Untersuchung zur biologischen Wirkung der niederenergetischen Strahlung in der Magnetosphäre der Erde

Abstract

Ionisierende Strahlung führt zu Schädigungen in biologischem Gewebe. Die Wirkung der Strahlung hängt von der Ionisationsdichte ab. Umbeispielsweise die erhöhte Wirksamkeit von Schwerionen oder Neutronen zu beschreiben, werden üblicherweise Photonen mit Energienvon einigen hundert bis tausend Kiloelektronenvolt als Referenzstrahlung herangezogen. Es gibt Hinweise in der Literatur, dass Elektronenund Photonen mit Energien von einigen wenigen bis einigen zehn Kiloelektronenvolt eine erhöhte biologische Wirksamkeit aufweisen. Dieswird in aktuellen Strahlenschutzüberlegungen nicht berücksichtigt. Im Strahlengürtel der Erde sind Elektronen und Protonen eines weiten Energiebereichs eingefangen. Auf der Außenhaut von Satellitenführen die niederenergetischen Teilchen zu erheblichen Strahlungsdosen. In einer Höhe von einigen hundert Kilometern über derErdoberfläche, wo sich beispielsweise die Raumstationen MIR und ISS aufhalten, beginnt der Strahlengürtel. Die Gradienten derTeilchenflüsse sind hier am inneren Rand des Gürtels besonders ausgeprägt, wodurch eine Modellierung erschwert ist. Die zu erwartendenOberflächendosen liegen im Bereich von einigen Gray, eine genaue Festlegung ist aufgrund der Unsicherheit der Modelle und der geringenAnzahl von bisher durchgefürhten Messungen nicht möglich. Ziel der vorliegenden Untersuchung ist eine experimentelle Bestimmung der biologischen Wirkung dieser niederenergetischenStrahlungskomponenten in der Magnetosphäre. Hefezellen vom Typ Saccharomyces cerevisae werden auf einem russischen Satelliten imStrahlengürtel exponiert und das Zellüberleben bestimmt. Während der 12,66-tägigen Exposition wird eine Reduktion des Zellüberlebensum (33 +/- 7) % festgestellt. Durch einen Vergleich mit Laboruntersuchungen, welche eine genaue Simulation des Weltraumexperimentesbeinhalten, wird eine der biologischen Wirkung der Weltraumexposition äquivalente Röntgendosis von (37 +/- 7) Gy ermittelt. Daraus lässtsich für eine Flächenbelegung von 11 mg/cm^2 eine Dosisleistung von (2,90 +/- 0,55) Gy pro Tag ableiten. Die in dieser Untersuchung festgestellte biologisch wirksame Dosisleistung übertrifft die Vorhersagen der gegenwärtig verwendetenStrahlengürtelmodelle der NASA um einen Faktor 4 bis 5. Im Gegensatz hierzu berichten einige Autoren neuerer Modelle von einerÜberschätzung der niederenergetischen Strahlungsanteile durch die NASA-Modelle. Die das Zellexperiment begleitenden physikalischenThermolumineszenzdosimeter weisen jedoch, wie die Reduktion des Zellüberlebens, auf eine Unterschätzung hin. Die Ergebnisse des Zellexperimentes lassen eine erhöhte biologische Effektivität der niederenergetischen Komponenten im Strahlengürtelvermuten, wenn man sie mit den Resultaten der Thermolumineszenzdosimetrie vergleicht. Es ist jedoch nicht auszuschließen, dass diephysikalische Dosis am Ort der Zellen etwas größer ist, als dies aus den Thermolumineszenzmessungen hervorgeht, da aufgrund derSelbstabsorption eine genaue Festlegung der Dosisleistung für sehr kleine Flächenbelegungen erschwert wird. Mögliche Werte für dierelative biologische Wirksamkeit können jedoch aufgrund der Ergebnisse auf einen Bereich zwischen 1 und 2 eingeschränkt werden. Hierist zu beachten, dass die biologische Wirkung in dieser Untersuchung unter Ausschluss von Sauerstoff bestimmt wird. Eine Erhöhung derRBW ist unter aeroben Bedingungen wahrscheinlich weniger stark ausgeprägt. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die aus der niederenergetischen Strahlung in der Magnetosphäre in einer Höhe von 220 kmbis 405 km resultierende physikalische Dosisleistung durch die empirischen Strahlengürtelmodelle um einen Faktor 2 bis 5 unterschätztwird und die hier ermittelte biologisch wirksame Dosisleistung das ein- bis zweifache der physikalischen Dosisleistung beträgt.Dosisabschätzungen für nur geringfügig abgeschirmte Exponate im Strahlengürtel, welche auf den bisherigen Modellen undStrahlenschutzbestimmungen basieren, können daher nur größenordnungsmäßig als zutreffend angesehen werden. Eine genauereEinschätzung erfordert weitere biologische und physikalische Dosismessungen auf der Oberfläche von Satelliten oder Raumstationen.