תַקצִיר
אסטרונאוטים היוצאים למשימות בתחנת החלל הבין־לאומית, בירח וכן מעבר לו, נחשפים למגוון סכנות - אחת מהן היא קרינת חלל. קרינת חלל נובעת מחלקיקים זעירים המגיעים ממקורות שונים ומתפשטים לכל עבר במערכת השמש. לחלקיקים אלו יש מנעד רחב של אנרגיות, וחלקם מאיימים מאוד על בטיחותם של צוותי החלל. קרינה העוברת דרך המיגון העוטף את החללית, ואף חודרת לגוף האדם, עלולה לפגוע בתאים ולהוביל להתפתחות סרטן או להשפעות שליליות אחרות על בריאות. כדי להגן על האסטרונאוטים, מִנהל האווירונאוטיקה והחלל הלאומי בארצות הברית (נאס”א, (NASA מנסה להבין טוב יותר את הסביבה של קרינת החלל, במטרה למזער את ההשפעות של החשיפה לקרינה בקרב אסטרונאוטים. במאמר זה נתאר את סוגי קרינת החלל ואת הגישות שנאס”א נוקטת וחוקרת, במטרה לשמור ככל האפשר על בטיחות האסטרונאוטים.
בחלל, האסטרונאוטים חשופים לסיכונים בריאותיים שונים, בהם תנאי חוסר כבידה, מתח משהייה בחלל קטן לאורך זמן, וגישה מוגבלת לטיפול רפואי. אחד הסיכונים הגדולים ביותר שהאסטרונאוטים חשופים להם הוא קרינת חלל [1]. האנרגיה של קרינת החלל יכולה להיות חזקה מספיק כדי להרחיק אלקטרונים מגרעיני האטומים, כך שהיא עלולה לפגוע ברקמות אנושיות ולהוביל לבעיות בריאותיות רבות, ובכללן סרטן. קרינת החלל מגיעה מכמה מקורות. השמש פולטת לחלל חלקיקים טעונים (הנקראים יונים) במהלך התפרצויות אלימות הידועות בשמן אירועי חלקיקים סולאריים (SPE). אירועים אלה עשויים לסכן את אנשי הצוות אם אין בנמצא מקלט מפני סערת החלקיקים הסולאריים. קרניים קוסמיות גלקטיות (GCR) נוצרות כאשר גלי הלם מסופרנובות גלקטיות (אירועים שבהם כוכבים מתפוצצים) שולחים לחלל חלקיקים, כמו פרוטונים וגרעיני אטום כבדים יותר, באנרגיות גבוהות מאוד. עקב כך החלקיקים האלו עלולים לחדור עמוק לתוך החללית ולרקמות הגוף האנושי. נוסף על מקורות קרינה אלו, גם פרוטונים ואלקטרונים טעונים באנרגיה עלולים להילכד בשדה המגנטי של כדור הארץ, באזור המכונה חגורות קרינה ואן אלן. במאמר זה נתאר קרניים קוסמיות גלקטיות, אירועי חלקיקים סולאריים וחגורות קרינה; וכן נעסוק בסיכונים הבריאותיים הכרוכים בחשיפה לקרינה, ובשיטות המשמשות את נאס”א להפחתת סיכוני קרינה.
