Experiment ADLET

Im Weltraum sind Mensch und Material sowohl Teilchenstrahlung als auch elektromagnetischer ionisierender Strahlung ausgesetzt. Welche Wirkung diese Strahlung auf das durchdrungene Material hat, hängt einerseits von der insgesamt absorbierten Energie ab, andererseits von der linearen Energieübertragung. Dieser "lineare energy transfer" (LET) gibt Auskunft, wieviel Energie ein Teichen pro Mikrometer Wegstrecke an das durchdrungene Material abgibt. Strahlen mit unterschiedlichem LET zeigen auch unterschiedliche biologische Wirkung.

Auf der Erde sind die Werte dafür bekannt. Im Weltall, auch diesbezüglich ein extrem menschenfeindliches Milieu aufweist, ist die Strahlung völlig anders zusammengesetzt, und noch unbekannt. Effektiver Strahlenschutz wird unter solchen Umständen zu einer Überlebensfrage.

Schwere Teilchenstrahlung kann außerdem auch die Elektronik an Bord von Raumfahrzeugen zerstören. Eine Grundregel für weltraumtaugliche Elektronik lautet denn auch, die Chips nicht zu eng anzuordnen.

Forschungsziel

Ziel des Experimentes ADLET war die Erforschung der Charakteristika der ionisierenden kosmischen Strahlung auf erdnahen Umlaufbahnen über lange Zeitspannen. Um neben der Messung der absorbierten Dosis auch die biologisch relevante äquivalentdosis bestimmen zu können, sind Informationen über das Spektrum der linearen Energieübertragung (LET) und des Qualitätsfaktors Q der Weltraumstrahlung notwendig. Zu den Aufgaben des Experimentes ADLET gehörte auch die statistische Fundierung und die methodische Vervollkommnung der neuen Methoden zur Messung der äquivalentdosis in komplex gemischten Strahlenfeldern.

Dabei wurde die absorbierte Dosis mittels Thermolumineszenz-Detektoren (TLD´s) gemessen. Dabei wurde die Höhe der Lichtemission der TLD´s (Peak 5) bewertet. Der mittlere LET des Strahlenmilieus in der Raumstation wurde mit der Methode der änderung des Hochtemperatur-Peakhöhen-Verhältnisses (HTR) in Thermolumineszenzdosimetern bewertet.

Für die praktische Realisierung dieser Methode und zur Verbesserung der LET-Kalibrierung der verschiedenen Dosimetermaterialien, wurden im Rahmen des Projektes RLF zusätzliche Kalibrierbestrahlungen von Dosimetern mit hochenergetischen schweren Ionen im Beschleunigerzentrum in Dubna, Rußland, und im Paul Scherrer Institut in Villingen, Schweiz, durchgeführt.

Im Experiment ADLET wurde die Variation der Dosisleistung und des mittleren LET der absorbierten Strahlung innerhalb des bewohnten Teils der Raumstation MIR gemessen. Dazu wurden Dosimeterpakete an zwei Positionen mit extrem unterschiedlicher mittlerer Abschirmdicke exponiert.

Funktionsweise, Meßprinzip

Positionen der Dosimeterpakete im Kommando-Modul der Raumstation MIR: Position 1 (geringe Abschirmung) in der Kabine des Bordingenieurs und Position 2 (massive Abschirmung im zentralen Arbeitsraum). Grafik: W. Schöner, Dissertation TU-Wien, 1997 Das Experiment ADLET wurde auf der bemannten Raumstation MIR im Rahmen des russisch-österreichischen Projektes RLF durchgeführt. Das Experiment sah 3 Phasen der Exposition der Dosimeterpakete auf der Raumstation MIR vor. Zur Durchführung des Experimentes wurden Dosimeterpakete verwendet, welche mit kleinen Thermolumineszenz-Detektoren (TLDs) und Kernspurfilmen bestückt waren. Die Phasen dauerten ungefähr 6, 12 und 15 Monate. Über diese Zeiträume wurde die Strahlung in zwei unterschiedlichen Positionen in der Raumstation gemessen. Am Ende jeder Phase wurden jeweils 2 Dosimeterpakete zur Erde zurückgebracht, um die Detektoren auszuwerten und die Daten zu analysieren. Beim Auswerten werden diese Kristalle auf etwa 300 °C erhitzt. Dabei geben sie die gespeicherte Energie in Form von Licht ab, das (mit einem Photomultiplier) gemessen wird. Die Lichtintensität wird in Abhängigkeit von der Temperatur aufgezeichnet, wobei die entsprechende Kurve ein Maß für die im Dosimeter absorbierte Strahlenmenge abgibt.

