(openPR) Außerhalb des schützenden Magnetfelds der Erde sind Astronaut*innen und Raumfahrzeuge der kosmischen Strahlung ausgesetzt. Neben Sonnenpartikeln sind galaktische kosmische Strahlen (engl. galactic cosmic rays, GCRs) der Hauptbestandteil. Dabei handelt es sich um hochenergetische Teilchen, die von außerhalb unseres Sonnensystems stammen, beispielsweise aus Supernovae oder anderen explosiven Events innerhalb der Milchstraße. GCRs bestehen hauptsächlich aus Protonen und Heliumkernen, aber auch weiteren hochgeladenen und hochenergetischen Teilchen (HZE), die stark zur Strahlungsbelastung der Astronaut*innen beitragen.
Schätzungen zufolge wird jede Zelle im Körper der Astronaut*innen im Weltraum alle paar Tage von einem Proton, alle paar Wochen von Heliumkernen und alle paar Monate von HZE-Partikeln durchquert. Dazu kommen Neutronen und Fragmente, die beim Durchtritt der Teilchen durch die Abschirmungen der Raumfahrzeuge entstehen. Insbesondere problematisch kann dies bei Langzeitmissionen zu Mond oder Mars werden, wo deutlich höhere Belastungen zu erwarten sind als im niedrigen Erdorbit.
Die GCRs sind damit das bedeutendste langfristige Gesundheitsrisiko für Raumfahrer*innen und können zu Krebserkrankungen, degenerativen Zelleffekten oder Störungen des Zentralnervensystems führen. Auch für die elektronischen Systeme in den Raumfahrzeugen stellen sie eine Gefahr dar. Das Verständnis und die Minderung dieser Risiken sind für eine sichere und nachhaltige Präsenz des Menschen im Weltraum unerlässlich. Eine Untersuchung der GCRs kann nur direkt im Weltall oder mithilfe von hochenergetischen Schwerionenbeschleunigern wie bei GSI/FAIR erfolgen.
„Eine Möglichkeit, in Europa die GCRs zuverlässig zu simulieren, fehlte bisher“, erläutert Marco Durante, Professor an der Technischen Universität Darmstadt und Leiter der GSI/FAIR-Forschungsabteilung für Biophysik. „Deshalb hat unser Forschungsteam, mit Unterstützung unserer ESA-Partner, einen Simulator für GCRs entwickelt und bei GSI/FAIR im Rahmen des FAIR-Phase-0-Experimentprogramms in Betrieb genommen. So können Forschende besser verstehen, welche Dosen auf technische Komponenten und menschliches Gewebe einwirken und wie sich diese Effekte gezielt steuern oder begrenzen lassen.“
Dazu nutzten die Forschenden der Biophysik-Arbeitsgruppe „Space Radiation Physics“ unter Leitung von Dr. Christoph Schuy die weltweit einzigartigen GSI-Beschleuniger, die hochenergetische Ionenstrahlen aller auf der Erde natürlich vorkommenden chemischen Elemente liefern können. Der GCR-Simulator basiert auf einer hybriden, aktiv-passiven Methode: Die Energie eines Primärstrahls aus Eisen-Ionen wird aktiv verändert bevor er auf passive Modulatoren trifft – ein aus der Tumortherapie bekanntes und bewährtes Verfahren. Geometrie, Material, Zusammensetzung und Dicke der Modulatoren werden optimiert, um die Strahlungsumgebung im Weltraum abzubilden.
„Unsere Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den aus Weltraummissionen bekannten Werten. Mit dieser Technik lässt sich ein gemischtes Strahlungsfeld erzeugen, dass die GCR-Belastung in einem leicht abgeschirmten Habitat wie einem Raumfahrzeug nachbildet. In der Zukunft wollen wir den Wissenschaftler*innen den GCR-Simulator für weitere Forschung auf dem Gebiet der Weltraumstrahlung zur Verfügung stellen,“ sagt Schuy. „Getreu unserem Motto, bringen wir damit das Universum ins Labor.“
Mit dem GCR-Simulator bei GSI, mit Unterstützung der ESA, steht nun eine zweite Möglichkeit zur Verfügung, um auf der Erde GCRs zu studieren – zusätzlich zum Simulator am Brookhaven National Laboratory, USA, unterstützt von NASA. Beide liefern Strahlen mit einer Maximalenergie von einem Gigaelektronenvolt pro Nukleon. Eine weitere Perspektive bietet das Beschleunigerzentrum FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), das aktuell in internationaler Zusammenarbeit bei GSI errichtet wird. Bei FAIR, werden die Energien zehn Gigaelektronenvolt pro Nukleon erreichen und den GCR-Simulator in Darmstadt damit zum genauesten der Welt machen.
GSI/FAIR und ESA arbeiten bereits langjährig eng zusammen, um mithilfe der Ionenbeschleuniger die biologischen Effekte der kosmischen Strahlung zu untersuchen und Lösungen zum Schutz der Astronaut*innen zu finden. So steht bereits ein Simulator für Sonnenstürme (engl. solar particle events, SPEs) auf Basis von Modulatoren für die Tumortherapie zur Verfügung. Auch richten beide Institutionen gemeinsam jährlich die Sommerschule „ESA-FAIR Space Radiation School“ aus, um Studierenden einen Einblick in die Grundlagen der Biophysik mit Schwerionen sowohl für terrestrische wie auch für Weltraumanwendungen zu geben. Zum nächsten Mal findet die Sommerschule im August 2026 statt, eine Anmeldung ist noch bis zum 12. April möglich.
Originalpublikation:
https://doi.org/10.1016/j.lssr.2026.02.004
https://doi.org/10.1016/j.lssr.2026.02.003
