En la próxima década, la NASA y China planean enviar las primeras misiones tripuladas a Marte. Esto consistirá en que ambas agencias envíen naves espaciales en 2033, 2035, 2037 y cada 26 meses después de eso para coincidir con la oposición de Marte (es decir, cuando la Tierra y Marte estén más cerca en sus órbitas). El objetivo a largo plazo de estos programas es establecer una base en Marte que sirva como un centro que acomode futuras misiones, aunque los chinos han declarado que tienen la intención de que su base sea permanente.

La perspectiva de enviar astronautas en el viaje de seis a nueve meses a Marte presenta varios desafíos, por no hablar de los peligros que enfrentarán mientras realizan operaciones científicas en la superficie. En un estudio reciente, un equipo internacional de científicos realizó un estudio del entorno marciano, desde los picos del Monte Olimpo hasta sus recovecos subterráneos, para encontrar dónde la radiación es más baja. Sus hallazgos podrían informar futuras misiones a Marte y la creación de hábitats marcianos.

El equipo fue dirigido por Jian Zhang, profesor asistente de la Escuela de Ciencias de la Tierra y el Espacio (ESS) de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China. A él se unieron colegas de la ESS y el Centro CAS para la Excelencia en Planetología Comparada en China, el Instituto de Física Experimental y Aplicada (IEAP) en Kiel, Alemania, y el Instituto de Problemas Biomédicos de la Academia Rusa de Ciencias (RAS) y el Instituto Skobeltsyn de Física Nuclear (SINP) en Moscú. El artículo que describe sus hallazgos apareció recientemente en el Journal of Geophysical Research:Planets. .

Cuando se trata de misiones a Marte y otros lugares más allá de la órbita terrestre baja (LEO), la radiación siempre es una preocupación constante. En comparación con la Tierra, Marte tiene una atmósfera tenue (menos del 1% de la presión del aire) y no hay una magnetosfera protectora para proteger la superficie de la radiación solar y cósmica. Como resultado, los científicos teorizan que las partículas dañinas, particularmente los rayos cósmicos galácticos (GCR), podrían propagarse e interactuar directamente con la atmósfera e incluso llegar al subsuelo de Marte.

Sin embargo, el nivel de exposición a la radiación depende del espesor de la atmósfera, que cambia debido a la altitud. Dentro de áreas bajas como el famoso sistema de cañones de Marte (Valles Marineris) y su cráter más grande (Hellas Planitia), la presión atmosférica se estima en más de 1,2 y 1,24 kPa, respectivamente. Esto es aproximadamente el doble del promedio de 0,636 kPa y hasta 10 veces la presión atmosférica en lugares de gran altura como Olympus Mons (la montaña más grande del sistema solar).

El Dr. Jingnan Guo, un estimado profesor del IEAP en la Universidad Christian-Albrechts y miembro de la Academia China de Ciencias (CAS), fue el Ph.D. del Prof. Jian Zhang. supervisor y coautor del artículo. Como explicó a Universe Today por correo electrónico:

"Diferente elevación significa diferente espesor atmosférico. Los lugares de gran altitud generalmente tienen una atmósfera más delgada en la parte superior. La radiación de partículas de alta energía debe atravesar la atmósfera para llegar a la superficie de Marte. Si el espesor atmosférico cambia, la radiación superficial también puede cambiar. Por lo tanto, la elevación podría influir en la radiación de la superficie de Marte".

Con este fin, el equipo consideró la influencia de las profundidades atmosféricas en los niveles de radiación de Marte. Esto incluía la dosis absorbida medida en rads; la dosis equivalente, medida en rems y sieverts (Sv); y las tasas de dosis efectivas en el cuerpo inducidas por los GCR. Este consistió en modelar el entorno de radiación utilizando un simulador de última generación basado en el software GEometry And Tracking (GEANT4) desarrollado por el CERN.

