인물이 앉아 있는 우주선 그림
헬가와 조하르는 방사선 노출을 테스트하기 위해 오리온 우주선에 묶였습니다. (제공: NASA/Lockheed Martin/DLR)

간단히 말해서:
과학자들은 NASA의 2022년 11월 무인 아르테미스 I 임무에서 두 대의 ‘방사선 팬텀’ 더미가 경험한 방사선을 분석했습니다.

결과에 따르면 방사선은 단기 달 임무에는 문제가 되지 않지만 장기 달 체류나 화성 임무에서는 문제가 될 수 있습니다.

다음은 무엇일까요?
과학자들은 방사선 보호 약물과 우주선 자기장을 포함하여 장기 우주 임무에서 방사선을 최소화하는 방법을 설계하려고 노력하고 있습니다.

내년 9월, 우주인들은 오리온 우주선에 몸을 묶고 50년 만에 처음으로 인간이 달을 방문하는 달 주변을 로켓으로 돌게 됩니다.

그리고 두 개의 우주 여행용 시험용 더미 덕분에 우리는 이제 그 우주인들이 짧은 여행 동안 위험할 정도로 높은 방사선 노출로부터 보호받을 가능성이 높다는 것을 알게 되었습니다.

“방사선 팬텀”으로 알려진 특별히 설계된 더미 헬가와 조하르는 작년의 무인 아르테미스 1호 임무에 포함되었습니다.

헬가와 조하르는 여성 인간의 재현품으로, 연구자들이 여행 내내 방사선 노출을 기록하고 피부, 폐, 위, 자궁, 척추의 결과를 분석하여 방사선이 신체 전체로 어떻게 이동하는지 이해할 수 있도록 하는 가짜 장기가 포함되어 있습니다.

그 결과는 오늘 Nature에 게재되었습니다.

NASA 우주 방사선 분석 그룹의 일원이자 주저자인 스튜어트 조지는 이 결과가 단기 달 임무의 경우 방사선 노출이 위험할 정도로 높지 않을 것이라고 시사하지만, “게이트웨이” 달 우주 정거장과 같은 장기 달 임무와 결국 화성으로의 여행에서는 문제가 발생할 수 있다고 말합니다.

“이러한 측정은 우리가 아르테미스 1호 동안 승무원을 방사선으로부터 보호하기 위한 잘 개발된 시스템을 가지고 있음을 종합적으로 보여주었지만, 화성과 같은 장기 임무의 경우 여전히 과제가 남아 있습니다.” 조지 박사가 말했습니다.

방사선이 문제가 되는 이유는 무엇일까요?

우주 방사선은 별이 폭발하면서 생성되는 반면, 태양 고에너지 입자(또는 태양 우주선)는 태양에서 태양계로 빔을 발사합니다.

두 가지 형태의 방사선 중 어느 것도 너무 많으면 DNA가 손상되어 방사선병을 유발하거나 복용량에 따라 암 위험이 증가할 수 있습니다.

우주인들은 수십 년 동안 우주로 향했지만, 거의 모든 우주 여행은 저궤도의 우주 왕복선 임무나 국제 우주 정거장(ISS)에서 이루어졌습니다.

저궤도에 있는 물체는 지구 자기장의 보호를 받으며, 지구는 태양에서 생성되는 대부분의 방사선(또는 배경 우주 방사선)으로부터 보호받습니다.

하지만 이 자기장 밖, 열린 공간에서는 이야기가 다릅니다.

“일반적으로 저궤도 보호와 지구 자기장 보호를 벗어나면 방사선 수치가 더 높습니다.” 조지 박사가 말했습니다.

“또한 승무원이 우주 날씨, 특히 ‘고에너지 태양 입자 사건’에 노출될 가능성이 훨씬 더 높을 수 있습니다. 지구 자기장은 이러한 사건을 보호하는 데 매우 효과적이기 때문입니다.”