אירועי חלקיקים סולאריים
התפרצויות סולאריות והתפרצויות קורונליות מאסיביות (CME) הן דוגמאות לאירועי חלקיקים סולאריים שבהן חלקיקים נפלטים מהשמש אל החלל [2]. קרינת החלל נמדדת לרוב לפי מספר החלקיקים בעלי אנרגיה מסוימת העוברים דרך יחידת שטח מוגדרת. מידה זו נקראת שטף חלקיקים דיפרנציאלי. אם להתפרצות קורונלית מאסיבית יש שטף גדול, זה אומר שמספר גדול של חלקיקים (יותר קרינה) עוברים באזור מסוים. בהתאמה, שטף קטן (פחות קרינה) פירושו מעבר של מספר קטן יותר של חלקיקים. התפרצויות סולאריות מאופיינות בעיקר בשטף גבוה של אלקטרונים, אך משך חייהן הוא בדרך כלל קצר ולכן הן אינן מסכנות את הבריאות. לעומתן, התפרצויות קורונליות מאסיביות עשויות להימשך כמה שעות ואף ימים אחדים, והן מאופיינות בסילוני פלזמה עוצמתיים (גז מיונן חם) העשויים בעיקר מפרוטונים. לעומת התפרצויות סולאריות, כמויות הפרוטונים העצומות והאנרגיות הגבוהות יותר של ההתפרצויות הקורונליות המאסיביות עלולות לגרום נזק רב יותר לרקמת האדם. מכיוון שניתן לחזות התפרצויות קורונליות מאסיביות שעות עד ימים לפני שהן מגיעות לחללית, האסטרונאוטים יכולים להגן על עצמם באמצעות הקמת מקלטים יעודיים. תנאים סולרים מנוטרים על ידי חלליות כמו הגשושית לחקר דינמיקת השמש, שיכולות להזהיר את אנשי הצוות מפני התפרצויות קורונליות מאסיביות קרבות.
ייתכן שראיתם פעם תמונות של השמש והבחנתן בהן באזורים כהים יותר, הנקראים כתמי שמש. מתצפיות עולה כי לשמש יש מחזור סולארי של 11 שנים, שבו פעילות השמש עוברת ממצב מינימום סולארי, עם מעט כתמי שמש או ללא כתמי שמש כלל, למקסימום סולארי, עם מספר רב יותר של כתמי שמש [2]. התפרצויות קורונליות מאסיביות מתרחשות לרוב במהלך הפעילות הגבוהה יחסית האופיינית למקסימום הסולארי, כאשר רואים יותר כתמי שמש. דוגמה להתפרצות רשתית מאסיבית מוצגת באיור 1. האם שמעתם על הזוהר הצפוני או הדרומי, הנקראים גם זוהר הקוטב, או ”אוֹרוֹרָה”? האורות הבוהקים והצבעוניים האלו שמופיעים ליד האזורים הארקטיים והאנטארקטיים נגרמים מהתפרצויות קורונליות מאסיביות, כאשר יונים הזורמים לשדה המגנטי של כדור הארץ גורמים למולקולות באטמוספרה של כדור הארץ לפלוט אור. התפרצויות קורונליות מאסיביות גדולות יכולות אפילו להסב נזק ללוויינים.
- איור 1 - התפרצות קורונלית מאסיבית שצולמה על ידי הגשושית לחקר דינמיקת השמש ב־7 ביוני 2011.
- אפשר לראות את הפלזמה הנפלטת בצד ימין של התמונה, שאורכה כמעט מחצית מקוטר השמש! כדי להבין את קנה המידה – גודלה של ההתפרצות הקורונלית המאסיבית הזאת היה בערך פי 50 מקוטר כדור הארץ (קרדיט לתמונה: הגשושית לחקר דינמיקת השמש ונאס”א).
קרניים קוסמיות גלקטיות
קרניים קוסמיות גלקטיות נוצרות משאריות של סופרנובות (איור 2) [3] ומורכבות מפרוטונים, גרעיני הליום ויונים כבדים יותר שיכולים לנוע כמעט במהירות האור [2]. ישנם שני סוגים של סופרנובות: סופרנובות מסוג I מתרחשות כאשר ננסים לבנים (ליבות כוכבים צפופות שגודלן כמעט כגודל כדור הארץ) צוברים מסה מכוכב סמוך. כאשר מסת הננס הלבן גדולה מפי 1.4 ממסת השמש הוא מתפוצץ בעוצמה [4]. סופרנובות מסוג II מתרחשות כאשר כוכבים מאסיביים מכלים את כל הדלק הגרעיני שלהם ומתפוצצים בעוצמות אור כה גדולות, שלזמן קצר הסופרנובות האלו עשויות להיות בוהקות יותר מגלקסיה.
