Nel prossimo decennio, la NASA e la Cina hanno in programma di inviare le prime missioni con equipaggio su Marte. Ciò consisterà nell'invio di veicoli spaziali da parte di entrambe le agenzie nel 2033, 2035, 2037 e successivamente ogni 26 mesi in coincidenza con l'opposizione di Marte (cioè, quando la Terra e Marte sono più vicini nelle loro orbite). L'obiettivo a lungo termine di questi programmi è quello di stabilire una base su Marte che fungerà da hub che ospiterà missioni future, sebbene i cinesi abbiano dichiarato che intendono che la loro base sia permanente.

La prospettiva di inviare astronauti in un viaggio di sei-nove mesi su Marte presenta diverse sfide, per non parlare dei rischi che dovranno affrontare mentre conducono operazioni scientifiche sulla superficie. In uno studio recente, un team internazionale di scienziati ha condotto un'indagine sull'ambiente marziano, dalle vette del Monte Olimpo ai suoi recessi sotterranei, per scoprire dove la radiazione è più bassa. Le loro scoperte potrebbero informare le future missioni su Marte e la creazione di habitat marziani.

Il team è stato guidato da Jian Zhang, un assistente professore della School of Earth and Space Sciences (ESS) presso l'Università di Scienza e Tecnologia della Cina. A lui si sono uniti i colleghi dell'ESS e del CAS Center for Excellence in Comparative Planetology in Cina, l'Istituto di Fisica Sperimentale e Applicata (IEAP) a Kiel, in Germania, e l'Istituto di Problemi Biomedici dell'Accademia Russa delle Scienze (RAS) e il Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics (SINP) a Mosca. Il documento che descrive le loro scoperte è apparso di recente nel Journal of Geophysical Research:Planets .

Quando si tratta di missioni su Marte e in altri luoghi oltre l'orbita terrestre bassa (LEO), le radiazioni sono sempre una preoccupazione costante. Rispetto alla Terra, Marte ha un'atmosfera tenue (meno dell'1% della pressione atmosferica) e non esiste una magnetosfera protettiva per schermare la superficie dalle radiazioni solari e cosmiche. Di conseguenza, gli scienziati teorizzano che le particelle nocive, in particolare i raggi cosmici galattici (GCR), potrebbero propagarsi e interagire direttamente con l'atmosfera e persino raggiungere il sottosuolo di Marte.

Tuttavia, il livello di esposizione alle radiazioni dipende dalla densità dell'atmosfera, che cambia a causa dell'altitudine. All'interno di aree pianeggianti come il famoso sistema di canyon di Marte (Valles Marineris) e il suo cratere più grande (Hellas Planitia), la pressione atmosferica è stimata rispettivamente a oltre 1,2 e 1,24 kPa. Questo è circa il doppio della media di 0,636 kPa e fino a 10 volte la pressione atmosferica in luoghi ad alta quota come l'Olympus Mons (la montagna più grande del sistema solare).

Il Dr. Jingnan Guo, stimato professore presso l'IEAP presso la Christian-Albrechts-University e membro dell'Accademia cinese delle scienze (CAS), è stato il Ph.D. del Prof. Jian Zhang. supervisore e coautore dell'articolo. Come ha spiegato a Universe Today via e-mail:

"Altezza diversa significa diverso spessore atmosferico. I luoghi ad alta quota generalmente hanno un'atmosfera più sottile in cima. La radiazione di particelle ad alta energia deve attraversare l'atmosfera per raggiungere la superficie di Marte. Se lo spessore atmosferico cambia, anche la radiazione superficiale può cambiare. Quindi l'elevazione potrebbe influenzare la radiazione superficiale di Marte."

A tal fine, il team ha considerato l'influenza delle profondità atmosferiche sui livelli di radiazione marziana. Ciò includeva la dose assorbita misurata in rad; la dose equivalente, misurata in rem e sievert (Sv); e le dosi effettive corporee indotte dai GCR. Si trattava di modellare l'ambiente di radiazione utilizzando un simulatore all'avanguardia basato sul software GEometry And Tracking (GEANT4) sviluppato dal CERN.