나란히 놓인 두 개의 더미
헬가(위)와 조하르(조끼를 입고 있음)는 캡슐의 뒷좌석에서 진동과 방사선 수치를 테스트했습니다. (제공: NASA)

NASA는 현재 최초의 여성과 최초의 유색인종을 달에 보내는 미래의 아르테미스 임무와 더불어 달과 궤도를 도는 우주 정거장에서 더 긴 여행을 준비하고, 결국 우주인을 화성에 보내는 새로운 우주 여행 시대로 접어들고 있습니다.

유인 임무는 50년 이상 시도되지 않았기 때문에 과학자들은 차세대 우주인이 얼마나 많은 방사선에 노출될지, 그리고 연구자들이 어떻게 그 노출을 제한할 수 있을지 확신하지 못하고 있습니다.

여기서 헬가와 조하르가 등장합니다.

연구에서 무엇을 발견했을까요?
25일 동안 지속된 아르테미스 1 임무는 달까지 450,000km를 비행하고, 달 주위를 돌고, 지구로 돌아오기 전에 거의 65,000km를 깊은 우주로 나갔습니다.

이 팀은 헬가와 조하르, 그리고 오리온 우주선의 객실 전체에 배치된 HERA(Hybrid Electronic Radiation Assessor)라는 방사선 센서를 사용하여 임무 내내 방사선 수준이 어떻게 변했는지 평가했습니다.

배경에 달이 있는 아르테미스 1 우주선.
이 무인 아르테미스 임무 중에 촬영한 이 사진에서 오리온 뒤에 달의 뒷면이 크게 보입니다. (제공: NASA)

결과는 유망했습니다.

오리온 우주선의 설계는 첫 번째 승리였으며, 연구자들은 발사 후 몇 시간 후에 밴 앨런 벨트(지구 자기권 꼭대기에 있는 두 개의 방사선 영역으로 태양 폭풍으로부터 보호하는 데 도움이 됨)를 통과할 때 우주선의 가장 차폐된 부분과 가장 차폐되지 않은 부분 사이에 태양 복사 노출에 4배의 차이가 있다는 것을 발견했습니다.

“이를 통해 우리는 쉘터 디 ign,” 조지 박사가 말했다.

“밴 앨런 벨트 통과 중에 우리가 본 또 다른 것은 차량이 뒤집혀서 연소를 수행했고 이 뒤집힘 동안 방사능 수치가 약 50% 떨어졌다는 것입니다. 이는 밴 앨런 벨트 방사선이 방향성이 매우 강하고, 뒤집히면서 방사선 경로에 더 많은 차폐막이 형성되기 때문입니다.”

또한 우주선 노출이 과거에 실시한 다른 측정치보다 최대 60% 낮았는데, 이는 차량에 추가 패딩이 있었기 때문일 가능성이 큽니다.

“이번 측정과 이전 측정치의 큰 차이점은 오리온이 차폐막이 강한 차량인 반면 이전 측정치는 가볍게 차폐된 행성 과학 탐사선에서 이루어졌다는 것입니다.”라고 그는 말했습니다.

두 개의 밴 앨런 벨트 그림.
밴 앨런 벨트라고 불리는 두 개의 거대한 도넛 모양의 방사선이 지구를 둘러싸고 있습니다. (제공: NASA/Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio)

하지만 좋은 소식만 있었던 것은 아닙니다.

“외부 밴 앨런 벨트가 통과하는 동안 객실 내부는 X선으로 가득 찼는데, 이는 예상치 못한 일이었습니다.”라고 조지 박사는 말했습니다.

“전반적인 생물학적 영향은 미미했지만, 여전히 흥미로운 관찰이었습니다.”

이온화 방사선의 건강 위험은 밀리시버트(mSv)로 측정됩니다.

연구팀은 아르테미스 1호 임무처럼 달 주변을 빠르게 여행하면 약 26.7~35.4밀리시버트(mSv)가 발생할 수 있으며, 이는 우주인에게 피해를 줄 수 있는 양보다 훨씬 낮다고 제안했습니다.

