Kosmische straling: onzichtbare deeltjes uit de ruimte
Op dit moment schieten er onzichtbare deeltjes met enorme snelheid door je lichaam heen, ook terwijl je dit leest. Dat is kosmische straling: een voortdurende stroom van geladen deeltjes, vooral protonen (de kerndeeltjes van waterstofatomen) en zwaardere atoomkernen, die vanuit de ruimte de aarde bereiken. Ze zijn afkomstig van de zon, van exploderende sterren en van nog onbekende bronnen elders in het heelal. De term "straling" doet denken aan licht of radiogolven, maar het gaat hier om razendsnelle materiedeeltjes, geen elektromagnetische golven zoals röntgenstraling.
Een handige vergelijking: stel je een voortdurende, onzichtbare hagelbui voor van piepkleine kogels, die vanuit alle richtingen op de aarde neerkomen. De meeste van die "kogels" worden door onze dampkring en het magneetveld van de aarde tegengehouden of afgeremd, net zoals een dak je beschermt tegen echte hagel. Maar wie hoog vliegt, zoals piloten en frequente vliegers, of wie de ruimte in gaat, zoals astronauten, krijgt veel minder bescherming en dus een fikse dosis van die deeltjes te verduren. Dat maakt kosmische straling een serieus thema voor de luchtvaart, de ruimtevaart en zelfs voor de elektronica in satellieten.
Wat is het precies?
Kosmische straling bestaat uit twee hoofdcategorieën. Ten eerste is er straling van de zon, ook wel solar energetic particles genoemd. Die ontstaat bij zonnevlammen en coronale massa-uitbarstingen, momenten waarop de zon grote hoeveelheden geladen deeltjes de ruimte in slingert. Deze stroom varieert sterk mee met de elfjarige zonnecyclus.
Ten tweede is er galactische kosmische straling, deeltjes die van buiten ons zonnestelsel komen. Ze zijn vermoedelijk grotendeels afkomstig van supernova's, de explosies waarmee zware sterren hun leven eindigen. Deze deeltjes hebben doorgaans nog veel meer energie dan zonnedeeltjes en zijn lastiger tegen te houden.
Wanneer deze deeltjes de dampkring van de aarde raken, botsen ze met luchtmoleculen en ontstaat er een kettingreactie van nieuwe, secundaire deeltjes: een zogeheten airshower of luchtdouche. Een klein deel daarvan bereikt het aardoppervlak. Het magneetveld van de aarde, de magnetosfeer, buigt bovendien veel geladen deeltjes af voordat ze de dampkring bereiken, vooral rond de polen minder effectief, wat te zien is aan het noorderlicht.
De hoeveelheid straling die een lichaam of apparaat opneemt, wordt uitgedrukt in sievert, een maat voor het biologische effect van straling. Op zeeniveau krijgen we een paar milliSievert per jaar aan achtergrondstraling, waarvan kosmische straling een deel is; op vlieghoogte en al helemaal in de ruimte loopt dat snel op.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoek naar kosmische straling dient meerdere doelen tegelijk. Allereerst is er de bescherming van mensen. Astronauten op het Internationaal Ruimtestation (ISS) en straks op missies naar de maan en Mars worden blootgesteld aan veel hogere stralingsdoses dan mensen op aarde, met een verhoogd risico op kanker en mogelijk schade aan het zenuwstelsel. Ruimtevaartorganisaties willen weten hoeveel straling veilig is en hoe ze bemanningen daartegen kunnen beschermen.
Daarnaast is er de bescherming van technologie. Kosmische deeltjes kunnen elektronica in satellieten en vliegtuigen verstoren door een zogeheten single event upset: een enkel deeltje dat een bit in een computerchip van waarde laat omslaan, wat storingen of fouten kan veroorzaken. Voor kritische systemen, zoals navigatiesatellieten, is dit een reëel risico dat om speciaal ontworpen, stralingsbestendige elektronica vraagt.
Ten derde is er de zuiver wetenschappelijke drijfveer: astrofysici willen begrijpen waar de allerenergetischte kosmische deeltjes vandaan komen. Sommige deeltjes hebben energieën die veruit alles overtreffen wat mensen met deeltjesversnellers als die van CERN kunnen produceren, en de exacte oorsprong van de allerkrachtigste exemplaren is nog altijd niet volledig opgehelderd.
