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Unbarmherziges Weltall

Von Christian Pinter

Wissen
Kein globales Magnetfeld, wenig Atmosphäre: Auf dem Mars ist die Strahlung 300 mal stärker als bei uns, das Krebsrisiko für Menschen wäre dort entsprechend hoch.
© Nasa/JPL-Caltech

Die Idee bemannter Marsflüge ist nach wie vor aktuell. Mit erheblichen Gesundheitsrisiken für Astronauten.


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Im nächsten Jahrzehnt werden wieder Menschen zum Mond aufbrechen. Später sollen Expeditionen zum Mars folgen. Doch bei längeren Flügen durchs All sowie beim Aufenthalt auf anderen Himmelskörpern wird die kosmische Strahlung zum Problem. Menschen reagieren darauf ähnlich empfindlich wie Mäuse, Hunde oder Affen. Fledermäuse, Schnecken oder Amöben wären zumindest in dieser Hinsicht die "besseren" Astronauten. Wespen halten sogar 200 mal mehr Strahlung aus als der Mensch.

Auf Erden ist fast alles ein wenig radioaktiv - auch der Boden, Baumaterialien oder Lebensmittel. Laut dem Strahlungsfrühwarnsystem liegen die Messwerte in Wien-Breitenlee meist knapp unter 100 Nanosievert pro Stunde. Im Jahr ergäbe das weniger als 1 Millisievert (mSv). Etwa ein Drittel davon kommt von oben: Dafür dürften Supernovae, Pulsare, Schwarze Löcher, ausgedehnte Sternhaufen, aber auch fremde aktive Galaxien verantwortlich sein.

Solche Objekte fungieren als gigantische, natürliche Teilchenbeschleuniger. Sie jagen geladene Teilchen - vor allem Protonen, Heliumkerne und Elektronen - durchs All. Die Partikel dieser kosmischen Primärstrahlung erreichen fast Lichtgeschwindigkeit. Manche treffen bei uns mit Energien ein, die unsere High-Tech-Teilchenbeschleuniger wie Spielzeug aussehen lassen.

Magnetischer Schutz

Zumindest die energieärmeren Partikel können magnetische Feldlinien nicht kreuzen: Magnetfelder bewahren uns also davor. Der Sonnenwind trägt das solare Magnetfeld durchs ganze Planetensystem und formt so unsere erste Schutzweste. Seit Ende der 50er Jahre sinkt die mittlere Sonnenaktivität jedoch. Das solare Magnetfeld schwächelt gewissermaßen und lässt zunehmend mehr kosmische Partikel durch.

Wie der Kompass beweist, besitzt auch die Erde ein Magnetfeld. Dessen Stärke nimmt allerdings seit längerem ab. So wird wohl auch diese zweite magnetische Schutzweste löchriger. Die dritte ist ganz anderer Natur, weil vor allem aus Stickstoff und Sauerstoff geschneidert: Kollidieren die Teilchen der Primärstrahlung mit den Luftmolekülen der Erd-
atmosphäre, werden sie abgebremst und gleichsam "verschluckt". Dabei entsteht ein Schauer weiterer Partikel: Neutronen, Protonen, Elektronen, Myonen und Pionen. Hinzu gesellen sich Röntgen- und Gammastrahlung.

Diese kosmische Sekundärstrahlung wird vor allem in Höhen um 20 km produziert. Ein Airbus 320-200 fliegt gut acht Kilometer tiefer. Doch selbst da ist die Strahlung noch einige Dutzend Mal intensiver als am Erdboden. Selbst billige Geigerzähler zeigen das.

Wer die Erde umkreist, lässt die Lufthülle unter sich und zieht damit eine Schutzweste aus. Die Strahlung innerhalb der Internationalen Raumstation (ISS) ist mindestens 200 mal intensiver als jene in Wien. Raumfahrer sehen manchmal Lichtblitze: Wahrscheinlich schießen energiereichere Teilchen dann durch ihre Augen. Grauer Star tritt in dieser Berufsgruppe gehäuft auf.

Ein Astronaut im niedrigen Erdorbit bewegt sich wenigstens noch innerhalb des Erdmagnetfelds. Auf dem Weg zum Mond muss er jedoch auch diese zweite Schutzweste ablegen: Trotz ihrer vergleichsweise kurzen Missionen starben mehr als 40 Prozent der Apollo-Mondreisenden später an Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Sie waren wesentlich häufiger davon betroffen als ihre Berufskollegen im Erdorbit.