- איור 2 - שארית סופרנובה המכונה ”ערפילית הסרטן”.
- סופרנובה היא אירוע שבו כוכב מתפוצץ ומשחרר בעיקר גזים היוצרים גל הלם המאיץ חלקיקים במהירות גבוהה, כמו פרוטונים, גרעיני הליום ועוד. החלקיקים נעים בחלל ובסופו של דבר נכנסים למערכת השמש. אסטרונאוטים השוהים באזור זה עלולים להיחשף לקרינה המזיקה (קרדיט לתמונה: נאס”א).
הקרניים הקוסמיות הגלקטיות משתנות בהתאם למחזור הסולארי. במשך המקסימום הסולארי, השדה המגנטי של השמש עוצמתי יותר, ולכן הוא הודף הרבה מהקרניים הקוסמיות הגלקטיות. זה אומר ששטף החלקיקים הדיפרנציאלי פוחת. במשך המינימום הסולארי, עוצמת השדה המגנטי של השמש פוחתת, פחות קרניים קוסמיות גלקטיות נחסמות, ואז שטף החלקיקים הדיפרנציאלי גדול יותר בהשוואה למקסימום הסולארי. סיכון הקרינה גדול יותר במשך המינימום הסולארי, מכיוון שהאסטרונאוטים נחשפים ליותר קרינה. במינימום הסולארי, שטף הקרניים הקוסמיות הגלקטיות באנרגיה נמוכה עשוי להיות גדול פי 10 מהשטף במקסימום הסולארי. עם זאת, השדה המגנטי של השמש לא חוסם ביעילות חלקיקים בעלי אנרגיות גבוהות מאוד. הקרניים הקוסמיות הגלקטיות בעלות האנרגיה הגבוהה יכולות לחדור לחלליות ועלולות להזיק לאדם. בניגוד לאירועי חלקיקים סולאריים שמתרחשים רק מעת לעת, הקרניים הקוסמיות הגלקטיות נוכחות תמיד, ולכן הן מאתגרות מאוד במשימות חלל שנמשכות זמן רב, כמו משימה למאדים. במהלך טיסות ארוכות בחלל, האסטרונאוטים עלולים להיחשף לכמויות קרינה הגבוהות ממגבלת הבטיחות המצטברת שנקבעה בנאס”א.
חגורות ואן אלן
ליבת הברזל של כדור הארץ יוצרת שדה מגנטי סביב כוכב הלכת, ושדה זה מפעיל כוח על חלקיקים טעונים. פרוטונים ואלקטרונים הנמצאים בחלל הם חלקיקים טעונים המושפעים מכוחות השדה המגנטי של כדור הארץ. כאשר הם נלכדים בשדה המגנטי, הם יוצרים ”חגורות” של קרינה סביב כדור הארץ. חגורות ואן אלן (איור 3) מורכבות מחגורות פנימיות ומחגורות חיצוניות: החגורה הפנימית מכילה בעיקר פרוטונים ואלקטרונים, והחגורה החיצונית מכילה בעיקר אלקטרונים [2]. שטף האלקטרונים בחגורה החיצונית גדול כמעט פי 10 משטף האלקטרונים בחגורה הפנימית; ואולם, קרינה זו אינה חודרת לעומק החומרים שהחללית בנויה מהם. הפרוטונים נושאים יותר אנרגיה, וכן סיכון גדול יותר לקרינה. תחנת החלל הבין־לאומית מקיפה את כדור הארץ בגובה נמוך יותר מרוב קרינת הפרוטונים הכלואים, אם כי ישנו אזור המכונה ”האנומליה הדרום אטלנטית”, שבו שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ מגבירים את החשיפה לקרינה מפרוטונים.
- איור 3 - השדה המגנטי של כדור הארץ לוכד פרוטונים ואלקטרונים בשכבות סביב כדור הארץ, המכונות ”חגורות ואן אלן”.