Conocido como Simulador de Interacción de Radiación Atmosférica (AtRIS), este software emplea algoritmos de probabilidad de Monte Carlo para simular interacciones de partículas con la atmósfera y el terreno marcianos. Como ilustró el Dr. Guo:

"Utilizamos un enfoque de Monte Carlo llamado 'GEANT4' para modelar el transporte y la interacción de partículas energéticas con la atmósfera y el regolito marcianos. El entorno de Marte se configura teniendo en cuenta la composición y estructura atmosférica de Marte y las propiedades del regolito.

"Los espectros de partículas de entrada en la parte superior de la atmósfera de Marte se obtienen también de modelos calibrados con datos que describen el entorno de radiación de partículas omnipresente en el espacio interplanetario que incluye partículas cargadas de diferentes especies que son principalmente protones (~ 87%), iones de helio (12 %) y también pequeñas trazas de iones más pesados ​​como el carbono, el oxígeno y el hierro".

Descubrieron que presiones superficiales más altas pueden reducir efectivamente la cantidad de radiación de iones pesados ​​(GCR), pero que aún se necesita un blindaje adicional. Desafortunadamente, la presencia de este blindaje puede conducir a "lluvias de rayos cósmicos", donde el impacto de los GCR contra el blindaje crea partículas secundarias que pueden inundar el interior de un hábitat con niveles variables de radiación de neutrones (también conocido como flujo de neutrones). Estos pueden contribuir significativamente a la dosis efectiva de radiación que absorberán los astronautas.

Determinaron que tanto el flujo de neutrones como la dosis efectiva alcanzan su punto máximo a unos 30 cm (1 pie) por debajo de la superficie. Afortunadamente, estos hallazgos ofrecen soluciones en lo que respecta al uso de regolito marciano para protegerse. Dijo el Dr. Guo:

"Para un umbral dado de la dosis efectiva de radiación biológicamente ponderada anual, por ejemplo, 100 mSv (una cantidad que a menudo se considera como el umbral por debajo del cual el riesgo de cáncer inducido por la radiación es insignificante), la profundidad requerida del regolito oscila entre aproximadamente 1 m y 1,6 m. . Dentro de este rango, en un cráter profundo donde la presión de la superficie es más alta, el escudo de regolito adicional necesario es ligeramente menor. Mientras que en la cima del Monte Olimpo, el escudo de regolito adicional necesario es mayor".

Según sus hallazgos, los mejores sitios para futuros hábitats en Marte estarían ubicados en áreas bajas y a profundidades de 1 m y 1,6 m (3,28 a 5,25 pies) debajo de la superficie. Por lo tanto, las Tierras Bajas del Norte, que constituyen la mayor parte del hemisferio norte (también conocido como Vastitas Borealis), y Valles Marineris serían lugares muy adecuados. Además de tener una presión atmosférica más espesa, estas regiones también tienen abundante hielo de agua justo debajo de la superficie.

Si todo sale según lo planeado, los astronautas pisarán la superficie marciana en poco más de una década. Esto consistirá en tránsitos que durarán de seis a nueve meses (salvo el desarrollo de tecnología de propulsión más avanzada) y operaciones de superficie de hasta 18 meses. En resumen, los astronautas tendrán que lidiar con la amenaza de una radiación elevada durante un máximo de tres años. Como tal, las estrategias detalladas de mitigación deben desarrollarse con mucha anticipación.

La NASA y otras agencias espaciales han invertido una cantidad considerable de tiempo, energía y recursos para desarrollar diseños de hábitats que aprovechen la impresión 3D, la utilización de recursos in situ (ISRU) e incluso el blindaje electromagnético para garantizar la salud y la seguridad de los astronautas. Sin embargo, todavía hay preguntas sin respuesta sobre cuán efectivas serán estas estrategias en la práctica, especialmente si se considera la cantidad de tiempo que las tripulaciones pasarán en la superficie marciana.

"Nuestro estudio puede servir para mitigar los riesgos de radiación al diseñar futuros hábitats marcianos utilizando material de superficie natural como protección", dijo el Dr. Guo. "Por lo tanto, una investigación como esta tendrá un valor considerable cuando los planificadores de la misión comiencen a considerar diseños para futuros hábitats marcianos que dependan del material de la superficie natural para brindar protección contra la radiación".