Als das Orion-Raumschiff im November 2022 zu seinem Jungfernflug in Richtung Mond abhob, saßen darin zwei ganz besondere Passagierinnen: die Zwillingsschwestern Helga und Zohar. Allerdings handelte es sich bei ihnen nicht etwa um Astronautinnen, sondern um zwei baugleiche »Messphantome« – Puppen ohne Beine, übersät mit Sensoren. Ihre Mission: detaillierte Messdaten dazu sammeln, welcher Strahlenbelastung Menschen in einem astronautischen Raumschiff im freien Weltraum ausgesetzt sind.

Warum solche Experimente wie das mit Helga und Zohar während der Artemis-1-Mission nötig sind, zeigt ein Blick auf die feindliche Umgebung jenseits der schützenden Hülle der Erde: Der Weltraum ist erfüllt von umherflitzenden Teilchen. Die besonders energiereiche galaktische kosmische Strahlung gleicht einem ständigen Nieselregen aus Wasserstoffkernen und teils schwereren Ionen. Deren Energie ist mitunter so hoch, dass sie auf ihrem Weg durch den menschlichen Körper Elektronen aus Atomen und Molekülen herausschlagen und die DNA schädigen können. Auf der Erde sind wir dieser Strahlung nur in vergleichsweise geringem Maß ausgesetzt, weil Atmosphäre und Magnetfeld einen Großteil davon abfangen. Mit zunehmender Entfernung vom Erdboden nimmt die Belastung jedoch zu.

Bereits auf der Internationalen Raumstation ISS, die oberhalb eines Großteils der schützenden Atmosphäre kreist, aber noch innerhalb des Erdmagnetfelds, ist sie schon rund 250-mal so hoch wie am Boden. Das heißt, Astronautinnen und Astronauten erhalten dort an anderthalb Tagen etwa die gleiche Dosis wie auf der Erde in einem Jahr. Wer zum Mond fliegt, verlässt zusätzlich den Schutz des irdischen Magnetfelds.

Strahlenbelastung ist großes Problem

Thomas Berger erforscht seit mehr als 20 Jahren die Strahlenbelastung im All. »Je länger sich ein Mensch im Weltraum aufhält, desto höher ist die Dosis der galaktischen kosmischen Strahlung, die er abbekommt, und damit auch das Krebsrisiko«, sagt der Leiter der Abteilung Strahlenbiologie am Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt in Köln.

Neben diesen Langzeiteffekten spielen jedoch auch kurzfristige Gefahren eine Rolle. Die gehen vor allem von energiereichen Protonen aus, die bei explosionsartigen Ausbrüchen in der Sonnenatmosphäre ins All geschleudert und stark beschleunigt werden. Diese Art der kosmischen Strahlung kommt also nicht von weit entfernten Sternen, sondern von unserem eigenen Stern. »Solche solaren Stürme können innerhalb kurzer Zeit eine hohe Strahlendosis freisetzen und zu einer akuten Strahlenkrankheit führen«, erklärt Berger.

Die möglichen Folgen sind bekannt – etwa aus den Erfahrungen nach den Atombombenabwürfen über Hiroshima und Nagasaki oder von Einsatzkräften, die nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl hochkontaminiertes Material beseitigen mussten. Viele erkrankten später an Krebs oder Leukämie; zudem schwächte die hohe Strahlenbelastung das Immunsystem und verursachte teilweise schwere Organschäden.

Die kosmischen Teilchenschauer sind daher ein zentrales Problem bei astronautischen Flügen zu Mond und Mars. Die großen Raumfahrtagenturen arbeiten mit der Internationalen Strahlenschutzkommission zusammen, um neue Richtlinien für den Strahlenschutz von Astronauten bei zukünftigen Mond- und Marsmissionen zu bestimmen. Denn: Mit dem derzeitigen Wissensstand lässt sich ein solcher Grenzwert für die Strahlenbelastung noch nicht eindeutig definieren.

