Quelle: DLR 9. März 2023.

9. März 2023 – Nach ihrer historischen Reise um den Mond mit der NASA-Mission Artemis I sind die Strahlungsmesspuppen Helga und Zohar zurück in Köln. Am 9. März 2023 präsentierte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) die beiden Astronautinnen-Phantome nun erstmals den Medien am Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. Die Daten des vom DLR geleiteten Projekts MARE (MATROSHKA AstroRad Radiation Experiment) werden nach ihrer Auswertung ein dreidimensionales Abbild der Strahlenbelastung des weiblichen Körpers während eines Mondfluges liefern. Die Forschungsergebnisse fließen auch in irdische Anwendungen.

„Die astronautische Raumfahrt entwickelt sich rasant. Zukünftig werden voraussichtlich auch kommerzielle Raumstationen in niedrigen Erd-Orbits entstehen auf denen Menschen forschen und arbeiten. Gleichzeitig wird die astronautische Exploration des Weltraums zum Mond und darüber hinaus an Fahrt aufnehmen“, sagt die DLR-Vorstandsvorsitzende Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla. „Die Strahlenbelastung ist dabei eine der zentralen ungelösten medizinischen Herausforderungen der astronautischen Raumfahrt. Diese müssen wir genauer verstehen, um wirksame Maßnahmen zum Schutz von Menschen im Weltraum zu entwickeln. Hier hat das Projekt MARE im Rahmen der Mondmission Artemis I echte Pionierarbeit geleistet, insbesondere mit dem Fokus auf zukünftige Mond-Astronautinnen.“

Scheibe für Scheibe analysieren
Mit der Übergabe der beiden Messpuppen am Kennedy Space Center der NASA im Januar erfolgte bereits der erste Check aller batteriebetriebenen Messinstrumente. „Die aktiven Strahlungsdetektoren haben durchgehend erstklassige Daten geliefert“, freut sich MARE-Projektleiter Dr. Thomas Berger vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. Am DLR-Institut in Köln beginnt nun die Auswertung der über 12.000 passiven Strahlungsdetektoren aus kleinen Kristallen, die jeweils über die beiden Messkörper verteilt platziert sind. Mit dem Auslesen der Kristalle entsteht ein dreidimensionales Abbild des menschlichen Körpers, das zeigt, wie hoch die Strahlenbelastung auf Knochen und Organe an unterschiedlichen Stellen während eines Mondflugs insgesamt ist. „Scheibe für Scheibe nehmen wir Helga und Zohar auseinander, um die Messkristalle auszubauen“, erklärt Berger das Vorgehen. „Die einzelnen Messkristalle können wir dann mithilfe der passenden Laborgeräte hier am DLR auslesen.“

Die beiden Messkörper sind weiblichen Körpern samt Fortpflanzungsorganen nachempfunden, sodass die Strahlungsdosis auch für die besonders strahlungsempfindlichen Organe gemessen werden kann. Die Astronautinnen-Phantome bestehen aus jeweils 38 Scheiben, sind 95 Zentimeter groß, 36 Kilogramm schwer und enthalten aus Kunststoff nachgebildete Organe und Knochen unterschiedlicher Dichte.

Weste für den Strahlenschutz
Zusätzlich wird untersucht wie viel Strahlungsabschirmung die von Zohar getragene Strahlungsschutzweste ermöglichte. Zohar, bereitgestellt von der israelische Raumfahrtagentur ISA, wiegt mit der AstroRad-Weste der Firma StemRad ganze 62 Kilogramm. „Der Vergleich der Strahlungswerte von Helga ohne Weste und Zohar mit Schutzweste zeigt uns, welche Abschirmungswirkung die Weste entfalten kann“, erklärt Berger weiter.