Voorbeelden uit de praktijk
Verschillende lopende en afgeronde projecten laten zien hoe onderzoekers met kosmische straling omgaan.
De Radiation Assessment Detector (RAD) aan boord van NASA's Mars-rover Curiosity meet sinds de landing in 2012 continu de stralingsniveaus op het Marsoppervlak. Mars heeft nauwelijks een magneetveld en een zeer dunne atmosfeer, waardoor de stralingsdosis daar veel hoger ligt dan op aarde, cruciale informatie voor toekomstige bemande missies.
Op het ISS meet het instrument AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) sinds 2011 de samenstelling van kosmische straling met grote precisie, onder meer op zoek naar sporen van antimaterie en aanwijzingen voor donkere materie.
Het Pierre Auger Observatory in Argentinië bestudeert sinds 2004 de zeldzame, extreem energierijke kosmische deeltjes met behulp van duizenden detectoren verspreid over een gebied zo groot als de provincie Overijssel. Deze deeltjes zijn zo schaars dat er een enorm oppervlak nodig is om er voldoende van op te vangen.
Voor de Artemis-missies naar de maan werkt NASA samen met ESA aan de Orion-ruimtecapsule, waarin onder meer een speciale, met water omringde slaapplek is ontworpen als extra bescherming tegen straling tijdens hevige zonne-uitbarstingen.
Tot slot draait veel ruimte-elektronica op stralingsbestendige chips zoals de RAD750-processor, die is gebruikt in onder meer de Mars-rovers Curiosity en Perseverance en in diverse satellieten, juist om single event upsets te voorkomen.
Hoe ver is de techniek?
Het meten en begrijpen van kosmische straling is een volwassen wetenschapsgebied: dosismeters, detectoren en voorspelmodellen voor ruimteweer bestaan al decennia en worden voortdurend verfijnd. Wat veel lastiger blijkt, is effectieve bescherming.
Fysieke afscherming met metaal of water helpt tegen zonnedeeltjes, maar bij de zeer energierijke galactische kosmische straling ontstaat een nieuw probleem: de afscherming zelf kan secundaire deeltjes genereren wanneer een primair deeltje ermee botst, wat de bescherming soms zelfs averechts laat werken. Om galactische kosmische straling echt goed tegen te houden, zou een schip een onpraktisch dikke en zware wand nodig hebben.
Daarom wordt er onderzoek gedaan naar alternatieven, zoals actieve afscherming met magnetische of elektrische velden die geladen deeltjes afbuigen, vergelijkbaar met het magneetveld van de aarde zelf. Dit staat nog in een pril, experimenteel stadium. Ook wordt gekeken naar medicijnen die celschade door straling kunnen beperken, en naar het beter voorspellen van zonne-uitbarstingen zodat astronauten tijdig kunnen schuilen.
Een belangrijk obstakel is bovendien dat de langetermijneffecten van lage, chronische stralingsdoses op de mens niet volledig bekend zijn: veel gezondheidsmodellen zijn gebaseerd op beperkte data, onder meer van overlevenden van atoombomexplosies, wat niet één op één te vertalen is naar de situatie van astronauten in de ruimte.
Wie werken eraan?
Op het gebied van ruimtevaart en stralingsbescherming zijn NASA en ESA de belangrijkste spelers, met eigen programma's voor stralingsonderzoek en dosislimieten voor astronauten. Ook de Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA en de Duitse DLR doen relevant onderzoek, onder meer naar de effecten van straling op menselijke cellen.
Op het vlak van fundamentele deeltjesfysica speelt CERN in Zwitserland een rol, onder meer door detectortechnologie te ontwikkelen die ook wordt ingezet voor kosmische-stralingsonderzoek. De internationale Pierre Auger Collaboration, met wetenschappers uit meer dan fifteen landen, bestudeert de hoogst-energetische deeltjes. In Nederland is Nikhef, het nationaal instituut voor subatomaire fysica in Amsterdam, betrokken bij astrodeeltjesfysica en kosmische-stralingsonderzoek.
Aan de technologiekant ontwikkelen bedrijven als BAE Systems en Lockheed Martin stralingsbestendige elektronica voor satellieten en ruimtevaartuigen. Ook SpaceX houdt bij het ontwerp van het Starship-ruimtevaartuig, bedoeld voor toekomstige Marsreizen, nadrukkelijk rekening met stralingsbescherming voor de bemanning.