»Astronauten erhalten über Wochen oder Monate hinweg eine vergleichsweise niedrige, aber kontinuierliche Ganzkörperdosis – das wirkt sich biologisch anders aus«Anna Fogtmann, Strahlenschutzbeauftragte der ESA

»Die vorhandenen Daten stammen überwiegend von Ereignissen auf der Erde«, erläutert Anna Fogtman, Strahlenschutzbeauftragte der Europäischen Raumfahrtagentur ESA. »Dabei wurden Menschen innerhalb kurzer Zeit einer hohen Dosis ausgesetzt. Astronauten hingegen erhalten über Wochen oder Monate hinweg eine vergleichsweise niedrige, aber kontinuierliche Ganzkörperdosis – das wirkt sich biologisch anders aus.«

Zellen haben während einer Langzeitexposition mehr Zeit, Schäden zu reparieren. Bei einer kurzen, sehr hohen Dosis wird dieser Reparaturmechanismus hingegen überlastet, was zu bleibenden Schäden oder gar zum Zelltod führen kann. Die NASA hat deshalb derzeit über eine gesamte Astronautenkarriere ein Limit von 600 Millisievert festgelegt. Die Größenordnung entspricht grob der Belastung durch mehrere Tausend Röntgenaufnahmen des Brustkorbs.

Grundlage des internationalen Strahlenschutzes ist das ALARA-Prinzip (»As Low As Reasonably Achievable«): Die Belastung soll so gering wie vernünftigerweise erreichbar gehalten werden. Voraussetzung dafür ist allerdings, die tatsächliche Dosis bei Mondflügen genau zu kennen. Erste Messwerte lieferten bereits die Apollo-Missionen. Zwischen 1968 und 1972 schickte die NASA neun bemannte Raumflüge zum Mond. Alle Astronauten hatten Dosimeter an Bord des Raumschiffs und sogar in ihrer Unterwäsche. Viele der Geräte erfassten aber nur die aufsummierte Gesamtdosis; zeitlich und räumlich aufgelöste Messungen waren mit der damaligen Technik kaum möglich.

Eine neue Qualität der Messung

Das ist inzwischen anders. Wie viel Strahlung während der einzelnen Missionsphasen anfällt, zeichneten die Sensoren im Orion-Raumschiff während des Jungfernflugs detailliert auf. Neu entwickelte Dosimeter maßen in festen Zeitintervallen die Belastung in unterschiedlich stark abgeschirmten Bereichen der Crewkapsel. »Das Raumschiff war vollgestopft mit Detektoren«, sagt der Strahlenbiologe Thomas Berger. »Wir haben insgesamt 34 aktive Messgeräte auf Helga und Zohar verteilt, dazu hatten wir noch fünf Messgeräte von der ESA und drei von der NASA an Bord.«

Die Messphantome bestanden jeweils aus 38 scheibenförmigen Segmenten aus Kunststoff, die Knochen, Weichteile und Organe eines weiblichen Körpers nachbildeten. Bislang waren vergleichbare Messungen fast ausschließlich an männlichen Phantomen durchgeführt worden. In die einzelnen Scheiben integrierten die Forscher Tausende Kristalle, die ionisierende Strahlung registrieren. Besonders empfindliche Organe wie Lunge, Magen, Gebärmutter und Rückenmark wurden mit Sensoren versehen, welche die Dosis im Fünf-Minuten-Takt erfassten. Nach der Rückkehr der Raumkapsel zur Erde ließ sich aus diesen Daten die Dosisverteilung im Inneren der Körper dreidimensional rekonstruieren. Während Helga ungeschützt in der Kapsel saß, trug Zohar eine spezielle Strahlenschutzweste.

Unter dem Einfluss der andauernden galaktischen kosmischen Strahlung unterschieden sich die angesammelten Dosen in den einzelnen Organen von Helga nur um wenige Prozent. Bei einem kurzzeitigen, intensiven Protonenbeschuss durch die Sonne traten jedoch deutliche Unterschiede auf: In wenig abgeschirmten Bereichen wie dem rechten Lungenflügel war die Belastung doppelt so hoch wie im Bereich der Wirbelsäule; an Helgas Vorderseite wurde stellenweise sogar eine dreifache Dosis gemessen. Zohar hatte dank der Schutzweste deutlich weniger Strahlung abbekommen.

