Radiazioni nello spazio
Approfondimento del corso di Missioni Interplanetarie
Saverio Murgia

Prima di iniziare a parlare delle radiazioni nello spazio, è necessario definire cosa esse siano. Spesso quando si parla di radiazioni, lo si fa utilizzando il termine con una connotazione negativa, riferendosi ad esse come un pericolo. Non tutte le radiazioni sono pericolose però, per esempio la luce è un tipo di radiazione, il calore emanato dal sole è un tipo di radiazione, il wifi e il forno a microonde utilizzano radiazioni... Con il termine radiazione si intende un fenomeno caratterizzato da trasporto di energia nello spazio senza il supporto di un mezzo materiale o il movimento di corpi macroscopici. Questa definizione ovviamente non ha connotazione negativa. E' possibile dividerle in due grandi categorie : radiazioni corpuscolari e radiazioni elettromagnetiche; le prime sono costituite da particelle sub atomiche che si spostano con velocità prossime a quelle della luce (hanno energia molto alta), le seconde si propagano nel vuoto con la velocità della luce, le particelle che le compongono sono prive di massa (hanno energia che dipende fortemente dalla frequenza).

Più interessante è la classificazione energetica delle radiazioni, la quale permette di distinguere una particolare categoria di radiazioni: le radiazioni ionizzanti. Una radiazione si definisce ionizzante quando la sua energia è sufficente a ionizzare un atomo (o una molecola). A loro volta le radiazioni ionizzanti si possono dividere in due categorie: quelle che producono ioni in modo diretto (particelle cariche alfa e beta) e quelle che le producono in modo indiretto (neutroni, raggi gamma e raggi x).

Particelle alfa: Le particelle alfa sono radiazioni corpuscolari composte da nuclei di elio, altamente ionizzanti ma con basso potere di penetrazione a causa dell'elevata sezione d'urto. Particelle beta: Le particelle beta sono radiazioni ionizzanti corpuscolari emesse da alcuni tipi di nuclei radioattivi, e sono composte da elettroni o positroni ad alta energia. Raggi gamma, beta e altre radiazioni elettromagnetiche: Questo tipo di radiazioni è altamente penetrante, ma meno ionizzante di quelle corpuscolari. Poichè le radiazioni implicano un trasferimento di energia, esse inducono modificazioni nel tessuto o materiale che le assorbe. L'energia assorbita può provocare un riscaldamento, causare corrente elettrica oppure, se abbastanza energia è assorbita, causare la ionizzazione di atomi o molecole, cioè l’espulsione di uno o più elettroni da parte della stessa.

Gli ioni hanno comportamenti chimici diversi rispetto agli atomi neutri, quindi le radiazioni ionizzanti possono potenzialmente causare più danni delle radiazioni non ionizzanti. La maggior parte degli atomi infatti sono parti di molecole, e alla base della vita vi sono le interazioni tra di esse. Poichè una molecola ionizzata si comporta diversamente rispetto alla stessa non ionizzata, ciò può causare anomalie. Fortunatamente la maggior parte delle volte i danni fatti dalle radiazioni colpiscono molecole di piccola importanza poichè ve ne sono molte altre all'interno della cellula pronte a prendere il posto di quella danneggiata. In casi

rari, la molecola colpita può reagire con altre molecole, ma comunque in genere il danno è poco importante. A volte invece vengono danneggiate delle molecole più importanti: delle proteine, degli amminoacidi, o qualche altra molecola che ha funzioni importanti. Se non funzionano correttamente, la cellula non si comporta come dovrebbe. Se si tratta di una proteina, a meno di rari casi sfortunati, è comunque possibile rimpiazzarla mediante la sintesi di una nuova proteina dello stesso tipo, mentre se si tratta del DNA, allora la cellula si comporta in maniera totalmente differente da come è previsto. Il più delle volte la cellula muore, in casi più rari essa non svolge più le funzioni che avrebbe dovuto, e nel caso in cui essa si riproducesse, potrebbe nascere un tumore. Alcuni tipi di radiazioni, come i raggi X (altamente penetranti essendo elettromagnetici) possono danneggiare un atomo, quindi una piccolissima parte di un nucleotide del DNA, altre radiazioni più energetiche possono danneggiare un cluster di atomi e quindi anche più coppie di basi, altri ancora possono danneggiare delle molecole che successivamente vanno a danneggiare il DNA.

