Protección de los astronautas frente a la radiación en un viaje a Marte

Abstract

The main goal of this project has been to explore and analyze different combinations of materials that could be used in the design of a radiation shield to protect the crew in an eventual travel to Mars. In order to accomplish this goal we have analyzed the characteristics of space radiation along the trajectory of a long flight plan, that is, a plan that implies a long stay in Mars. Then we have studied how this radiation interacts with the different materials that constitute our radiation shield model. The main tool we have used is the simulation software SPENVIS, developed by the European Space Agency (ESA). SPENVIS allows the introduction of space missions with different characteristics (in our case, our flight plan to Mars). Using the corresponding trajectories and the duration of the mission, SPENVIS computes the magnitudes related to radiation that may affect the crew and the electronics of that particular mission. We have performed an exhaustive work of research in the literature about the interaction between radiation and different types of materials. Using the main conclusions from this research we have selected and combined materials that, due to their properties as moderators and attenuators of radiation might be reasonable components of a spacecraft covering. These materials (carbon, iron, boron, lead and polyethilene) and their assigned thickness have been introduced in SPENVIS and the total ionizing doses (TID) have obtained for each of them. The TID is a very important magnitude in assessing health hazard due to radiation and modeling its values is a standard way of understanding its behavior and improving the safety of space crews. We have also analyzed how materials found in Mars can provide a shield against radiation. We have checked that the order of materials with different properties alters the total ability of the multi-layer shield to protect against radiation. The combinations of materials we propose allow the reduction of radiation hazard for energies near the maximum fluences, but would force too high spacecraft masses. Therefore it would make sense to limit the radiation shields to the inhabited zones and to the protection of sensitive electronics. It must be said that a full approach to this problem is an important branch of current research and no satisfactory solution has been found yet. Therefore, finding a complete solution was beyond the scope of this project.

e materiales que se podrían utilizar en el diseño del escudo frente a la radiación para proteger a la tripulación en un posible viaje a Marte. Para cumplir este objetivo hemos analizado las características de la radiación espacial, siguiendo la trayectoria de un plan de vuelo largo que implica una estancia larga en Marte. Hemos estudiado cómo esta radiación interactúa con los diferentes materiales que constituyen nuestro modelo de escudo frente a la radiación. La principal herramienta de trabajo que hemos usado es el software de simulación SPENVIS, un software desarrollado por la Agencia Espacial Europea (ESA). SPENVIS nos permite introducir misiones espaciales con diferentes características (en nuestro caso, nuestro plan de vuelo a Marte). Usando las trayectorias correspondientes y la duración de la misión, SPENVIS computa las diferentes magnitudes relacionadas con la radiación que puede afectar a la tripulación y a los sistemas eléctronicos de esa misión en particular. Hemos realizado una investigado exhaustiva de la literatura existente sobre la interacción entre la radiación y distintos tipos de materiales. A partir de las principales conclusiones extraídas de dicha investigación hemos escogido y combinado materiales que, debido a sus propiedades moderadoras y atenuantes de la radiación, podrían formar el revestimiento interior de la estructura de la nave. Estos materiales (carbono, hierro, boro, plomo y polietileno) y sus respectivos espesores se han introducido en SPENVIS, con lo que hemos obtenido las dosis totales de radiación ionizante (TID) para cada uno de ellos. La TID es una magnitud muy importante que representa los riesgos de la radiación en la salud, por lo tanto, su conocimiento es crítico para asegurar la seguridad de la tripulación ante los efectos nocivos de la radiación espacial. También hemos analizado cómo los materiales encontrados en Marte pueden servir cómo escudo frente a la radiación. Hemos comprobado que el orden de los materiales con diferentes propiedades altera la habilidad total de la protección frente a la radiación del escudo multicapa. Las combinaciones de materiales que proponemos permiten la reducción del peligro de la radiación para energías próximas a las de máxima fluencia, pero requiere de masas demasiado altas para la nave. Por lo tanto, tendría sentido limitar los escudos frente a la radiación a las zonas inhabitadas y proteger los sistemas electrónicos más sensibles. Cabe destacar que un buen enfoque a este problema es una rama importante de la investigación actual y que todavía no se han encontrado soluciones satisfactorias. Por lo tanto, la búsqueda de una solución completa estaba más allá del alcance de este proyecto.