Damit können Berger und sein Team die Risiken künftiger Missionen präziser modellieren als bisher. »Wir wissen nun, zu welchem Zeitpunkt welche Strahlung auftritt – und ob sie aus der Galaxis stammt oder von der Sonne«, erklärt der Physiker. »Das erlaubt es, die einzelnen Beiträge zu trennen und auf andere Missionsprofile zu übertragen.«

Entscheidend ist dabei nicht nur die Gesamtdosis, sondern auch die Art der Strahlung. Die gleiche Dosis, das heißt die gleiche von der Strahlung abgegebene physikalische Energie, kann je nach Zusammensetzung sehr unterschiedliche biologische Folgen haben. Maßgeblich ist die Dichte der Ionisationsspur, die ein Teilchen im Gewebe hinterlässt. Schwerionen aus der galaktischen kosmischen Strahlung verursachen viele Schäden auf kleinem Raum – vergleichbar mit einer Salve von Gewehrkugeln, die wenige Vögel trifft, diese aber erheblich verletzt. Dünn ionisierende Strahlung, etwa durch solare Protonen, wirkt eher wie ein Schrotschuss: Viele Zellen werden getroffen, aber jeweils nur leicht.

Auch für die Verbesserung von Vorhersagemodellen sind die Artemis-1-Daten bedeutsam. Bislang stützten sich Forscher auf Messungen von den Apollo-Missionen, der ISS oder von interplanetaren Raumsonden. »Doch das waren immer Detektoren außerhalb eines bemannten Raumschiffs«, sagt Berger. »Die neue Mission lieferte erstmals detaillierte Daten aus dem Inneren einer Crewkapsel.«

Schutz vor solaren Extremereignissen

Schon wenige Stunden nach dem Start erlebten Helga und Zohar eine besonders kritische Phase, als sie mit dem Raumschiff den Strahlungsgürtel der Erde durchquerten. Der besteht aus zwei Ringen elektrisch geladener Teilchen, die im Erdmagnetfeld gefangen sind. Dadurch werden sie so stark beschleunigt, dass sie fast mit Lichtgeschwindigkeit herumsausen.

Beim Durchqueren des inneren Protonengürtels stieg die Strahlung schnell und sehr stark an. Zudem zeigten sich große Unterschiede innerhalb der rund neun Kubikmeter großen Crewkapsel. »Der Durchflug dauerte nur 30 Minuten, machte aber etwa zehn Prozent der Gesamtdosis aus«, sagt Thomas Berger. Der innere Protonengürtel sei auch deswegen interessant, weil der Durchflug einem starken solaren Teilchenereignis ähnelt.

Mit diesen Daten lässt sich nun genauer simulieren, wie gut die Besatzung bei solaren Extremereignissen geschützt ist, etwa während eines Strahlungssturms wie dem im August 1972. Der störte den Radio- und Fernsehempfang in ganz Nordamerika, löste beim US-Militär einen atomaren Fehlalarm aus und ließ vor der Küste Vietnams wahrscheinlich mehrere magnetische Seeminen detonieren. Wären zu dieser Zeit Apollo-Astronauten auf der Mondoberfläche gewesen, hätten sie eine lebensbedrohliche Strahlendosis abbekommen und ohne sofortige Notfallbehandlung nicht überlebt. Im neuen Orion-Raumschiff kann die Besatzung selbst eine so heftige Sonneneruption überstehen.

Doch die Strahlenbelastung variiert auch entlang der Flugbahn des Raumschiffs. Im freien Weltraum kommt die Strahlung vor allem von den Seiten und von vorn. In Mondnähe sinkt sie, weil der Himmelskörper einen Teil abschirmt. Auf dessen Oberfläche steigt sie jedoch wieder an, weil der Mond weder ein Magnetfeld noch eine dichte Atmosphäre besitzt. Die kosmische Strahlung knallt nahezu ungebremst auf den Boden. Dabei entstehen zahlreiche neue Teilchen, sogenannte sekundäre Strahlung. Dazu zählt auch die Neutralstrahlung, die vor allem aus Neutronen besteht und besonders tief in den Körper eindringen kann.