Poichè però il DNA è così importante per la vita della cellula, essa mette in atto dei meccanismi che limitano i danni al DNA. Poichè ogni nucleotide lega con solo un altro nucleotide, se un elemento della coppia viene danneggiato, degli enzimi lo rimuovono e lo sostituiscono con il nucleotide corretto.

Purtroppo ciò funziona solamente se viene danneggiato un singolo nucleotide per coppia, e se esso non viene trasformato in un altro nucleotide dalla radiazione. In caso contrario il meccanismo di riparazione non può funzionare più, e quindi la cellula può eliminare la parte di dna danneggiata oppure sostituire le coppie danneggiate con coppie casuali di nucleotidi. Dopo queste operazioni la cellula non lavora più come dovrebbe. Durante la mitosi, il DNA è molto più vulnerabile che in tutti gli altri cicli della cellula, poichè il DNA si sta replicando e gli enzimi non riescono a riconoscere le corrette sequenze di coppie, quindi i danni non vengono riparati correttamente. Le cellule che sono più spesso in mitosi sono quelle dei follicoli dei capelli o del midollo osseo. Ciò spiega come mai elevati livelli di radiazioni causino la perdita dei capelli e l'anemia.

Riguardo le radiazioni nello spazio, circa un centennio fa, quando i fisici iniziarono a studiare le radiazioni in maniera approfondita cercando le origini di questo fenomeno, i ricercatori notarono che anche quando tutte le fonti di radiazioni note venivano rimosse, rimaneva sempre una radiazione di fondo. Essi iniziarono quindi a pensare che elementi radioattivi fossero tutti intorno a loro, e quindi fecero esperimenti per misurare la radiazione ad alta quota utilizzando dei palloni che portavano i sensori ad elevate altitudini. Come immaginavano, salendo di quota il livello della radiazione di fondo diminuiva, fino ad un certo punto però: contro ogni aspettativa, superata una certa quota il livello di radiazioni aumentava nuovamente. Fu allora che gli scienziati si resero conto che dallo spazio provenivano delle radiazioni, e Victor Hesse vinse il premio nobel nel 1936 per aver spiegato questo fenomeno. Più recentemente però si è scoperto che le radiazioni misurate da Hesse non erano esattamente radiazioni cosmiche, ma radiazioni provocate dallo scontro dei raggi cosmici corpuscolari con gli atomi dell'atmosfera terrestre. Abbiamo molta conoscenza riguardo alle radiazioni terrestri, e sulla terra abbiamo molte possibilità di schermatura prevenzione: elementi radioattivi possono essere trasportati via terra e via mare dentro pesanti container schermati, si può evitare di entrare in una zona contaminata, si possono isolare reattori nucleari

dentro grosse zone isolate dalle radiazioni...tutto ciò però non è praticabile nello spazio. Visto il costo che ogni kg ha per le missioni spaziali, sarebbe impensabile schermare totalmente uno spacecraft con metalli pesanti come il piombo, e quindi è necessario trovare soluzioni alternative. Per esempio si stanno studiando degli scudi plastici, degli scudi elettromagnetici o medicinali che limitino l'effetto delle radiazioni sugli umani. La terra, fortunatamente, è protetta dai raggi cosmici grazie alla magnetosfera. Siamo infatti circondati dal campo magnetico terrestre che deflette la maggior parte delle particelle cariche che viaggiano nello spazio a velocità elevatissime, e inoltre i gas presenti nell'alta atmosfera assorbono la maggior parte delle radiazioni elettromagnetiche pericolose. Gli astronauti, finchè rimangono all'interno della magnetosfera, ricevono un basso quantitativo di radiazioni cosmiche, soprattutto quelle generate dalla collisione delle radiazioni con i livelli alti dell'atmosfera, mentre quanto si allontanano maggiormente dalla terra, per esempio nei viaggi sulla luna o ipoteticamente in un viaggio verso marte, aumenta pericolosamente il livello di radiazioni che li investe, causando grandi problematiche per la loro salute. Per la maggior parte, i raggi cosmici son composti da particelle ad alta energia, soprattutto elettricamente cariche. Si possono subito distinguere i raggi cosmici solari, provenienti dal sole e composti per la maggior parte da nuclei di elio ed elettroni viaggianti a centinaia di km al secondo, e i raggi cosmici provenienti dallo spazio profondo, costituiti da atomi più pesanti e viaggianti a velocità prossime a quella della luce. Come è facile intuire, i primi sono molto più facili da contrastare essendo meno energetici, e sebbene generino radiazioni di bremsstrahlung esse sono raggi X a bassa energia e quindi facilmente schermabili.

