A missão Artemis I da NASA revela níveis surpreendentes de radiação perto da Lua

Durante a missão Artemis I desenroscada no final de novembro e início de dezembro de 2022, Orion viajou ao redor da Lua carregando mais de 10.000 pequenos cristais embutidos dentro de dois manequins em forma humana. Esses dispositivos registraram a exposição à radiação durante a viagem. Entre eles estavam várias dezenas de detectores experimentais fluorescentes de fluoreto de lítio criados por cientistas do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia. Os investigadores descreveram agora um novo método para analisar a informação armazenada nestes cristais, oferecendo informações sobre os níveis de radiação cósmica e o desempenho dos detectores. Suas descobertas foram publicadas na revista Radiation Measurements.

“Os detectores de dose de radiação fluorescente baseados em fluoreto de lítio, desenvolvidos em nosso instituto, são de natureza passiva. Em outras palavras, funcionam como um filme fotográfico: uma vez expostos os cristais à radiação, os rastros deixados pelas partículas individuais devem ser analisados ​​​​opticamente ao microscópio, “explica o professor Pawel Bilski (IFJ PAN), um dos coautores do artigo.

Como minúsculos cristais detectam radiação cósmica

Os detectores de fluoreto de lítio funcionam capturando alterações microscópicas causadas pela radiação. Quando partículas eletricamente carregadas passam através de um cristal, elas perturbam sua estrutura atômica interna, criando defeitos conhecidos como centros de cores. Mais tarde, os cientistas podem iluminar o cristal com luz azul, fazendo com que essas regiões alteradas brilhem em vermelho. Ao examinar essa fluorescência ao microscópio, os pesquisadores podem identificar os caminhos percorridos pelas partículas de radiação individuais.

Os detectores faziam parte do estudo MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment) conduzido durante Artemis I. Várias dezenas de detectores experimentais de fluoreto de lítio foram colocados dentro de ambos os manequins, incluindo alguns contendo altas concentrações do isótopo lítio-7. A contribuição do IFJ PAN estendeu-se além destes dispositivos experimentais. Seus cientistas também forneceram cerca de 600 detectores de cristal termoluminescentes, que usam uma técnica diferente para medir a exposição à radiação.

Uma grande vantagem dos novos detectores de fluoreto de lítio é que eles simplificam o processo de exame de rastros de radiação. Os detectores passivos tradicionais feitos de plástico requerem gravação química antes que os cientistas possam estudar as marcas deixadas pelas partículas que chegam. Os cristais de fluoreto de lítio eliminam essa etapa, permitindo aos pesquisadores inspecionar os rastros diretamente com um microscópio de fluorescência padrão.

Como resultado, observar os rastos de radiação recolhidos perto da Lua foi relativamente simples. A tarefa mais difícil foi determinar exatamente o que esses rastros revelavam sobre a exposição à radiação. Para obter medições numéricas confiáveis, a equipe teve que desenvolver técnicas sofisticadas de calibração e análise.

Por que medir a radiação do espaço profundo é tão difícil

Ao contrário das condições controladas de um laboratório, a radiação cósmica é altamente imprevisível. Em um experimento típico de física, os pesquisadores podem expor um detector a um feixe contendo um tipo conhecido de partícula com energia e direção específicas. No espaço, a radiação chega de todas as direções e inclui muitas partículas e núcleos atômicos diferentes viajando através de uma enorme gama de energias.

Essa complexidade torna os rastros microscópicos difíceis de interpretar. Como as partículas que chegam atingem os cristais em ângulos diferentes, seus rastros se estendem em múltiplas direções. Um microscópio captura a seção de cada trilha dentro de seu plano focal (aproximadamente um micrômetro de tamanho), mas também registra um brilho borrado de partes fora dessa região estreita. Esta luz adicional influencia a intensidade de fluorescência medida, que os cientistas usam para estimar a densidade com que uma partícula ioniza o material.

Partículas diferentes também produzem padrões de trilha muito diferentes. Aquelas que causam ionização forte deixam linhas contínuas e bem definidas, enquanto as partículas que produzem ionização mais fraca podem aparecer como pontos dispersos e desconectados. Estas diferenças complicam ainda mais a tarefa de traduzir medições de fluorescência em dados de radiação significativos.

Para superar esses desafios, os pesquisadores introduziram diversas correções e desenvolveram software capaz de remover sinais de fundo indesejados. A análise melhorada aproximou as suas medições dos resultados das tecnologias de detectores estabelecidas, ao mesmo tempo que revelou eventos de radiação que os dispositivos mais antigos não conseguiam detectar.