Auf dem Mond ist die Strahlenbelastung bis zu 1000-mal höher als auf der Erde. Für längere Aufenthalte sind daher Schutzmaßnahmen unerlässlich

Ein Team um den Physiker Robert Wimmer-Schweingruber von der Universität Kiel hat einen Strahlungssensor für den Mond gebaut, das LND-Instrument. Das Gerät ist im Jahr 2019 mit der chinesischen Forschungssonde Chang’e 4 auf der Rückseite des Mondes gelandet und hat dort mehr als fünf Jahre lang die Strahlung gemessen. Die Auswertung zeigt: Auf dem Mond ist die Strahlenbelastung bis zu 1000-mal höher als auf der Erde. Für längere Aufenthalte sind daher Schutzmaßnahmen unerlässlich – etwa mit Mondgestein bedeckte Habitate oder Unterkünfte in natürlichen Hohlräumen.

Auch die Sonne spielt eine zentrale Rolle für die Art und die Intensität kosmischer Strahlung. Alle elf Jahre erreicht die Sonnenaktivität ihr Maximum. Dann sind Besatzungen bei Mond- und Marsflügen zwar weniger hochenergetischer Strahlung aus der Milchstraße ausgesetzt, weil das solare Magnetfeld sie stärker abblockt. Allerdings ist dann das Risiko für heftige Protonenschauer durch solare Strahlungsstürme sehr hoch. Diese können sich jederzeit ereignen, selbst in Phasen geringer Sonnenaktivität.

Der Aktivität der Sonne auf der Spur

Forschungsteams arbeiten weltweit daran, erste Anzeichen dieser Sonnenstürme aufzuspüren und sie möglichst früh vorherzusagen. Dazu hat eine ganze Flotte von Erkundungssonden die Sonne im Visier.

Eine der wichtigsten ist das Solar Dynamics Observatory der NASA. Es beobachtet die Sonne rund um die Uhr in hoher Auflösung und kann die Entstehung von Sonnenstürmen detailliert verfolgen. Der Solar Orbiter von ESA und NASA untersucht zusätzlich, wie die energiereichen Partikel auf ihre enorme Geschwindigkeit gebracht werden. Obwohl die Sonnenphysik in den zurückliegenden Jahren riesige Fortschritte gemacht hat, lassen sich Sonnenstürme nicht hinreichend genau vorhersagen.

Wissenschaftler der Space Radiation Analysis Group überwachen am Johnson Space Center der NASA in Houston ständig das aktuelle Weltraumwetter. Sie sind sozusagen die Rettungsschwimmer des Weltraums. Statt nach Flutwellen und Strömungen halten sie Ausschau nach Ebbe und Flut in der Weltraumstrahlung.

Dazu überprüfen sie jeden Tag die Vorhersagen der US-amerikanischen Wetter- und Ozeanografiebehörde (NOAA). Deren geostationäre Weltraumwettersatelliten sammeln seit Mitte der 1970er-Jahre Daten über die Sonnenaktivität. Die Space Radiation Analysis Group informiert die Missionskontrolle der NASA über die aktuelle Wetterlage im All und schlägt Alarm, wenn ein Sonnensturm heraufzieht. In einem solchen Fall bliebe der Besatzung eines Orion-Raumschiffs maximal eine Stunde Zeit, um sich in Sicherheit zu bringen. Dazu kann sich die Besatzung in einen speziell abgeschirmten Bereich in der Mitte der Orion-Kapsel zurückziehen. Im Notfall sollen die Astronauten mit Wassercontainern und Ausrüstungspaketen eine Art Kissenburg um sich herum bauen, die als zusätzliche Abschirmung gegen die intensive Strahlung dient.

