Uma equipe de pesquisadores da University of Rochester Medical Center (URMC), em Nova York, anunciou os resultados de sua pesquisa. Astronautas de longo prazo no espaço, por exemplo, durante um vôo a Marte, podem causar problemas de saúde devido à radiação galáctica. Em particular, à degeneração cerebral e possivelmente até o aparecimento da doença de Alzheimer.
No início de 2012, conclusões semelhantes foram relatadas por cientistas russos. Como Natalia Teryaeva escreve no jornal Ploschad Mira, “se você voar em uma expedição marciana em uma espaçonave moderna, o vôo levará pelo menos 500 dias. Durante este período da missão espacial, a saúde dos astronautas pode ser irremediavelmente perdida.
Isso é evidenciado pelos resultados de estudos feitos por radiobiologistas e fisiologistas russos, que foram discutidos no Joint Institute for Nuclear Research (JINR) em uma reunião do Bureau do Departamento de Fisiologia e Medicina Fundamental da Academia Russa de Ciências.
Os cientistas veem o maior perigo na radiação galáctica: ela pode privar uma pessoa da visão e da razão, sem as quais não será possível alcançar o alvo ou voltar para casa.
As declarações dos pesquisadores sobre o perigo dos íons pesados para o organismo dos astronautas não são especulativas, elas se baseiam em dados de experimentos de aceleradores com animais realizados no Laboratório de Biologia de Radiação do Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear (LRB JINR) em cooperação com o Instituto de Problemas Biomédicos da Academia Russa de Ciências (IMPB RAS), do Instituto de Bioquímica RAS (IBCh RAS) e em colaboração com biólogos da American National Space Agency (NASA).
Íons pesados são mais assustadores do que prótons
No espaço profundo - além do campo magnético da Terra - a perigosa radiação cósmica que emana das profundezas da galáxia está à espera do homem.
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"Os raios cósmicos galácticos são fluxos de partículas elementares - íons leves e pesados", explica Mikhail Panasyuk, diretor do Instituto de Pesquisa de Física Nuclear Skobeltsyn (SINP MSU). - Os átomos dos raios cósmicos são desprovidos de camadas de elétrons; na verdade, são núcleos "nus". A razão para isso é a interação com a matéria no processo de sua transferência no Universo. O elemento mais comum dos raios cósmicos é o hidrogênio e seus íons são os prótons. Essas partículas são aceleradas por ondas de choque - os restos de explosões de supernova. Essas estrelas explodem em nossa galáxia não mais do que uma vez a cada 30 a 50 anos.
O fluxo de partículas dos raios cósmicos galácticos é constante, ao contrário dos raios cósmicos solares, que são gerados no Sol ou no meio interplanetário durante as erupções solares. Por causa disso, a contribuição total dos raios cósmicos solares por um longo tempo é insignificante. Mas durante as erupções solares (por várias horas, dias), o fluxo dos raios cósmicos solares pode exceder o fluxo dos raios cósmicos galácticos. Além disso, as energias das partículas dos raios cósmicos solares, via de regra, são menores do que as das partículas dos raios cósmicos galácticos. Também existem raios cósmicos extragalácticos que entram em nossa galáxia vindos de outras galáxias. Sua energia é maior do que a dos raios cósmicos galácticos, mas os fluxos são muito menores. Os raios cósmicos têm uma grande faixa de energia: de 106 (1 MeV) a 1021 eV (1 ZeV)."
Os espectrômetros de massa de energia instalados em satélites de pesquisa espacial registraram a composição dos raios cósmicos. Descobriu-se que um pouco menos de um por cento de todas as partículas de radiação galáctica são íons pesados com uma energia de 300 - 500 MeV / nucleon - os núcleos de elementos químicos pesados. A fração de íons leves e pesados da radiação galáctica contém a maior parte dos íons de carbono, oxigênio e ferro - desses elementos estáveis, núcleos estelares são formados como resultado da evolução das estrelas.
Os resultados das medições dos satélites espaciais serviram de base para cálculos de modelos posteriores, que mostraram que fora da magnetosfera terrestre, cerca de 105 íons pesados caem por centímetro quadrado de área por ano e cerca de 160 partículas com carga Z maior que 20. Isso significa que durante um voo para Marte em todos os dias, esse número cairá por centímetro quadrado da superfície do corpo do cosmonauta.
Os íons pesados do espaço são tão energéticos que "perfuram" a pele de uma espaçonave moderna no espaço sideral, como balas de canhão bombardeando seda fina. Cientistas do Laboratório de Biologia Radiológica do JINR descobriram como isso pode prejudicar a saúde dos mensageiros da Terra em uma longa jornada.
Para Marte - pelo toque?