Menschen und Mäuse

Wer länger auf dem Mond verweilen oder sogar den Mars ansteuern möchte, braucht eine künstliche Schutzweste. Immerhin ist die Strahlung während eines Marsflugs 800 mal stärker als gleichzeitig in Wien-Breitenlee. Hinzu kommen noch solare Protonen: Nach Sonneneruptionen treffen sie das Raumschiff zuhauf. Es muss abgeschirmt werden.

Aluminium hält den Marsfliegern etwa ein Drittel der kosmischen Strahlung vom Leib. Schwerere Materialien erhöhen das Startgewicht allzu sehr. Außerdem entstehen darin - ähnlich wie in der Erdatmosphäre - Sekundärpartikel: Im schlimmsten Fall treibt man den Teufel mit dem Beelzebub aus.

Eine praktischere Lösung wären Wasserbehälter, die man rund um die Kabine anordnet. Das entnommene Trinkwasser muss recycelt und in die Tanks zurückgefüllt werden. Leichte, wasserstoffreiche Verbindungen sind überhaupt interessant: etwa Polyethylen (bekannt vom Plastiksackerl). Für die Raumfahrt ist es aber wohl nicht stark genug. Die NASA experimentiert mit verschiedenen Materialien, die teils aus der Nanotechnologie stammen. In jedem Fall aber gilt: Die Gefahr wird bloß verringert, nicht abgestellt. Und die hochenergetischen Partikel durchschlagen sowieso jede Wand.

Um die Strahlungsbedingungen im All zu simulieren, setzt man Mäuse den schweren Ionen eines Teilchenbeschleunigers aus. Aus technischen Gründen bleibt der Beschuss kurz. Verabreicht man die Gesamtdosis eines Marsflugs in äußerst knapper Zeit, verschlimmert das allerdings die Folgen der Bestrahlung.

Dazu zählt eine bleibende Verdickung der Arterienwand: Diese Atherosklerose hemmt die Sauerstoffversorgung. Bei Menschen kann sie zu Herzinfarkt oder Schlaganfall führen. Außerdem verloren die Mäuse nachhaltig ihre Fähigkeit, Aufgaben zu lösen. Sie büßten ihre Neugierde ein, wirkten inaktiv oder verwirrt. Jene Nervenzellen, die für die Erregungsleitung und -übertragung sorgen, wurden teilweise ruiniert.

Wie wirkt Strahlung?

Bei der Zellteilung spalten sich die Doppelstränge der DNA der Länge nach auf. Werden ihre Moleküle durch ionisierende Strahlung zerstört, ist die Erbinforma-tion korrumpiert. Ohne rasche Reparatur vergessen die betroffenen Zellen ihre eigentliche Aufgabe. Sie mutieren. Selbst deren Nachbarzellen können in Mitleidenschaft gezogen werden. Eine mögliche Konsequenz: Krebs.

Außerdem entstehen nach den Treffern giftige Verbindungen wie Wasserstoffperoxid (uns als Desinfektions- oder Bleichmittel bekannt); ebenso freie Radikale. Vielleicht schützen zukünftige Medikamente davor.

Im Körper kommt es ständig zu DNA-Schäden. Zum Glück existieren Reparaturmechanismen. Stress schwächt das Immunsystem. Längere Raumflüge verändern es ebenfalls. Teilen sich die Zellen in sehr kurzen Abständen, wird die Zeit für körpereigene Gegenmaßnahmen außerdem besonders knapp. Hohe Zellteilungsraten gibt es z.B. bei der Bildung der roten Blutkörperchen im Knochenmark; natürlich auch im Embryo, speziell in den ersten Tagen und Wochen nach der Zeugung.

Verändertes Erbgut

Sind Eizellen oder Spermien betroffen, kann die veränderte Erbinformation auch an folgende Generationen weitergereicht werden. Sex ohne Verhütung wäre während einer Marsmission tabu und selbst später noch problematisch. Am besten, man schließt die Familienplanung vor dem Start operativ ab.