Die 6 Dosimeterpakete wurden am 8.1.1994 auf die Raumstation MIR gebracht. Die erste Phase (ADLET RLF-1) dauerte vom 8.1.1994 bis zum 9.7.1994 und betrug somit 182 Tage. 2 Dosimeterpakete (Paket Nr. 09 und Nr.10) wurden zur Erde zurückgebracht. Die Spezialisten beider Seiten haben die Detektoren ausgewertet und eine Analyse der Daten durchgeführt.

Die zweite Phase des Experimentes (ADLET RLF-2) wurde in der Zeit vom 8.1.1994 bis zum 4.11.1994 durchgeführt und dauerte somit 300 Tage. Die beiden Dosimeterpakete (Nr.12 und 13) wurden der österreichischen Seite am 12.12.1994 in Wien übergeben, nachdem die russischen Dosimeter herausgenommen wurden.

Die dritte Phase des Experiments (ADLET RLF-3) dauerte vom 8.1.1994 bis zum 22.3.1995 (437 Tage). Die beiden Dosimeterpakete (Nr.11 und 14) wurden der österreichischen Seite Ende März 1995 in Moskau übergeben, nachdem die russischen Dosimeter herausgenommen wurden.

Die Montage und die Demontage der Dosimeterpakete an Bord der Raumstation MIR wurde in allen Phasen des Experiments ADLET vom russischen Wissenschafts-Kosmonauten durchgeführt.

Ergebnisse

Vergleich von Glowkurven von TLD-600, exponiert während des Experiments ADLET auf der Raumstation MIR mit Glowkurven nach Bestrahlung mit hochenergetischen schweren Teilchen im Zuge der LET-Kalibrierungen. Grafik: W. Schöner, Dissertation TU-Wien, 1997 Die erhaltenen Daten bestätigen, daß die durchschnittliche absorbierte Dosisleistung im bewohnten Bereich der Raumstation sehr ortsabhängig ist. Außerdem variiert der Unterschied mit der Zeit (Periode der Exposition). In der ersten Phase des Experiments variierte die Dosisleistung von Position 1 (minimale Abschirmung) zu Position 2 (maximale Abschirmung) um einen Faktor 1,48 (österreichische Seite) bis 1,59 (russische Seite). Während der Phase RLF-2 betrug der Faktor der Variation nur 1,27 bzw. 1,2. In der Phase RLF-3 variierte die absorbierte Dosis um einen Faktor 1,3 gemessen von beiden Seiten. Die Ergebnisse der österreichischen bzw. der russischen Seite sind in guter Übereinstimmung. Die Differenz in der gemessenen Dosis im gesamten Experiment beträgt 3,8 % in Position 1 bzw. 4,3 % in Position 2.

Zusammenfassung der Ergebnisse des Experiments ADLET: Dose-ATI - eigene Messungen; Dose-IMBP - Messungen der russischen Seite. Tabelle: W. Schöner, Dissertation TU-Wien, 1997

Die russische Seite hat Messungen der Fluenz schwerer geladener Teilchen und der LET-Spektren mit Kernspurdetektoren CN-85 durchgeführt. Diese Ergebnisse stimmen mit früher erhaltenen Ergebnissen überein.

Nachweis von schweren geladenen Teilchen in der Raumstation MIR mit Kernspurfolien (Russische Ergebnisse) während des RLF-Projektes. Tabelle: W. Schöner, Dissertation TU-Wien, 1997

Höhe der Umlaufbahn der Raumstation MIR während der Mission RLF. Grafik: W. Schöner, Dissertation TU-Wien, 1997 Die von der österreichischen Seite durchgeführten Messungen der Fluenz schwerer geladener Teilchen und des LET-Spektrums mit einer neu entwickelten, halbautomatischen Auswerteanlage unter Verwendung von Kernspurfolien (Makrofol, CR-39) stimmen mit den Ergebnissen der russischen Seite gut überein. Die Kernspurfilme wurden von Herrn Dipl.-Ing. P. Hofmann auf der Grundlage seiner Diplomarbeit analysiert.