“Depois de aplicar uma série de correções e desenvolver software para remover adequadamente o fundo que interfere nas medições, nossos resultados diferiram em não mais que 15% daqueles obtidos usando detectores de trilha convencionais em toda a faixa sobreposta de valores de deposição de energia. Além disso, também registramos numerosos rastros de partículas correspondentes a depósitos de energia abaixo do limite de detecção dos detectores usados ​​até o momento, “enfatiza o Prof.

Artemis I revela uma diferença surpreendente na radiação lunar

As medições do Artemis I também permitiram aos investigadores comparar a exposição à radiação perto da Lua com as descobertas de uma experiência anterior a bordo da Estação Espacial Internacional.

Mais de uma década antes de Artemis I, o experimento MATROSHKA investigou a exposição à radiação usando manequins em forma humana na estação espacial. Parte da radiação registrada durante essa missão veio de prótons de baixa energia presos nos cinturões de radiação de Van Allen da Terra. À medida que essas partículas viajavam para dentro dos manequins, depositavam energia em diferentes profundidades, produzindo uma distribuição desigual das doses de radiação.

As condições perto da Lua são substancialmente diferentes. Os cinturões de Van Allen não se estendem ao ambiente lunar, portanto a radiação ali encontrada contém uma maior contribuição de partículas de alta energia originárias de outras partes da galáxia.

Estas partículas galácticas transportam energia suficiente para viajar por todo o corpo humano, libertando apenas uma parte da sua energia à medida que passam. Consequentemente, os detectores Artemis I registaram doses de radiação que foram distribuídas quase uniformemente pelos manequins, ao contrário dos padrões irregulares observados na experiência anterior da estação espacial.

Os pesquisadores também identificaram uma descoberta que pode parecer contra-intuitiva. Embora os astronautas perto da Lua estejam expostos a mais radiação do que os que estão na órbita baixa da Terra, a diferença não é necessariamente tão dramática como se poderia supor.

“Os prótons de baixa energia, presos pelo campo magnético do nosso planeta dentro dos cinturões de Van Allen, podem ser responsáveis ​​pela maior parte da dose de radiação recebida pelos astronautas na órbita baixa da Terra. Nas proximidades da Lua, esta contribuição substancial desaparece. Nossas medições do experimento MARE indicam que, embora as doses totais de radiação perto da Lua sejam mais altas do que aquelas na órbita da Terra devido aos níveis consideráveis ​​de radiação galáctica, a diferença não é tão grande quanto se poderia intuitivamente esperar, “observa o Prof.

Novos detectores de radiação podem ajudar a proteger futuros astronautas

Os detectores fluorescentes de fluoreto de lítio a bordo do Artemis I foram fabricados usando o método Czochralski, uma técnica de cultivo de cristais. Os cientistas da IFJ PAN desenvolveram a tecnologia pela primeira vez há cerca de uma década e continuam a aperfeiçoá-la desde então.

Seu tamanho compacto é um dos recursos mais úteis. Medindo apenas alguns milímetros em vez de vários centímetros (da ordem de milímetros em vez de centímetros), os detectores são pequenos o suficiente para serem usados ​​confortavelmente pelas pessoas, tornando-os práticos para monitorar a exposição à radiação durante missões espaciais.

Eles também fornecem imagens mais nítidas de rastros de partículas do que os detectores de plástico convencionais que requerem ataque químico. Esta resolução melhorada permite aos cientistas distinguir rastos individuais mesmo quando as doses de radiação são relativamente elevadas. Além disso, os cristais podem registar uma ampla variedade de tipos de partículas e energias, proporcionando potencialmente uma imagem mais completa do ambiente de radiação.

Outra vantagem é a capacidade de detectar nêutrons, principalmente quando os cristais são enriquecidos com o isótopo lítio-6. Quando os nêutrons interagem com núcleos de lítio, eles podem desencadear reações nucleares que geram partículas carregadas secundárias. Estas partículas deixam alterações detectáveis ​​no cristal, tal como outras formas de radiação ionizante.

Juntas, essas capacidades tornam os detectores de fluoreto de lítio uma ferramenta promissora para estudar o complexo ambiente de radiação além da Terra. As medições do Artemis I oferecem uma imagem mais clara de como a radiação cósmica se comporta perto da Lua e demonstram como detectores compactos podem ajudar os cientistas a avaliar a exposição à radiação durante missões futuras.

A investigação realizada no âmbito do projecto MARE foi apoiada por uma bolsa do Centro Nacional de Ciências da Polónia (NCN), no âmbito do seu programa OPUS.