“Conseguimos descobrir por que as mesmas doses de radiação diferente (fluxo de íons pesados, nêutrons, radiação gama) causam efeitos diferentes nas células vivas”, diz Evgeny Krasavin, diretor do LRB JINR, membro correspondente da RAS. - Descobriu-se que as diferenças na eficácia da ação de diferentes radiações estão associadas tanto às características físicas da radiação quanto às propriedades biológicas da própria célula viva - sua capacidade de reparar danos ao DNA após a irradiação. Em experimentos com aceleradores de íons pesados, descobrimos que os danos mais graves ao DNA ocorrem sob a influência de íons pesados. A diferença entre o impacto dos raios X (um feixe de fótons) e um feixe de íons pesados pode ser imaginada assim: disparar um pequeno tiro de uma arma contra uma parede é prejudicial aos raios X,atirar uma bala de canhão na mesma parede é a destruição de um íon pesado. Partículas pesadas, possuindo uma grande massa, perdem muito mais de sua energia por unidade de distância percorrida do que suas contrapartes mais leves. É por isso que, ao passar pela célula, um íon pesado em seu caminho produz grande destruição. Quando uma partícula pesada passa pelo núcleo da célula, uma lesão do tipo "cluster" é formada com múltiplas quebras de ligações químicas no fragmento de DNA. Eles causam vários tipos de danos cromossômicos graves no núcleo das células. "Quando uma partícula pesada passa pelo núcleo da célula, uma lesão do tipo "cluster" é formada com múltiplas quebras de ligações químicas no fragmento de DNA. Eles causam vários tipos de danos cromossômicos graves no núcleo das células. "Quando uma partícula pesada passa pelo núcleo da célula, lesões do tipo "cluster" são formadas com múltiplas quebras de ligações químicas no fragmento de DNA. Eles causam vários tipos de danos cromossômicos graves no núcleo das células."
Além disso, a lógica de raciocínio dos cientistas era a seguinte. Os íons hidrogênio (prótons) com energia de 200-300 MeV / nucleon têm tempo para percorrer um caminho de 11 cm de comprimento na água antes da desaceleração completa. O corpo humano é 90% de água. Extrapolando esse resultado para um corpo humano vivo, chegamos à conclusão: mesmo os íons leves em seu caminho podem danificar milhares de células em nosso corpo. No caso de íons pesados com uma carga de mais de 20, um resultado ainda mais deplorável para a saúde deve ser esperado.
Quais órgãos humanos podem ser danificados por íons pesados da galáxia mais gravemente e com risco de vida?
- Se você pensa em proliferar ativamente - renovar rapidamente - os tecidos do corpo, como sangue ou pele, então seus danos devido às propriedades naturais vão se recuperar rapidamente - explica o diretor do LRB JINR Yevgeny Krasavin. - Mas em tecidos estáticos - o sistema nervoso central, olhos, que não têm a capacidade natural de reparar danos rapidamente, o fluxo constante de íons pesados terá um efeito nocivo em camadas, causando a morte celular regular. Mas o sistema nervoso central e o olho são os "chips" de controle do nosso corpo.
Em experimentos com animais em Dubna, um grupo de radiobiologistas liderado pelo Acadêmico da Academia Russa de Ciências Mikhail Ostrovsky estudou os mecanismos do efeito de íons pesados nas estruturas do olho - o cristalino, retina e córnea. Nos aceleradores JINR, camundongos e soluções de cristalinas (proteínas) de suas lentes foram irradiados com feixes de prótons de 100-200 MeV.
“As lentes dos olhos de humanos e vertebrados são 90% compostas de alfa, beta e gama-cristalinos”, disse o acadêmico Ostrovsky em seu discurso em uma reunião do Bureau do Departamento de Matemática Física e Mecânica da Academia Russa de Ciências. - O conteúdo dessas proteínas nas lentes é aproximadamente o mesmo, mas elas diferem significativamente em estrutura e peso molecular. A exposição à radiação ultravioleta ou radiação pode causar agregação cristalina - o aparecimento de fibras opacas na lente. Como resultado da agregação, formam-se grandes conglomerados de dispersão de luz, que levam ao turvamento do cristalino, ou seja, ao desenvolvimento de cataratas. Ao passar pela lente do olho, até mesmo íons pesados únicos após um tempo podem fazer com que ele fique turvo.
Retorne à Terra como um Homo sapiens
Menos de todos os radiobiologistas estudaram o efeito prejudicial de íons pesados no sistema nervoso central. De acordo com especialistas da NASA, durante uma missão a Marte, de 2 a 13 por cento das células nervosas serão cruzadas por pelo menos um íon de ferro. E um próton voará pelo núcleo de cada célula do corpo a cada três dias. Portanto, existe um sério perigo de violações irreversíveis das reações comportamentais da tripulação do navio. Isso compromete a missão geral. O cérebro é um instrumento muito delicado e o rompimento de pequenas partes dele pode levar à perda do funcionamento de todo o organismo, como é o caso de pessoas que sofreram derrame ou com doença de Alzheimer.