»Wenn wir dauerhaft auf Mond und Mars leben wollen, müssen wir kreativ werden. Die Materialien für die Anzüge zum Beispiel müssen leichter, ergonomischer und flexibler sein als bislang«Malgorzata Holynska, Material- und Verfahrenstechnikerin

»Hochenergetische Ionen fliegen im Prinzip durch jede Abschirmung ungehindert durch«, sagt Thomas Berger. »Aber man kann versuchen, Materialien einzusetzen, die dafür sorgen, dass sich diese schweren Ionen beim Auftreffen in kleinere Fragmente spalten.« Die entstehenden leichteren Teilchen sind für den menschlichen Körper weniger gefährlich als die ursprünglichen. Allerdings bilden sich dabei auch wieder Neutronen. Deshalb ist es nicht sinnvoll, die Abschirmung beliebig zu verdicken: Ist sie zu massig oder besteht aus ungeeigneten Materialien, nimmt die freigesetzte Sekundärstrahlung sogar zu.

Neue Materialien für Flüge zu Mond und Mars

Langfristig werden deshalb neue, innovative Stoffe und Ideen benötigt. »Wenn wir dauerhaft auf Mond und Mars leben wollen, müssen wir kreativ werden«, sagt Malgorzata Holynska, Material- und Verfahrenstechnikerin bei der ESA. »Die Materialien für die Anzüge zum Beispiel müssen leichter, ergonomischer und flexibler sein als bislang.«

Große Hoffnungen setzt sie auf Hydrogele. Das sind Polymere, die viel Wasser aufnehmen können. Wasser ist sehr gut darin, Strahlung abzuschirmen. Es enthält viele Wasserstoffatome, die aufprallende Strahlungsteilchen abbremsen und nur eine geringe Sekundärstrahlung freisetzen. Auf der ISS wurde schon eine Schutzweste getestet, die mit Wasser gefüllte Taschen enthielt. Allerdings ist flüssiges Wasser im Weltraum riskant. Läuft es aus, weil eine Tasche undicht wird, können Tropfen umherschweben, in elektronische Geräte eindringen und sie beschädigen.

Deshalb arbeitet Malgorzata Holynska mit dem Chemiker Peter Dubruel zusammen. Er leitet eine Forschungsgruppe, die an der Universität Gent untersucht, wie sich Hydrogele für den Strahlenschutz im Weltraum eignen. Das Gute daran: Die Technologie ist bereits aus dem Alltag bekannt. Hydrogele kommen in vielen Anwendungen vor – von Kontaktlinsen bis hin zu Sanitärprodukten.

Gleich mehrere Eigenschaften machen das Material für die Raumfahrt attraktiv: In Hydrogelen verteilt sich das Wasser gleichmäßig, was eine homogene Abschirmung über die gesamte Fläche ermöglicht. Zudem laufen sie nicht aus, wenn sie beschädigt werden, lassen sich per 3D-Druck in nahezu jede Form bringen und in der benötigten Menge herstellen. Das eröffnet ein breites Anwendungsspektrum vom Schutzanzug für Expeditionen auf der Mondoberfläche über Strahlenschilde für Raumschiffe bis hin zu aufblasbaren Habitaten für die Mondforschung. Ein französisches Unternehmen hat bereits Interesse an dem Material bekundet. Als Nächstes will das Team in Gent untersuchen, wie wirksam Hydrogele kosmische Strahlung abschirmen – und welche Materialdicke dafür erforderlich ist.

All das zeigt: Die Messungen mit Helga und Zohar waren ein wichtiger erster Schritt. An ihnen lässt sich ablesen, wie gefährlich die Strahlung im Weltraum für den Menschen werden kann. Die Sensoren, Vorhersagemodelle und abschirmenden Materialien, die jetzt getestet werden, sollen dafür sorgen, dass Astronautinnen und Astronauten den Mond in Zukunft sorgenfreier betreten und vielleicht sogar längerfristig auf ihm leben können. Damit haben zwei Messphantome ohne Beine die Rückkehr des Menschen zum Mond geebnet – und möglicherweise seinen Weg noch weit darüber hinaus.