Die umfangreichen Auswertungen werden nun einige Monate in Anspruch nehmen. Mit detaillierten Ergebnissen ist bis Anfang kommenden Jahres zu rechnen. „Schon jetzt sehen wir, dass sich einige unserer Annahmen zur Strahlungsexposition bei Mondreisen bestätigen“, sagt Berger. „Wir benötigen nun alle verfügbaren Messdaten, um detailliertere Aussagen treffen zu können.“

Absehbar ist bereits die Überführung der Forschungsergebnisse in irdische Anwendungen. Ein „Spin Off“ wurde am DLR bereits im Rahmen eines Vorgängerprojekts durchgeführt. In diesem Projekt war ab 2004 ein Phantom namens MATROSHKA für eineinhalb Jahre der Weltraumstrahlung außerhalb der Internationalen Raumstation ISS ausgesetzt, es folgten weitere drei Jahre im Inneren der Raumstation. Ein Zwilling dieses Weltraumphantoms wurde in Zusammenarbeit mit der GSI in Darmstadt für Grundlagenforschung im Rahmen der Krebstherapie verwendet. Im Weiteren wurden gemeinsam mit der israelischen Firma StemRad, die in Kooperation mit Lockheed Martin die AstroRad-Weste entwickelt hat, Forschungen bezüglich der Anwendung und Sicherheit von „X-Ray Protection Equipment“ für Radiologen und Mitarbeitende im Krankenhaus durchgeführt. Dies zielt insbesondere in Richtung verbesserter Schutzkleidung für den Operateur im routinediagnostischen Einsatz und bei längerdauernden komplizierten Eingriffen.

Auf zum Mond mit Artemis
Artemis I ist die erste in einer Reihe von Missionen des Artemis-Programms der NASA. Es sieht vor, nach mehr als 50 Jahren wieder Menschen auf unserem Trabanten zu landen, dort gemeinsam mit internationalen Partnern eine dauerhafte Basis zu errichten und eine Raumstation in der Mondumlaufbahn zu bauen, von der aus Menschen zu weiter entfernten Zielen, einschließlich des Mars, aufbrechen sollen. Artemis I war der erste Schritt auf diesem Weg. Bei dieser noch unbemannten Mission wurden alle neu entwickelten Systeme im Zusammenspiel getestet – das Orion-Raumschiff, das Europäische Servicemodul (ESM), die Schwerlastrakete SLS (Space Launch System) und die Bodensysteme. Die Sicherheit der Astronautinnen und Astronauten steht dabei an oberster Stelle. Dazu gehört insbesondere der Schutz vor der kosmischen Strahlung, die im Weltraum um ein Vielfaches höher ist als auf der Erde – auf dem Mond zum Beispiel rund 800 Mal. Um künftig geeignete Schutzmaßnahmen bei Langzeitmissionen ergreifen zu können, muss man die Strahlenbelastung genau kennen. Das wurde bei Artemis I mit dem Experiment MARE erforscht.

Das MARE-Experiment
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) leitet das Experiment. Hauptprojektpartner sind die israelische Raumfahrtagentur ISA, der israelische Industriepartner StemRad, der die AstroRad-Schutzweste entwickelt hat, sowie Lockheed Martin und die NASA. MARE stellt in seiner Komplexität und in seiner internationalen Zusammenarbeit mit zahlreichen Universitäten und Forschungseinrichtungen aus Europa, Japan und den USA das größte Experiment zur Bestimmung der Strahlenbelastung für Astronautinnen und Astronauten dar, das jemals den erdnahen Orbit verlassen hat. Mehr als 25 Tage Flug zum Mond, im Mondorbit und zurück zur Erde liegen hinter den #LunarTwins. Die während Artemis I durchgeführten Messungen liefern wertvolle Daten zur Risikobewertung und -minderung für künftige Erkundungsmissionen.

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Quelle: DLR.

27. April 2022 – Die NASA wird 2022 mit der Mission Artemis I nach fast 50 Jahren erstmals wieder ein Raumschiff zum Mond schicken. Nun sind die ersten beiden Passagiere Helga und Zohar auf dem Weg zur NASA nach Florida. Für den unbemannten Testflug werden die „Messpuppen-Zwillinge“ im Cockpit der Orion-Kapsel sitzen. Das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geleitete MARE Experiment untersucht mit zwei baugleichen Phantomen die Strahlenbelastung während des gesamten bis zu sechswöchigen Fluges, speziell zugeschnitten auf den weiblichen Körper. Denn die NASA plant mit den Artemis-Flügen die erste Frau zum Mond zu schicken. Forschende des Kölner DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin haben das Experiment erfolgreich vorbereitet und für den Einbau am Kennedy Space Center (KSC) der NASA nun ausgeliefert. Teil des Experiments ist auch eine Strahlenschutzweste, die erprobt wird. Der Start von Artemis I ist derzeit für den Sommer 2022 geplant. Der Aufbau und Einbau der Messpuppen soll rund vier Wochen vor dem eigentlichen Start beginnen.