NASA의 우주 발사 시스템 로켓이 우주로 발사
사진은 NASA의 차세대 달 로켓 발사를 보여줍니다.NASA의 차세대 달 로켓이 발사됩니다.
수년간의 지연과 수십억 달러의 비용 초과 끝에, 우주 발사 시스템 로켓이 케네디 우주 센터에서 발사되어 미국은 우주인을 달에 다시 보내는 데 한 걸음 더 다가갔습니다.

3주간의 아르테미스 임무를 수행하는 우주인은 ISS에서 6개월 이상을 보내는 우주인보다 훨씬 적은 방사선을 받게 됩니다.

하지만 이 수준의 방사선을 더 긴 여행에 적용하면 문제가 되기 시작합니다.

예를 들어, 아르테미스 임무의 목표 중 하나는 “게이트웨이”라고 불리는 달을 도는 우주 정거장을 세우는 것입니다. 이 정거장은 한 번에 몇 달 동안 우주인을 수용할 수 있습니다.

조지 박사에 따르면, 게이트웨이로 여행하고 게이트웨이에 머무르면 우주인은 ISS에서 받는 것보다 훨씬 더 높은 수준의 방사선에 노출됩니다.

그리고 화성으로 가는 여행은 편도로 약 9개월이 걸리며, 표면에서 받는 방사선도 포함됩니다.

2015년 영화 ‘마션’에서 우주복을 입은 맷 데이먼.
화성으로 가는 여행의 방사선 수준은 단기 달 탐사보다 훨씬 더 어려울 것입니다. (IMDB: Twentieth Century Fox Film Corporation)

팀이 아르테미스 결과를 화성 임무로 외삽하고 화성의 큐리오시티 로버에서 측정한 결과, 우주인은 NASA의 평생 방사선 한도인 600mSv 이하로 간신히 버틸 수 있지만, 그렇게 많지는 않다는 것을 발견했습니다.

“적절한 보호가 있는 정말 큰 태양 입자 사건도 수백 mSv까지 올라갈 수 있습니다.” 조지 박사가 말했습니다.

선량을 낮출 수 있을까요?
약간 낮은 기술로 들릴 수 있지만, 우주인이 너무 많은 방사선에 노출되지 않도록 하는 가장 좋은 방법은 방사선원과 우주인 사이에 충분한 차폐막을 만드는 것입니다. 그리고 금속만 있을 필요는 없습니다.

“음식, 물, 컴퓨터, 전자 제품, 승무원 효과 등 차량의 모든 것이 방사선 차폐막입니다.” 조지 박사가 말했습니다.

“우주와 승무원 사이에 놓을 수 있는 ‘물건’이 많을수록 좋습니다.”

내년 첫 번째 유인 아르테미스 임무에서 승무원은 오리온의 가장 차폐가 약한 벽에 번지 타이로 물품을 묶어서 태양 폭풍 대피소를 직접 만드는 등 극단적인 방법을 취하고 있습니다.

오렌지색 우주복을 입은 네 사람
Artemis II 승무원(왼쪽부터) CSA(캐나다 우주국) 우주인 Jeremy Hansen과 NASA 우주인 Christina Koch, Victor Glover, Reid Wiseman. (제공: NASA)

하지만 더 먼 미래에는 방사선 방호가 훨씬 더 하이테크가 될 수 있습니다.

우주 방사선을 전문으로 하는 University of Wollongong의 의학 물리학자인 Anatoly Rozenfeld에 따르면, 한 가지 연구 분야는 우주선 자체에 자기장을 구축하는 것이지만, 그는 이것이 아직 초기 단계라고 경고합니다.

“다양한 종류의 프로젝트가 많이 있으며, 그 중 일부는 현실적이고 일부는 덜 현실적입니다.” Rozenfeld 교수가 말했습니다.

“사람들은 또한 방사선 보호 약물을 개발하고 있습니다. 그래서 이 약을 복용하면 방사선 후 세포가 매우 빠르게 회복됩니다.”