Le radiazioni cosmiche solari più pericolose sono generate durante le tempeste solari, durante le quali il sole emana flussi di particelle ad alta energia con grande intensità, e purtroppo questo genere di eventi non è facilmente prevedibile. Tipi e strategie di protezione: Poichè, come già detto, non è possibile schermare con metodi tradizionali un mezzo spaziale a causa del peso che si avrebbe, è necessario trovare metodi alternativi per proteggere l'equipaggio durante delle missioni spaziali. Alcuni scienziati hanno ipotizzato di sfruttare le grandi riserve di acqua che sono necessarie per la sopravvivenza nello spazio per schermare l'interno, in modo da fermare le radiazioni. Ciò è però un problema poichè le scorte vanno utilizzate e non si avrebbe una protezione costante. Per ovviare a questo problema sono stati ipotizzati intercapedini isolanti contenti feci e urine, in grado (grazie all’acqua contenuta) di schermare ugualmente dalle radiazioni.

Altre strategie implicano l'utilizzo dell'equipaggiamento (sensoristica, motori etc etc) come schermatura, delocalizzando il tutto nel perimetro dello shuttle in modo che l'equipaggiamento stesso faccia da scudo nei confronti dei raggi cosmici. Per la protezione dalle tempeste solari, si è ipotizzato di creare uno scompartimento, sebbene piccolo e scomodo, altamente schermato con metodi tradizionali, in modo da non dover caricare troppo peso extra ma da fornire al tempo stesso un riparo sicuro per gli astronauti. Tutto ciò è possibile grazie alla breve durata delle tempeste solari. Metodi più innovativi sui quali si sta cercando di dirottare la ricerca riguardano la farmacologia: si stanno cercando dei farmaci che permettano di ridurre l'effetto delle radiazioni sul DNA aumentando l'efficacia degli enzimi e del sistema immunitario atto a riconoscere le cellule mutanti e distruggerle. Purtroppo però fino ad ora la maggior parte delle sostanze che inducono questi effetti hanno effetti collaterali di gran lunga peggiori degli effetti causati dalle radiazioni, rendendone l'uso sconveniente. Un altro metodo, e forse il più versatile dopo la soluzione farmacologica, consiste nell'emulare ciò che protegge la terra: un campo magnetico.

Creando un campo magnetico intorno allo spacecraft, o alla base spaziale, sarebbe infatti possibile rallentare e respingere le particelle cariche, lasciando passare quindi solamente i neutroni, che costituendo una parte minima della radiazione cosmica non creerebbero grandi problemi.

Questo tipo di schermatura potrebbe essere utilizzato anche in eventuali colonie lunari (che potrebbero essere protette anche venendo costruite sotto la roccia). Un difetto notevole per questa soluzione è l'enorme quantitativo di energia richiesto per creare campi magnetici sufficentemente intensi per rallentare particelle cariche a velocità prossime a quelle della luce e all'assenza di dati concreti riguardo l'efficacia. Si discute anche su quale soluzione sarebbe preferibile tra l'uso di un campo magnetico positivo esterno e negativo interno, e viceversa. Infatti creando un campo magnetico negativo esterno, si accellerebbero le particelle cariche negativamente in un primo momento, per poi rallentarle dopo. Poichè però in genere gli ioni negativi sono più energetici degli ioni positivi (elettroni, con massa molto minore degli ioni positivi) essi

richiedono più energia per essere rallentati e quindi forse sarebbe più conveniente respingerli per mezzo del primo campo magnetico. In ogni caso la soluzione migliore sarebbe la protezione del DNA a livello molecolare e atomico, per mezzo di farmaci e nanotecnologie, poichè è questa la dimensione alla quale le radiazioni compiono i danni e quindi quella alla quale sarebbe più efficace combatterle.
Fonti:
Wikipedia Magnetic shielding for spacecraft by Nancy Atkinson Astroprof's Blog - Raymond Benge, associate professor of physics and astronomy at Tarrant County College