Außerhalb des schützenden Erdmagnetfelds ist die Strahlenbelastung für den menschlichen Organismus deutlich erhöht. Der weibliche Körper reagiert darauf wegen strahlungsempfindlicher Organe wie der weiblichen Brust noch empfindlicher als der männliche Körper. Insgesamt ist die Strahlung eine der größten Herausforderungen für längere astronautische Missionen ins tiefere Weltall bis hin zum Mars. „Mit MARE, dem größten je außerhalb der Erdumlaufbahn geflogenen Strahlungsexperiment, wollen wir herausfinden, wie genau sich die Strahlungswerte während eines vollständigen Mondfluges für Astronautinnen verhalten und welche Strahlenschutzmaßnahmen dagegen hilfreich sein können“, sagt Dr. Thomas Berger, Leiter der Arbeitsgruppe Biophysik in der Abteilung Strahlenbiologie am DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. „In den vergangenen Wochen und Monaten haben wir Helga und Zohar an den DLR-Standorten in Köln und Bremen vollständig durchgecheckt unter anderem mit Tests zu Auswirkungen der Vibrationen beim Start der Mission Artemis I. Weiterhin haben wir einen vollständigen Testlauf des Aufbaus der Messpuppen durchgeführt, damit später am Kennedy Space Center alles reibungslos verläuft.“

Die „Messpuppen-Zwillinge“ sind weiblichen Körpern nachempfunden. Frauen haben ein allgemein höheres Krebsrisiko und darum gelten für Astronautinnen stets andere Strahlungsgrenzwerte als für ihre männlichen Kollegen. Geschlechtsspezifische Messungen mit Phantomen im All gab es bislang nicht. „Genauer sind beide Puppen aus Materialien hergestellt, die die menschlichen Knochen, Weichteile und Organe einer erwachsenen Frau nachahmen. Mehr als 10.000 passive Sensoren und 34 aktive Strahlungsdetektoren sind in die 38 Scheiben integriert, aus denen die Puppen zusammengesetzt sind“, erklärt MARE-Projektleiter Dr. Thomas Berger. Beide Phantome sind 95 Zentimeter groß und 36 Kilogramm schwer. Eine von ihnen – Helga – fliegt ungeschützt zum Mond, die andere – Zohar – trägt eine neu entwickelte Strahlenschutzweste, AstroRad genannt. Im Vergleich der beiden Datensätze lässt sich dann ermitteln, in welchem Ausmaß die von israelischen Partnern entwickelte Weste eine Astronautin vor schädlicher Strahlenbelastung schützen würde.

Kosmische Strahlung im All
Die Erdatmosphäre und die Abschirmung des Erdmagnetfelds schützen uns vor dem größten Teil der Strahlung im Universum, einschließlich der Strahlung unserer Sonne. Wenn Astronauten die Erde verlassen, sind sie dem gesamten Spektrum der im Weltraum vorhandenen Strahlung ausgesetzt. Das Orion-Raumschiff wird in den ersten Stunden nach dem Start und bei der Rückkehr zur Erde zwei Perioden intensiver Strahlung durchlaufen, wenn es durch die Van-Allen-Gürtel fliegt, welche die vom Magnetfeld der Erde eingefangene Weltraumstrahlung beherbergen.

Wenn Orion über den Schutz des Erdmagnetfelds hinausfliegt, wird es einer härteren Strahlungsumgebung ausgesetzt sein als die Besatzung der Internationalen Raumstation ISS in der erdnahen Umlaufbahn. Außerhalb der Van-Allen-Gürtel umfasst die Strahlungsumgebung im Weltraum energetische Teilchen, die von der Sonne bei Sonneneruptionen erzeugt werden, sowie Teilchen der galaktischen und extragalaktischen kosmischen Strahlung, die von außerhalb unseres Sonnensystems kommen. „Die kosmische Strahlung ist eine besondere Herausforderung bei längeren Missionen im freien Weltraum, denn sie sorgt fortwährend für ein gewisses Level an energiereichen ionisierten Teilchen“, erklärt PD Dr. Christine Hellweg, Leiterin der Abteilung Strahlenbiologie am DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. „Die Vielfalt der Teilchen in der kosmischen Strahlung reicht von Wasserstoff bis Eisen und weiter bis zum Uran.“