Conosciuto come Atmospher Radiation Interaction Simulator (AtRIS), questo software utilizza algoritmi di probabilità Monte Carlo per simulare le interazioni delle particelle con l'atmosfera e il terreno marziano. Come ha illustrato il dottor Guo:

"Utilizziamo un approccio Monte Carlo chiamato 'GEANT4' per modellare il trasporto e l'interazione di particelle energetiche con l'atmosfera e la regolite di Marte. L'ambiente di Marte è impostato considerando la composizione e la struttura atmosferica di Marte e le proprietà della regolite.

"Gli spettri delle particelle in ingresso sopra l'atmosfera di Marte sono ottenuti anche da modelli calibrati sui dati che descrivono l'ambiente di radiazione delle particelle onnipresente nello spazio interplanetario che include particelle cariche di specie diverse che sono principalmente protoni (~87%), ioni di elio (12%) e anche piccole tracce di ioni più pesanti come carbonio, ossigeno e ferro."

Hanno scoperto che pressioni superficiali più elevate possono ridurre efficacemente la quantità di radiazioni di ioni pesanti (GCR), ma che è ancora necessaria una schermatura aggiuntiva. Sfortunatamente, la presenza di questa schermatura può portare a "docce di raggi cosmici", in cui l'impatto dei GCR contro la schermatura crea particelle secondarie che possono inondare l'interno di un habitat con livelli variabili di radiazione di neutroni (ovvero flusso di neutroni). Questi possono contribuire in modo significativo alla dose efficace di radiazioni che gli astronauti assorbiranno.

Hanno determinato che sia il flusso di neutroni che la dose effettiva raggiungono il picco a circa 30 cm (1 piede) sotto la superficie. Fortunatamente, questi risultati offrono soluzioni per quanto riguarda l'utilizzo della regolite marziana per la schermatura. Ha detto il dottor Guo:

"Per una data soglia della dose annua di radiazione efficace pesata biologicamente, ad esempio, 100 mSv (una quantità spesso considerata come la soglia al di sotto della quale il rischio di cancro indotto dalle radiazioni è trascurabile), la profondità della regolite richiesta varia tra circa 1 me 1,6 m . All'interno di questo intervallo, in un cratere profondo dove la pressione superficiale è maggiore, la schermatura aggiuntiva necessaria per la regolite è leggermente inferiore. Mentre si trova in cima al Monte Olimpo, la schermatura aggiuntiva necessaria per la regolite è maggiore."

Sulla base delle loro scoperte, i migliori siti per i futuri habitat su Marte sarebbero situati in aree basse ea una profondità di 1 me 1,6 m (da 3,28 a 5,25 piedi) sotto la superficie. Pertanto, le pianure settentrionali, che costituiscono la maggior parte dell'emisfero settentrionale (aka Vastitas Borealis), e la Valles Marineris sarebbero luoghi molto adatti. Oltre ad avere una pressione atmosferica più densa, queste regioni hanno anche abbondante ghiaccio d'acqua appena sotto la superficie.

Se tutto andrà secondo i piani, gli astronauti metteranno piede sulla superficie marziana in poco più di un decennio. Ciò consisterà in transiti della durata da sei a nove mesi (salvo lo sviluppo di una tecnologia di propulsione più avanzata) e operazioni di superficie fino a 18 mesi. In breve, gli astronauti dovranno fare i conti con la minaccia di radiazioni elevate per un massimo di tre anni. Pertanto, le strategie di mitigazione dettagliate devono essere sviluppate con largo anticipo.

La NASA e altre agenzie spaziali hanno investito molto tempo, energia e risorse per sviluppare progetti di habitat che sfruttano la stampa 3D, l'utilizzo delle risorse in situ (ISRU) e persino la schermatura elettromagnetica per garantire la salute e la sicurezza degli astronauti. Tuttavia, ci sono ancora domande senza risposta sull'efficacia pratica di queste strategie, soprattutto se si considera la quantità di tempo che gli equipaggi trascorreranno sulla superficie marziana.

"Il nostro studio può servire a mitigare i rischi di radiazioni quando si progettano futuri habitat marziani utilizzando materiale di superficie naturale come protezione schermante", ha affermato il dott. Guo. "Ricerche come questa saranno quindi di notevole valore quando i pianificatori di missioni inizieranno a considerare progetti per i futuri habitat marziani che si basano su materiale di superficie naturale per fornire protezione dalle radiazioni".