Die Folgen starker irdischer Strahlenbelastung kennt man aus Hiroshima und Nagasaki. Davon ausgehend, extrapolieren Wissenschafter nach unten, hin zu viel geringeren Dosen. Oft geschieht dies einfach linear ("halbe Dosis, halbes Risiko"): Eine zusätzliche Belastung von 1000 mSv würde das letale Krebsrisiko demnach um 5 Prozent steigern. Bei 1 mSv wären es 0,005 Prozent.

Wahrscheinlich gibt es bei ionisierender Strahlung überhaupt keine absolut harmlose Dosis - eine Ansicht, der im AKW-Zeitalter natürlich auch widersprochen wird. In jedem Fall lässt sich das gesundheitliche Risiko nur in Wahrscheinlichkeiten angeben ("einer von zehntausend"). Welches Individuum tatsächlich erkrankt, ist nicht vorhersagbar.

In Österreich zeichnet Krebs für 24 Prozent der Todesfälle verantwortlich. Erhöhte sich die Strahlung rein hypothetisch um 10 mSv, stiege dieser Prozentsatz - nach dem linearen Modell und etwas vereinfacht ausgedrückt - auf 24,05 Prozent. Da er auch aus anderen Gründen etwas variiert, wäre der Zusammenhang mit der Strahlungszunahme statistisch nicht nachweisbar. Und doch fielen ihr mehr als 4000 weitere Menschen zum Opfer.

Grenzwertig

Im All herrscht Dauerbeschuss. Die Strahlung setzt sich dort auch anders zusammen als jene am Erdboden: sie ist noch gefährlicher. Die einzelnen Strahlungskomponenten besitzen überdies unterschiedliche gesundheitliche Auswirkungen - selbst bei ähnlichen Energiedosen. All das erschwert eine realistische Risikoabschätzung.

An Bord der ISS steht seit August 2016 ein spezieller, österreichischer Strahlungsdetektor im Einsatz: der European TEPC. Er will die Belastung der Raumfahrer bei längeren Aufenthalten im All messen. Die physikalischen Eigenschaften seiner Gasfüllung ähneln jenen des menschlichen Gewebes. Entwickelt hat man das Gerät in Seibersdorf. Die Europäische Weltraumorganisation ESA soll die Ergebnisse bald veröffentlichen. Für die ESA gilt die kosmische Strahlung als das hauptsächlichste Gesundheitsrisiko bei längeren Flügen zum Mond oder zum Mars.

Wer ein Jahr auf der ISS verbringt, setzt sich nach derzeitigem Wissen einer Strahlenbelastung von 200 mSv aus. Nach dem gängigen, linearen Modell erhöht das sein späteres Krebsrisiko um ein Prozent. Für eine Marsumrundung nimmt die NASA eine Belastung von 660 mSv an: Risiko drei Prozent. Bei einer Landemission mit langem Aufenthalt tendierte der Wert laut Modell gegen 1000 mSv: Risiko fünf Prozent.

Von 100 Menschen werden laut Statistik 24 an Krebs sterben. Flögen sie zum Mars, stiege die Opferzahl von 24 auf 29. Lässt sich das vertreten oder nicht? Wer raucht, lebt jedenfalls gefährlicher. Für die gesamte Astronautenkarriere akzeptiert die NASA ein zusätzliches Krebsrisiko von maximal drei Prozent. Wer diesen Wert zu überschreiten droht, darf nicht mehr ins All. Eine Landung auf dem Mars wäre somit selbst Weltraum-Neulingen untersagt. Die NASA ist dennoch optimistisch. Sie hofft auf effizientere Abschirmmethoden und hilfreiche Medikamente.

Theoretisch böte sich noch die Erhöhung der Toleranzgrenze von drei auf fünf Prozent an. Anderswo gab es ja auch schon Grenzwertanhebungen, etwa bei Pestiziden. Im Mai 2017 veröffentlichte Francis A. Cucinotta (University of Nevada) allerdings ein neues, noch pessimistischeres Modell: Demnach wäre das Krebsrisiko nach Marsreisen sogar doppelt so hoch wie bisher angenommen.

Christian Pinter, geboren 1959, lebt als Fachjournalist in Wien und schreibt seit 1991 übe astronomische Themen im "extra" der "Wiener Zeitung". Internet: www.himmelszelt.at