Anthropomorphe Phantome messen Strahlung
Helga und Zohar sind sogenannte anthropomorphe Phantome, dem menschlichen Torso nachempfundene Messkörper. Mit ihnen hat das DLR bereits viel Erfahrung: Zuletzt war ein Phantom, genannt Matroshka, des Kölner DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin zwischen 2004 und 2011 auf der ISS im Einsatz. Außen auf der ISS angebracht, sammelte das Phantom Strahlungswerte eines Astronauten, der einen Weltraumspaziergang absolviert. Außerdem hielt sich das Phantom in verschiedenen Teilen der Raumstation auf, um die Strahlenbelastung zu messen. „Die Astronautinnen und Astronauten auf der Station sind einer Strahlenbelastung ausgesetzt, die etwa 250-mal höher ist als die der Menschen auf der Erde – in Köln. In größerer Entfernung vom Erdmagnetfeld und im interplanetaren Raum könnte die Strahlenbelastung bei Erkundungsmissionen noch viel höher sein – schätzungsweise bis zu 700 Mal höher“, erklärt Berger.

Über das Experiment MARE
Das Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) leitet das Experiment MARE. Hauptprojektpartner sind die israelische Raumfahrtagentur ISA, der israelische Industriepartner StemRad, der die AstroRad-Schutzweste entwickelt hat, sowie Lockheed Martin und die NASA. MARE stellt in seiner Komplexität und in seiner internationalen Zusammenarbeit mit zahlreichen Universitäten und Forschungseinrichtungen aus Europa, Japan und den USA das größte Experiment zur Bestimmung der Strahlenbelastung für Astronautinnen und Astronauten dar, das jemals den erdnahen Orbit verlassen hat. Es liefert grundlegende Daten zur Abschätzung des Strahlenrisikos für die kommenden bemannten Flüge zum Mond.

USA und Europa fliegen mit Artemis zum Mond
Ziel der NASA-Mission Artemis I ist der erste zunächst unbemannte Raumflug der Orion-Kapsel zum Mond, ihn zu umrunden und zur Erde zurückzukehren. Dabei wird die Kapsel durch das European Service Module (ESM) angetrieben und versorgt, das mit deutscher Technologie hauptverantwortlich am Standort Bremen gebaut wurde. Die Flugzeit wird zwischen 26 und 42 Tagen betragen. Dabei ist das Experiment MARE als sogenannte secondary oder scientific payload dabei. Das bedeutet, beide Phantome müssen autark vom Raumschiff funktionieren. Von der Stromversorgung bis zur Datenspeicherung – alle Funktionen werden vollkommen unabhängig vom Orion-Schiff sein. Das neue Mond-Programm der NASA wurde in Anspielung auf die Apollo-Missionen Artemis benannt. Artemis ist in der griechischen Mythologie die Mondgöttin und Zwillingsschwester Apollons.

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Quelle: DLR.

Die Weltraumstrahlung außerhalb des schützenden Erdmagnetfeldes ist hoch – eine große Belastung für den menschlichen Körper und eine Herausforderung für die zukünftige astronautische Raumfahrt zu Mond und Mars. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht zur Bestimmung des Strahlenrisikos für die bemannte Raumfahrt. Eines der Projekte, welches die Wissenschaftler gemeinsam mit der NASA, der israelischen Raumfahrtagentur ISA und den Firmen Lockheed Martin und StemRad durchführen, ist das Projekt MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment).

Im Herbst 2019 war der wissenschaftliche Leiter des MARE-Projekts Dr. Thomas Berger vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin mit seinem Team zum sogenannten Fit-Check bei der NASA im Johnson Space Center in Houston, Texas. Mit zwei Dummys, die den später zum Mond fliegenden Phantomen Helga und Zohar in Größe und Gewicht identisch sind, probten die Orion-Techniker vor Ort den Einbau in das Raumschiff.

