Oltre ai ben noti pericoli dello spazio:temperature di congelamento, pressioni schiaccianti, isolamento:gli astronauti affrontano anche i rischi delle radiazioni, che possono causare malattie o ferire gli organi.

Sebbene non sia ritenuto una minaccia imminente per le missioni attuali, gli astronauti potrebbero un giorno affrontare le radiazioni dei venti solari e dei raggi cosmici galattici. Quanta radiazione, che tipo, e quali sarebbero gli impatti sulla salute previsti di questa esposizione per gli astronauti sono questioni aperte tra le agenzie spaziali.

Jeffery Cancelliere, un ricercatore nel Dipartimento di Fisica e Astronomia della Texas A&M University e un dottorando nel programma di fisica applicata lì, ha trascorso più di un decennio a studiare queste domande nell'ambito di quattro missioni della NASA. Recentemente, collaborando con il medico e astronauta Serena Aunon-Cancelliere (NASA/University of Texas Medical Branch) e il direttore associato del programma di ricerca umana della NASA per la pianificazione della ricerca esplorativa John Charles (NASA), Il Cancelliere ha esaminato le implicazioni per la salute dell'esposizione alle radiazioni spaziali nelle orbite polari a bassa quota.

I ricercatori hanno utilizzato come test case il Manned Orbiting Laboratory (MOL), sui quali i documenti di missione sono stati recentemente declassificati.

Il MOL è stato concepito nel 1963 ed è stato progettato dal 1965 al 1969, ma in realtà non ha mai volato.

"Era un profilo orbitale così unico, " ha detto il cancelliere. "Polar, bassa quota... non potevo prevedere quali sarebbero stati gli effetti. Così, Ho deciso di fare un passo indietro e applicare metodi computazionali e numerici avanzati a questo profilo di missione".

Hanno scoperto che la schermatura relativamente minima del veicolo spaziale del programma MOL e la sua orbita polare ad alta inclinazione avrebbero lasciato l'equipaggio suscettibile a elevate esposizioni di radiazioni cosmiche e eventi di particelle solari. Se la missione fosse continuata fino al 1972, gli astronauti avrebbero dovuto affrontare dosi tossiche di radiazioni durante un enorme evento solare.

I risultati sono stati pubblicati in Medicina aerospaziale e prestazioni umane nel gennaio 2018.

Lo studio è stato sostenuto dall'Ufficio del Direttore della National Intelligence e ha fatto ampio uso di supercomputer presso il Texas Advanced Computing Center (TACC).

OCCHI NEI CIELI

Il Manned Orbiting Laboratory è stato concepito come un laboratorio sperimentale per il volo spaziale umano, ma è stato riformulato come piattaforma di ricognizione segreta nel 1965 durante il culmine della Guerra Fredda. Il veicolo avrebbe viaggiato in un'orbita terrestre bassa e sarebbe passato ripetutamente sulle regioni polari settentrionali e meridionali per spiare meglio l'Unione Sovietica. Questo tipo di orbita comporta una maggiore esposizione alle radiazioni rispetto alle orbite più vicine all'equatore perché è meno protetta dal campo gravitazionale terrestre.

Nell'agosto 1972, tre anni dopo che la pianificazione della missione MOL fu interrotta a causa dell'emergere di servizi più economici, satelliti senza equipaggio:la Terra ha sperimentato un evento di particelle solari storicamente grande. Il Cancelliere si è chiesto come le radiazioni tipiche avrebbero avuto un impatto sui piloti MOL che hanno orbitato per 30 giorni nella nave a schermatura sottile e come un evento enorme come quello del 1972 avrebbe colpito qualcuno catturato in volo.

I ricercatori si sono concentrati sulla radiazione proveniente da due fonti:i venti solari ei raggi cosmici galattici. Si ritiene che alcune radiazioni spaziali passino attraverso le pareti delle navette, mentre alcuni sbarrano la schermatura e provocano una cascata di ioni metallici sciolti. Una porzione passa attraverso il corpo; il resto deposita la sua energia sulla pelle o addirittura all'interno del corpo, che colpisce gli organi.

Determinare i livelli di radiazioni che i piloti MOL avrebbero sperimentato dietro la schermatura leggera del veicolo ha comportato una buona quantità di data mining, estrapolazione e simulazione. Il cancelliere e i suoi collaboratori hanno modellato il profilo dell'orbita della MOL, il tempo spaziale e le forze geomagnetiche di quegli anni, e il trasporto di particelle e ioni pesanti che una tale traiettoria avrebbe incontrato.

Combinando questi fattori, campionandoli, e simulandoli migliaia di volte sul supercomputer Lonestar5 di TACC, Cancelliere e i suoi collaboratori hanno scoperto che, in condizioni normali, l'equipaggio della MOL avrebbe sopportato 113,6 millisievert (mSv; una misura del dosaggio delle radiazioni) sulla pelle e 41,6 mSv sugli organi che formano il sangue (ad esempio, midollo osseo o linfonodi) durante un volo di 30 giorni, ben entro i limiti di esposizione per gli astronauti della NASA.

Però, durante lo "scenario peggiore" della tempesta solare del 1972, la loro pelle sarebbe stata esposta a 1, 770 msv, mentre i loro organi avrebbero sperimentato 451 mSv, entrambi superano i limiti di esposizione della NASA.

Sulla base di studi sugli animali, Il cancelliere e i suoi colleghi prevedono che tale esposizione avrebbe causato nausea, vomito, fatica, e possibilmente ustioni della pelle all'equipaggio. Senza la tempestiva istigazione di contromisure mediche, i rischi avrebbero potuto essere ancora più gravi.

"Le missioni MOL in orbita polare avrebbero avuto ancora meno opportunità di comunicazione con i controllori di terra rispetto alle missioni della NASA in orbita molto più vicine all'equatore, e quelle non erano troppo frequenti, quindi qualsiasi missione in volo al momento di quell'evento solare sarebbe stata probabilmente terminata subito, " disse Carlo, coautore dello studio. "È difficile dire se ciò sarebbe stato abbastanza presto per prevenire effetti così disastrosi sui piloti".

Sebbene lo studio abbia esplorato le storiche missioni MOL, i ricercatori avevano in mente futuri voli spaziali commerciali, come quelli proposti da SpaceX o Virgin Galactic, che probabilmente percorrerà un'orbita simile per mostrare al meglio la bellezza della Terra dallo spazio.

"Penso che la ricerca avrà un enorme impatto per il volo spaziale commerciale, " Ha detto il Cancelliere. "Dà qualche spunto alle persone che stanno cercando di trovare idee per gli hotel orbitanti, o a SpaceX o Virgin Galactic che vogliono fare voli turistici, in termini di ciò che devono affrontare per proteggere l'equipaggio e i clienti."

I loro metodi per prevedere con precisione l'esposizione e gli impatti alle radiazioni spaziali sono rilevanti anche per i viaggi verso la Luna o altri pianeti.

SUPERARE I LIMITI DELLA PREVISIONE DELLE RADIAZIONI SPAZIALI

Gli sforzi per simulare il rischio di radiazioni spaziali non sono nuovi. Infatti, i documenti storici mostrano che facevano parte della ricerca spaziale della NASA e del Dipartimento della Difesa fin dall'inizio. Ma decenni di studi hanno ottenuto poche risposte concrete o misure pratiche per mitigare le radiazioni, secondo gli scienziati.

"Despite years of research, understanding of the space radiation environment, and the risk it poses to long-duration astronauts remains limited, " 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.