- באיור ניתן לראות את החגורות ואת המיקומים המשוערים של תחנת החלל הבין־לאומית במסלול לווייני נמוך, של גשושיות שמודדות את חגורת ואן אלן, ושל לוויינים של מערכות איכּוּן עולמיות (GPS) (קרדיט לתמונה: נאס”א). מקרא: חגורה פנימית: כ־1,600–13,000 ק”מ - מסלול לווייני נמוך (LEO), תחנת החלל הבין־לאומית: כ־370 ק”מ – גשושית ואן אלן A - גשושית ואן אלן B - מסלול גאוסינכרוני (GSO), הגשושית לחקר דינמיקת השמש (נאס”א): כ־35,500 ק”מ – לווייני PGS: כ־20,100 ק”מ – חגורה חיצונית: כ־20,000–40,000 ק”מ.
איך מגינים על אסטרונאוטים מפני סכנות הקרינה?
לקרינת חלל עלולות להיות השפעות רבות על הבריאות, בהן סרטן, מחלות לב, שבץ, בעיות בתפקוד המוח ומחלות של המוח ושל חוט השדרה. בנאס”א נוקטים כמה אסטרטגיות כדי למזער את הסיכון של קרינת החלל עבור אסטרונאוטים; אלו כוללות עיצוב חלליות ממוגנות המפחיתות את החשיפה לקרינה, בניית מקלטים יעודיים לשימוש בעת אירועי חלקיקים סולאריים, תכנון קפדני של משימות חלל כדי להימנע ככל האפשר מקרינה (כולל תזמון לפי מחזורים סולאריים), ובחירת אנשי הצוות המתאימים ביותר לביצוע המשימות של נאס”א. למרות נקיטת אמצעי הזהירות האלה, האסטרונאוטים צפויים לחרוג ממגבלת הקרינה המצטברת במשימות שנמשכות זמן רב, כמו משימה למאדים. מסיבה זו, בנאס”א גם חוקרים אם ניתן להשתמש בתרופות כדי להפחית את הסיכון מחשיפה לקרינה. מחקרים הראו שתרופות מוכרות מסוימות, בהן אספירין ותרופות לטיפול בקרישי דם ובסוכרת, יכולות להפחית את הסיכוי לחלות בסרטן או למות ממנו. מדעני נאס”א הראו לאחרונה שתרופות אלו גם עשויות להפחית את הסיכון למקרי מוות מסרטן הנגרמים מחשיפה לקרינת חלל [5].
סיכום
הקרינה בחלל נוצרת משילוב מורכב של כמה גורמים – חלקיקים מאירועי חלקיקים סולאריים, קרניים קוסמיות גלקטיות וחגורות קרינה – וכולם עלולים לסכן את בריאות האדם. חשוב מאוד לתזמן משימות כך שיתבצעו בפרק הזמן הבטוח ביותר של המחזור הסולארי, במטרה לצמצם עד כמה שניתן את החשיפה לקרינה. מכל סוגי הקרינה, הכי קשה להגן על האסטרונאוטים מפני הקרניים הקוסמיות הגלקטיות. כדי למזער את החשיפה לקרניים אלו, מתכננים את המשימות למשך המקסימום הסולארי, אף שסביר יותר שבזמנים אלו יתרחשו אירועי חלקיקים סולאריים. חברי הצוות יכולים להשתמש במקלטי יעודיים העשויים מציוד שנמצא בחללית, וכך לצמצם את החשיפה לקרינה שמקורה באירועי חלקיקים סולאריים. אסטרונאוטים על סיפון תחנת החלל הבין־לאומית, או אסטרונאוטים היוצאים למשימות אחרות, קרובות יחסית לכדור הארץ, מוגנים במידה מסוימת מפני קרניים קוסמיות גלקטיות, שכן השדה המגנטי של כדור הארץ מחליש את שטף הקרניים הקוסמיות הגלקטיות. בנאס”א שואפים להגביר את בטיחות האסטרונאוטים באמצעות צעדים שונים שיגנו עליהם מפני קרינת חלל, בהם שימוש בתרופות חדשות אפשריות. המטרה היא להגן על אסטרונאוטים ברמה שבסופו של דבר תאפשר לשלוח אותם למשימות רחוקות יותר, כמו למאדים.
