// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Mini-Kristalle erfassen kosmische Strahlung am Mond
Kosmische Strahlung ist für künftige Mondreisen ein ernstes Risiko. Während der Artemis-I-Mission haben wenige Millimeter große Lithiumfluorid-Kristalle Teilchenspuren aufgezeichnet, aus denen Forscher nun Eigenschaften des Strahlungsfeldes ableiten konnten. Der Vergleich mit bewährten Detektoren bestätigt das Messprinzip, offenbart aber deutliche Abweichungen bei besonders stark ionisierenden Teilchen.
Krakau (Polen). Außerhalb des weitgehend schützenden Erdmagnetfelds treffen energiereiche Teilchen aus dem All auf Raumfahrzeuge und ihre Besatzungen. Wie gefährlich diese Strahlung ist, hängt nicht nur von der aufgenommenen Energiemenge ab. Auch die Art der Teilchen und die Dichte ihrer Energieabgabe im Gewebe spielen eine Rolle.
Um solche Unterschiede zu erfassen, werden unter anderem Kunststoffdetektoren eingesetzt, die winzige Teilchenspuren speichern. Nach der Rückkehr müssen diese Spuren durch chemisches Ätzen sichtbar gemacht werden. Fluoreszierende Kristalle aus Lithiumfluorid könnten denselben Zweck erfüllen, ohne dass diese Behandlung nötig ist.
Forscher am Institute of Nuclear Physics, Polish Academy of Sciences (IFJ PAN), um Prof. Paweł Bilski haben die neuartigen Detektoren nun anhand eines echten Mondflugs erprobt. Dafür nutzten sie Messproben aus der unbemannten Artemis-I-Mission von 2022. An Bord der Raumkapsel Orion befanden sich die beiden mit Strahlungssensoren ausgestatteten, menschenähnlichen Körpermodelle Helga und Zohar.
Die nur etwa drei Millimeter breiten Kristalle speichern Spuren geladener Teilchen als winzige Störungen ihres Kristallgitters. Werden sie später im Labor mit blauem Licht beleuchtet, leuchten die betroffenen Bereiche rot auf. Ein Fluoreszenzmikroskop macht so die Bahnen einzelner Teilchen sichtbar.
„Die auf Lithiumfluorid basierenden fluoreszierenden Strahlendosisdetektoren, die an unserem Institut entwickelt wurden, arbeiten passiv. Mit anderen Worten funktionieren sie wie ein fotografischer Film: Sobald die Kristalle der Strahlung ausgesetzt waren, müssen die von den einzelnen Teilchen hinterlassenen Spuren optisch unter einem Mikroskop analysiert werden“, erklärt Prof. Paweł Bilski.
Die Wissenschaftler analysierten besonders reine Kristalle mit einem hohen Anteil des Lithiumisotops 7. Dadurch störten Reaktionen mit Neutronen die Spurenanalyse weniger. Für den Vergleich mit etablierten Kunststoffdetektoren werteten sie zwei Messpositionen am Körpermodell Zohar aus, jeweils oberhalb und unterhalb seiner Strahlenschutzweste.
Die größte Schwierigkeit lag nicht darin, die Teilchenspuren zu sehen, sondern ihre Helligkeit richtig zu deuten. Kosmische Teilchen treffen aus unterschiedlichen Richtungen auf einen Kristall. Je nach Einfallswinkel kann dieselbe Art von Spur unter dem Mikroskop unterschiedlich hell erscheinen. Das Team entwickelte deshalb Korrekturverfahren für Winkel und störendes Hintergrundlicht.
An beiden Messpositionen ähnelte die Verteilung der Energieabgabe grundsätzlich den Ergebnissen der herkömmlichen Kunststoffdetektoren. In der Pressemeldung betont Bilski die Übereinstimmung bei den vergleichbaren Messbereichen und die zusätzlichen schwachen Teilchenspuren.
„Nachdem wir eine Reihe von Korrekturen angewandt und Software entwickelt hatten, um den die Messungen störenden Hintergrund angemessen zu entfernen, wichen unsere Ergebnisse über den gesamten überlappenden Bereich der Energieabgabewerte um nicht mehr als 15 Prozent von denen herkömmlicher Spurdetektoren ab. Darüber hinaus haben wir zahlreiche Teilchenspuren registriert, die einer Energieabgabe unterhalb der Nachweisgrenze bisher verwendeter Detektoren entsprechen“, sagt Prof. Paweł Bilski.