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7시간 전에 게시됨

NASA’s uncrewed Artemis mission highlights radiation risk to astronauts

By science reporter Jacinta Bowler

7h ago7 hours ago

Illustration of space capsule with three figures sitting inside — Helga and Zohar were strapped into the Orion space capsule to test their radiation exposure. (Supplied: NASA/Lockheed Martin/DLR)

In short:

Scientists analysed the radiation experienced by two ‘radiation phantom’ dummies on NASA’s November 2022 uncrewed Artemis I mission.

The results suggest radiation may not be an issue for short Moon missions, but could be on longer Moon layovers or missions to Mars.

What’s next?

Scientists are trying to design ways to minimise radiation on longer space missions, including radio-protective drugs and spacecraft magnetic fields.

abc.net.au/news/nasa-radiation-artemis-mission-helga-zolar/104365924

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In September next year, astronauts will be strapped into the Orion spacecraft and rocketed around the Moon in the first human moon visit in more than 50 years.

And thanks to two space-travelling test dummies we now know those astronauts will likely be protected against dangerously high radiation exposure on their short trip.

Known as “radiation phantoms”, the specially designed dummies Helga and Zohar were included on last year’s Artemis 1 uncrewed mission.

Helga and Zohar are recreations of female humans, complete with fake organs that allowed researchers to record radiation exposure throughout the journey, and analyse results from skin, lungs, stomach, uterus and the spine to understand how radiation moves throughout the body.

The results are published today in Nature.

Stuart George, lead author and a member of the NASA Space Radiation Analysis Group, says the results suggest that radiation exposure won’t be dangerously high for short Moon missions, but problems may arise on longer Moon missions such as the “Gateway” lunar space station, and eventual trips to Mars.

“These measurements comprehensively showed we have a well-developed system for protecting the crew from radiation during Artemis I, but challenges still remain for longer duration missions such as Mars,” Dr George said.

Why is radiation an issue?

Cosmic radiation is produced from exploding stars, while solar energetic particles (or solar cosmic rays) are beamed across the Solar System from the Sun.

Too much of either form of radiation can damage our DNA, which can cause radiation sickness or increase the risk of cancer depending on the dose.

While astronauts have been heading to space for decades, almost all space travel has occurred on space shuttle missions or the International Space Station (ISS) in low-Earth orbit.

Items in low-Earth orbit are under the protection of Earth’s magnetic field, which shields Earth from the vast majority of radiation produced by our Sun (or from background cosmic radiation).

But outside of this field, in open space, it’s a different story.

“In general, radiation levels are higher outside of the protection of low-Earth orbit and the protection of Earth’s magnetic field,” Dr George said.

“In addition, the exposure of crew to space weather, specifically ‘energetic solar particle events’ can be much higher as the Earth’s magnetic field is very effective at shielding these.”

Two dummies next to each other — Helga (top) and Zohar (wearing vest) tested vibration and radiation levels in the back seats of the capsule. (Supplied: NASA)

NASA is currently entering a new era of space travel with future Artemis missions to send the first woman and first person of colour to the Moon, as well as preparing for longer jaunts on the Moon and an orbiting space station, and eventually sending astronauts to Mars.

Because a crewed mission hasn’t been attempted for more than 50 years, scientists aren’t sure how much radiation the next generation of astronauts will be exposed to, and how researchers can limit that exposure.

That’s where Helga and Zohar come in.

What did the research find?

The Artemis 1 mission, which lasted for 25 days, flew 450,000 km to the Moon, looped around it and then almost 65,000 kms out into deep space before flying back to Earth.

The team used Helga and Zohar as well as radiation sensors called HERA (Hybrid Electronic Radiation Assessor) placed throughout the cabin of the Orion spacecraft to assess how radiation levels changed throughout the mission.

Artemis 1 spacecraft with moon in background. — The far side of the Moon looms large behind Orion in this image taken during the uncrewed Artemis mission. (Supplied: NASA)

The results were promising.

The design of the Orion spacecraft was the first win, with the researchers finding that there was a four-fold difference in solar radiation exposure between the most shielded and least shielded parts of the spacecraft when going through the Van Allen belts (two areas of radiation at the top of Earth’s magnetosphere that help protect against solar storms) a few hours after launch.