מילון מונחים
אירועי חלקיקים סולאריים (Solar Particle Events): ↑ פליטות מהשמש של חלקיקים (קרינה) העלולים להזיק לאסטרונאוטים.
קרניים קוסמיות גלקטיות (Galactic Cosmic Rays): ↑ פרוטונים, גרעיני הליום וחלקיקים אחרים הנעים באופן אחיד במערכת השמש ומקורם בסופרנובות הממוקמות בגלקסיית שביל החלב.
סוּפֶּרְנוֹבָה (Supernova): ↑ אירוע שבו כוכב מתפוצץ ומשחרר חלקיקים מואצים באנרגיה גבוהה לחלל.
חגורות קרינה (Radiation Belts): ↑ קרינה המורכבת מפרוטונים ואלקטרונים שנלכדו בשדה המגנטי של כדור הארץ.
התפרצויות סולאריות (Solar Flares): ↑ אירועים קצרים של אלקטרונים (בעיקר) הנפלטים מהשמש, שלרוב אין בהם סכנה בריאותית ניכרת לאסטרונאוטים.
התפרצויות קורונליות מאסיביות (Coronal Mass Ejection): ↑ פליטה של חלקיקים טעונים (בעיקר פרוטונים) משכבת האטמוספרה החיצונית של השמש.
שטף חלקיקים דיפרנציאלי (Differential Particle Flux): ↑ מספר החלקיקים ליחידת אנרגיה העוברים דרך יחידת שטח מוגדרת.
כתמי שמש (Sunspots): ↑ כתמים כהים על פני השמש, הקרירים יותר מהאזורים שסביבם על פני השמש. מספר רב של כתמים קשור לפעילות סולארית גבוהה ולעלייה בסבירות להתרחשות התפרצויות קורונליות מאסיביות והתפרצויות סולאריות.
תודות
עבודה זו זכתה לתמיכת תוכנית המחקר האנושי של מִנהלת המשימה לחקר האדם ולמבצעים של מִנהל האווירונאוטיקה והחלל הלאומי.
הצהרת כלי בינה מלאכותית
טקסט חלופי הנלווה לאיורים במאמר זה נוצר על ידי פרונטירז בסיוע כלי בינה מלאכותית, ונעשו מאמצים על מנת להבטיח את דיוקו, כולל בדיקה על ידי כותבי המאמר כאשר הדבר התאפשר. אם ברצונכם לדווח על בעיה, אנו צרו איתנו קשר.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
מקורות
[1] ↑ Afshinnekoo, E., Scott, R. T., MacKay, M. J., Pariset, E., Cekanaviciute, E., Barker, R., et al. 2021. Fundamental biological features of spaceflight: advancing the field to enable deep-space exploration. Cell 183:1162–1184. doi: 10.1016/j.cell.2020.10.050
[2] ↑ Benton, E. R., and Benton, E. V. 2001. Space radiation dosimetry in low-earth orbit and beyond. Nucl. Instr. Methods Phys. Res. Section B. 184:255–294. doi: 10.1016/S0168-583X(01)00748-0
[3] ↑ Ackermann, M., Ajello, M., Allafort, A., Baldini, L., Ballet, J., Barbiellini, G., et al. 2013. Detection of the characteristic pion-decay signature in supernova remnants. Science 339:807–811. doi: 10.1126/science.1231160
[4] ↑ Woosley, S. E., and Weaver, T. A. 1986. The physics of supernova explosions. Ann. Rev. Astron. Astrophys. 24:205–253. doi: 10.1146/annurev.aa.24.090186.001225
[5] ↑ Werneth, C. M., Slaba, T. C., Blattnig, S. R., Huff, J. L., and Norman, R. B. 2020. A methodology for investigating the impact of medical countermeasures on the risk of exposure induced death. Life Sci. Space Res. 25:72–102. doi: 10.1016/j.lssr.2020.03.001