No Laboratório de Radiação Espacial da NASA em Brookhaven, usando um feixe de íons de ferro acelerado para uma energia de 1 GeV / nucleon, a radiação galáctica foi simulada no pré-acelerador de íons pesados do colisor RHIC no Laboratório Nacional de Brookhaven. O experimento com ratos foi chamado de "teste cognitivo". Uma pequena área sólida foi colocada em uma piscina redonda sob uma fina camada de água opaca. Ratos de laboratório - primeiro saudáveis e depois irradiados com feixes de íons de ferro - foram lançados nesta piscina e monitoraram a rapidez com que os animais podiam encontrar essa área e subir nela. Ratos saudáveis encontraram rapidamente o local e caminharam em direção a ele pelo caminho mais curto. A irradiação com íons pesados alterou dramaticamente as funções cognitivas (habilidade de aprendizagem) dos animais. Um mês após a exposição, o comportamento do rato mudou dramaticamente. Ela deu laçadapor um longo tempo ela circulou a piscina, até que quase sem querer conseguiu sentir o chão sólido sob seus pés. As habilidades de pensamento do animal foram severamente prejudicadas. Esse efeito não foi observado quando os ratos foram irradiados com raios-X e radiação gama.
Para representar as possíveis consequências da irradiação do corpo humano com íons pesados, é necessário “jogar” o modelo de perigo cósmico em primatas, acreditam os pesquisadores. No entanto, os danos revelados em roedores pelos efeitos da radiação galáctica de íons pesados são convincentes o suficiente para não pensarmos nisso quando se planeja enviar pessoas em um longo vôo para Marte.
Como evitar problemas
Pelo que físicos e biólogos sabem hoje, segue-se que o risco de danos por radiação aos astronautas não pode ser reduzido a zero durante a jornada de mais de um ano a Marte. Métodos para reduzir esse risco existem até agora na forma de ideias.
Primeira ideia: planejar um vôo para Marte durante o ciclo solar máximo. Neste momento, o fluxo de raios cósmicos galácticos será menor devido ao fato de que o campo magnético interplanetário do sistema solar irá dobrar as trajetórias dos raios cósmicos galácticos, buscando reduzir a intensidade de suas partículas e "varrendo" partículas com energias inferiores a 400 MeV / nucleon do sistema solar.
A segunda ideia é reduzir significativamente a dose de radiação da radiação galáctica com a ajuda de uma proteção confiável da nave e fornecer na estrutura da nave um compartimento-abrigo especial com proteção mais potente de poderosos fluxos de vento solar imprevisível. Já estão sendo desenvolvidos novos tipos de materiais de proteção que se tornariam mais eficazes do que o alumínio usado atualmente, por exemplo, plásticos contendo hidrogênio, como o polietileno. Com a ajuda deles, é possível criar uma proteção capaz de reduzir a dose de radiação em 30 - 35% em uma espessura de 7 cm. É verdade que isso não é suficiente, dizem os cientistas, a espessura da camada protetora deve ser aumentada. E se não funcionar, reduza significativamente a duração do voo - digamos, pelo menos para 100 dias. Cem dias é um número até agora justificado apenas intuitivamente. Mas em qualquer caso, você precisa voar mais rápido.
A terceira ideia: fornecer aos pilotos da espaçonave marciana drogas anti-radiação eficazes que pudessem fortalecer significativamente as ligações entre as proteínas do DNA, reduzindo sua vulnerabilidade ao bombardeio de íons pesados.
A quarta ideia: criar um campo magnético artificial ao redor da espaçonave, semelhante ao campo magnético da Terra. Existe um projeto de um ímã toroidal supercondutor, dentro e fora do qual o campo se aproxima de zero, para não prejudicar a saúde dos astronautas. O poderoso campo de tal ímã deve desviar uma grande proporção de prótons e núcleos cósmicos da espaçonave e reduzir a dose de radiação em 3 - 4 vezes durante a expedição a Marte. O protótipo desse ímã já foi criado e será usado em um experimento para estudar os raios cósmicos a bordo da Estação Espacial Internacional.
No entanto, até que as ideias de proteger a tripulação marciana não tenham encontrado sua personificação, só há uma saída, dizem os radiobiólogos: conduzir estudos radiobiológicos detalhados em condições terrestres em aceleradores de íons pesados, que, em condições terrestres, simularão o efeito prejudicial de núcleos pesados de alta energia que emanam das profundezas da galáxia. Entre esses aceleradores exclusivos estão o Nuclotron do Laboratório de Física de Altas Energias do JINR e o complexo do colisor NICA sendo criado com base nele. Os cientistas depositam grandes esperanças na capacidade dessas instalações.
E se estamos com pressa de voar para Marte, então é hora de construir espaçonaves mais rápidas ou de deixar os sonhos de voos tripulados no espaço profundo por enquanto. Deixe os robôs viajarem por enquanto.