“This helped us to validate our shelter design,” Dr George said.

“Another thing we saw during the Van Allen belt pass was the vehicle did a flip to perform a burn and during this flip the radiation levels dropped around 50 per cent. This is because the Van Allen belt radiation is quite directional, and the flip put more shielding into the path of the radiation.”

They also found that cosmic ray exposure was up to 60 per cent lower than other measurements taken in the past, likely due to the extra padding on the vehicle.

“The big difference between this measurement and earlier ones is that Orion is a heavily shielded vehicle, while prior measurements were from lightly shielded planetary science probes,” he said.

Illustration of the two Van Allen belts. — Two giant donuts of radiation, called the Van Allen Belts, surround Earth. (Supplied: NASA/Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio)

But it wasn’t all good news.

“The inside of the cabin was full of X-rays during the transit of the outer Van Allen belt which was something we did not expect,” Dr George said.

“The overall biological impact was minor, but this was still a fascinating observation.”

The health risk of ionising radiation is measured in millisieverts (mSv).

The research team suggested that a quick trip around the Moon, like in the Artemis I mission might set you back about 26.7 – 35.4 millisieverts (mSv), which is well below the amount that might cause damage to an astronaut. NASA’s Space Launch System rocket blasts into space

Photo shows NASA’s next-generation moon rocket launches. NASA's next-generation moon rocket launches.

After years of delays and billions in cost overruns, the Space Launch System rocket launches from the Kennedy Space Center, bringing the US a big step closer to putting astronauts back on the Moon.

An astronaut on a three week Artemis mission would get much less radiation than an astronaut spending a six months or more on the ISS.

But extrapolating out this level of radiation for longer trips starts to become an issue.

For example, one of the aims of the Artemis mission is to set up a space station orbiting the moon called “Gateway”, which may house astronauts for months at a time.

According to Dr George, travelling to, and then staying on Gateway would expose astronauts to much higher levels of radiation than what they would receive on the ISS.

Then there’s Mars, a trip which may take around nine months each way, plus any radiation you might receive on the surface.

Matt Damon wearing an astronaut suit in 2015 film 'The Martian'. — Radiation levels on a trip to Mars will be much more challenging than short lunar missions. (IMDB: Twentieth Century Fox Film Corporation)

When the team extrapolated out the Artemis results to a Mars mission, and combined it with measurements from Mars’ Curiosity rover, they found astronauts might scrape by under the NASA lifetime limit of radiation, which is 600 mSv, but not by much.

“A really big solar particle event (with appropriate sheltering) might also push you up by a few hundred mSv,” Dr George said.

Can we lower the dose?

While it might sound a little low tech, the best chance of ensuring astronauts aren’t exposed to too much radiation is making sure enough shielding is in between the source of the radiation and the astronauts. And it doesn’t need to just be metal.

“Everything in a vehicle is radiation shielding, including the food, water, computers, electronics, crew effects,” Dr George said.

“The more of this ‘stuff’ that can be designed to be put between space and the crew the better.”

For the first crewed Artemis mission next year, this is being taken to the extreme, with crew creating their own solar storm shelter by bungie tying supplies to the least shielded wall of Orion.

Four people in orange space suits. — Artemis II crew members (from left) CSA (Canadian Space Agency) astronaut Jeremy Hansen, and NASA astronauts Christina Koch, Victor Glover, and Reid Wiseman. (Supplied: NASA)

But further into the future, radiation protection might become significantly more high tech.

According to Anatoly Rozenfeld, a medical physicist at the University of Wollongong who specialises in space radiation, one line of research is trying to build a magnetic field for the spacecraft itself, but he warns that this is still very much in it’s infancy.

“There’s a lot of different kinds of projects and some of them are realistic, some of them are less realistic,” Professor Rozenfeld said.

“People are also developing radio-protective drugs. So when you take these pills, your cells will recover very quickly after radiation.”

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