Für die Interpretation der Ergebnisse der Experimente ADLET-RLF und für ihre Analyse im Vergleich zu anderen Messungen wurden die Parameter des Orbits der Raumstation MIR und die Daten der Berechnung der Abschirmung der Positionen der Pakete an Bord der Station für Position 1 und 2 verwendet.

Abschirmspektren der Detektorpositionen 1 und 2 in der Raumstation MIR. Grafik: W. Schöner, Dissertation TU-Wien, 1997 Um den Unterschied der Meßwerte in Position 1 und Position 2 zu interpretieren, wurden vom IMBP (Dr. Shurshakov) Berechnungen der Abschirmspektren der beiden Meßpositionen mit Hilfe einer Monte Carlo Simulation durchgeführt. Der durchschnittliche Wert der Abschirmung über den gesamten Raumwinkel betrug 25,9 g/cm2 für Pos. 1 and 38,7 g/cm2 für Pos. 2. Jedoch ist die Differenz der Dosis für diese Positionen hauptsächlich durch das Vorhandensein von Richtungen mit geringer Abschirmung (<10 g/cm2) für Pos. 1 bedingt, wobei für Pos. 2 entsprechende Richtungen fehlen.

Ein Teil der Unterschiede im mittleren LET gemessen in der Position 1 (geringere Abschirmung) und in Position 2 (dickere Abschirmung) während der ersten und zweiten Phase des Experiments wurde offensichtlich durch den höheren Beitrag von Protonen bedingt. Dieser erhöhte Beitrag zur absorbierten Dosis ist bedingt durch den Durchgang der Raumstation durch die SAA in größeren Höhen. Ein analoger Effekt wurde in den Jahren 1988 - 1990 während der Durchführung der Experimente mit dem LET-Spektrometer CIRCE auf der Raumstation MIR beobachtet.

Technische Daten

ADLET bestand aus folgenden Einheiten

Dosimeterpaket ADLET, welches mit kleinen Thermolumineszenz-Detektoren (TLD´s) und Kernspurfilmen bestückt war
  • Kunststoffbehälter
  • Stoffhülle
  • von österreichischer Seite: TLD-100, TLD-600, TLD-700 und eigens hergestellter LiF-Einkristalldosimeter (Typen E, F, I) sowie Kernspurfilme (Makrofol, CR-39)
  • von russischer Seite: LiF: Ti, Mg- und AL2O3- Dosimeter sowie Kernspurfilme (CN-85)
Masse: 0,54 kg
Abmessungen: 75 mm x 45 mm x 20 mm

Am Experiment waren folgende Dosimeterpakete beteiligt

Dosimeterpakete Nr. 9 & Nr. 10

Start am 8. Jänner 1994 mit dem Raumtransporter Sojus TM-18
Rücktransport am 9. Juli 1994 mit der Landekapsel des Raumtransporters Sojus TM-18

Dosimeterpaket Nr. 12 & Nr. 13

Start am 8. Jänner 1994 mit dem Raumtransporter Sojus TM-18
Rücktransport am 4. November 1994 mit der Landekapsel des Raumtransporters Sojus TM-19

Dosimeterpaket Nr. 11 & Nr. 14

Start am 8. Jänner 1994 mit dem Raumtransporter Sojus TM-18
Rücktransport am 22. März 1995 mit der Landekapsel des Raumtransporters Sojus TM-20

Experimentatoren

Univ.-Prof. Dr. Dipl.-Ing. Norbert Vana (Projektverantwortlicher)
Dr. Dipl.-Ing. Wolfgang Schöner
Ing. Manfred Fugger
alle: Atominstitut der österreichischen Universitäten, Wien

Dr. J. A. Akatov
alle: IMBP (Institut für Biomedizinische Probleme), Moskau