„Zunächst mussten die Techniker testen, ob sie Helga und Zohar in ihren Transportrahmen durch die Luke in die Orion-Kapsel tragen können. Beide Phantome wiegen jeweils 50 Kilogramm, Zohar mit der AstroRad-Weste sogar 76 Kilogramm. Drei bis vier NASA-Techniker sind für den Einbau nötig“, erklärt DLR-Wissenschaftler Thomas Berger, der die Abteilung Strahlenbiologie leitet. „Die Kommandokapsel der Orion ist eng, aber es hat gut funktioniert. Und auch unser Rahmen, mit dem die Messkörper mit dem Raumschiff verbunden werden, passte perfekt. Mit zwölf Befestigungsschrauben werden die ‚Passagierplätze‘ im Raumschiff fest verankert“, so Berger weiter.

Das Projekt MARE nimmt weiter Fahrt auf
Der Fit-Check im Orion-Raumschiff verlief also erfolgreich. Auch die Vibrationstests am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen, mit denen die Belastbarkeit der Verbindung der Phantome auf den „Plätzen“ geprüft wurde, bestätigten die Qualität der Konstruktion. Kürzlich traf die israelische AstroRad-Strahlenschutzweste im DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln ein. Der nächste größere Schritt für MARE wird im Januar folgen. „Dann besucht uns der Industriepartner StemRad, der die Strahlenschutzweste AstroRad entwickelt hat. Zusammen werfen wir einen genauen Blick auf die Weste und Zohar, die sie beim Flug zum Mond tragen wird. Wenn nötig, passen wir die Weste für den optimalen Sitz nochmals an. Anschließend werden wir unsere eigenen Sensoren sowie die der Partner und beteiligten Wissenschaftler in Zohar und Helga einbauen. MARE ist also auf Kurs“, zeigt sich DLR-Strahlenphysiker Berger optimistisch. Aktuell plant die NASA den Mondflug der Orion für Herbst 2020.

Die DLR-Matroshkas der neuen Generation sind weiblich
Matroshkas sind sogenannte Phantome, dem menschlichen Torso nachempfundene Messkörper. Mit ihnen hat das DLR bereits viel Erfahrung: Zuletzt war eine Matroshka der Luft- und Raumfahrtmediziner vom DLR in Köln zwischen 2004 und 2011 auf der Internationalen Raumstation (ISS). Außen auf der ISS angebracht, sammelte das Phantom Strahlungswerte eines Astronauten, der einen Weltraumspaziergang absolviert. Außerdem hielt sich das Phantom im russischen und japanischen Teil der Raumstation auf, um die Strahlenbelastung in diesen Teilen der ISS zu messen.

Die neue Generation der Matroshkas ist erstmalig der weiblichen Anatomie nachempfunden. Der Bedarf an Daten über den weiblichen Organismus ist groß. Schließlich wird es in Zukunft immer mehr Raumfahrerinnen geben. Frauen haben ein allgemein höheres Krebsrisiko und darum gelten für Astronautinnen stets andere Grenzwerte als für ihre männlichen Kollegen. Geschlechtsspezifische Messungen mit Messkörpern im All gab es bislang nicht

Zohar wird mit Schutzweste, Helga ohne Schutzweste zum Mond fliegen. So sammeln die baugleichen Modelle vergleichbare Datensätze, erstmals jenseits der niedrigen Erdorbits. Insgesamt über 6.000 aktive und passive Sensoren sind jeweils auf der Oberfläche und im Innern der Körper angebracht. Diese bestehen aus Kunststoffen unterschiedlicher Dichten, die – an den anatomisch passenden Positionen im Körper – das menschliche Skelett und die Organe simulieren. Nach dem Raumflug um den Mond werden die Strahlungswerte beider Modelle verglichen, um die Wirksamkeit der AstroRad-Schutzweste bewerten und später, wenn nötig, verbessern zu können.

Orion-Mission Artemis I und das DLR
Ziel der NASA-Mission Artemis I ist der erste zunächst unbemannte Raumflug der Orion zum Mond, ihn zu umrunden und zur Erde zurückzukehren. Die Flugzeit wird zwischen 26 und 42 Tagen betragen. Dabei ist das Experiment MARE als sogenannte secondary oder scientific payload dabei. Das bedeutet, beide Phantome müssen autark vom Raumschiff funktionieren. Von der Stromversorgung bis zur Datenspeicherung – alle Funktionen werden vollkommen unabhängig vom Orion-Schiff sein.

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