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Stazione Spaziale Internazionale (ISS), radiazioni, schermature
La parentesi su Magnetosfera e Fasce di Van Allen, all’interno di questo viaggio con destinazione ultima le spettacolari e magnifiche Aurore, si sta concludendo.
Fino a qui ho parlato:
- dei fenomeni che avvengono sul Sole (il cosiddetto “meteo” spaziale)
- delle tempeste solari dovute alle esplosioni più violente come i Flares e le Cme (immaginàti come due pugili in una titanica lotta a due rounds sul ring)
- spesso ma non sempre dovuti alla “riconnessione magnetica”
- del primo scudo invisibile ed impalpabile che la Terra offre come riparo alla prepotenza solare, la Magnetosfera
- della complessa danza che si forma nell’interazione tra il Vento Solare e la Magnetosfera, dove le particelle vanno ad accumularsi in fasce di contenimento molto mutevoli e dinamiche, le Fasce di Van Allen
- delle radiazioni in generale, quelle elettromagnetiche e quelle particellari
- e di come tali radiazioni si comportino e propaghino in modo diverso, sulla Terra e nello Spazio
Non resta che dare un brevissimo accenno alle radiazioni nell’ambito della magnifica Stazione Spaziale Internazionale, visto che da lassù, 400 km circa di quota, i nostri astronauti godono di uno spettacolo molto speciale.
Riepilogo radiazioni
Ho presentato nel post radiazioni diverse tipologie di radiazioni possibili:
- da protoni + (alfa)
- da elettroni – (beta)
- da raggi gamma (gamma)
- da neutroni
Tali radiazioni provengono da varie fonti:
- eruzioni di massa coronale
- flares
- raggi cosmici
- supernovae
- fusione di stelle di neutroni
- etc etc
“Ogni tipologia è portatrice di una specifica quantità di energia, e per questo si rende necessario definire una dose biologica equivalente per stimare gli effetti dei diversi tipi di radiazione”.
La dose equivalente si misura in milliSieverts (mSv). Il mSv, quindi, prende in considerazione:
– non solo quante radiazioni una persona ha ricevuto
– ma anche quanto danno quel particolare tipo di radiazione può infliggere
Maggiore è il danno provocato da una certa quantità di radiazione, maggiore è il valore in mSv. (Marco Zambianchi)
Ci sono anche altre unità di misura, ma il quadro si farebbe troppo complesso per cui qui considero solo queste due.
– Rem = Roentgen Equivalent Man
– millirem = unità di misura della radiazione assorbita, millesima parte di REM
– mSv = milliSieverts
Qualche esempio delle radiazioni “sopportabili” e “sopportate”…
- standard annuale stabilito da Stati Uniti e Italia per le persone che lavorano con la radioattività, 5 Rem (= 50 mSv)
Curiosità su Apollo 12: gli astronauti camminarono sulla Luna solo poche settimane dopo un enorme flare i cui protoni li avrebbero investiti con una raffica di radiazioni particellari da 100 rem (=1.000 mSv) in pochi minuti!
- radioattività naturale media ANNUA sulla Terra:
- Italia 3,3 mSv (3 radiografie convenzionali, 165 standard al petto)
- USA 6,2 mSv
- irraggiamento durante 1 radiografia convenzionale, circa 1 mSv, che equivale a 50 radiografie standard del torace (considera infatti che i mSv variano molto in funzione del tipo di radiografie, ad esempio agli arti 0,005 – al seno 0,4 – tac ai polmoni 8 – esame combinato tac pet 15)
dose giornaliera mortale 500 REM = 5 Sv (sievert) = 5.000 mSv
Curiosità lunari: nella pausa tra le missioni lunari Apollo 16 e Apollo 17, un enorme flare avrebbe in pochi minuti ucciso sul colpo gli astronauti in passeggiata lunare, con un’incredibile vampata di radiazioni particellari da 700 rem (=7.000 mSv)!
Ecco una brevissima tabellina che da un’idea dei rischi collegati alla dose di radiazioni. Sono riportati alcuni effetti sul corpo umano in base alla dose in Rem (per avere il riferimento in mSv basta moltiplicare x10 ciascun valore).
Trascrivo qui sotto per gli amici visitatori stranieri:
- nessun effetto osservabile
- deboli variazioni nel sangue
- riduzione significativa di piastrine e cellule bianche nel sangue
- danni severi al sangue, nausea, perdita di capelli, emorragie, morte in diversi casi
- morte in meno di 2 mesi in oltre l’80% dei casi
salendo di quota
- su una rotta intercontinentale ad alta quota, in un anno, 1 mSv per un pilota corrisponde a 200 ore di volo. Per confrontare, l’equivalente in radiografie standard al petto sempre in un anno, per un pilota sono 200, per un cardiologo interventista 35, per i passeggeri frequenti 4, mentre il fondo naturale medio per l’Italia è 165, per gli Stati Uniti circa 310)
- il dosaggio quotidiano in orbita normalmente è 1 radiografia al tronco al giorno, 0,7 mSv (in una settimana si accumulano circa 6 mSv – Marco Zambianchi, AstronautiNEWS)
Curiosità sulla stazione spaziale MIR, a fine 1989: durante una tempesta solare, gli astronauti a bordo accumularono in poche ore una dose di radiazioni paragonabile a quella di un anno intero!
- un astronauta sulla ISS in soli 3 mesi può assorbire fino a 18 REM (= 180 mSv)
- equipaggi sulla ISS in 6 mesi di Expedition, in base al periodo del ciclo solare:
- 80 mSv durante il massimo solare (un periodo nel quale sul Sole è presente una grande quantità di macchie solari e che si accompagna ad un’espansione del campo magnetico solare in grado di deflettere le particelle dei raggi cosmici)
- 160 mSv durante il minimo solare (un periodo nel quale il numero di macchie solari è minimo così come l’intensità del campo magnetico della nostra stella, così arrivano più raggi cosmici)
Gli equipaggi potrebbero comunque eccedere questi dati medi se impegnati in attività extraveicolari (EVA), in quanto abbandonano l’effetto protettivo delle pareti della ISS (vedi tra poco “tute spaziali”).
- Fasce di Van Allen: durante l’Apollo 11 dose totale sulla pelle 1,1 mSv e in profondità 0,8 mSv (dosi assolutamente accettabili)
- apollo 11 dose totale rilevate dai dosimetri degli astronauti 2,5-2,8 mSv
(dosi di radiazioni accettabili e trascurabili)
Che c’entra il minimo-massimo solare con i Raggi cosmici? “Quando” i raggi cosmici sono più pericolosi?
Avrai notato che durante il periodo di più intensa attività solare, la dose di mSv è la metà rispetto a quando c’è il minimo solare. Come si spiega?
Sia cme/flares che i raggi cosmici sono pericolosi, però nel primo caso è più raro trovarsi nella traiettoria al momento in cui arrivano tali eventi, mischiati al vento solare, inoltre se succede si resta al riparo all’interno del veicolo spaziale. I raggi cosmici primari arrivano invece da ogni direzione costantemente, quindi il vento solare rappresenta una vera e propria difesa naturale contro di essi.
Quando l’attività solare è intensa (massimo solare), il campo magnetico solare è più intenso e quindi difende maggiormente dai pericolosi raggi cosmici, deviandone con più forza le particelle.
Quando invece l’attività solare è minima il campo magnetico solare si affievolisce e di conseguenza protegge di meno dai raggi cosmici pericolosi e gli astronauti sono più soggetti a questo rischio.
“Velocità, schermature e pianificazione”: le migliori strategie anti-radiazioni spaziali!
La velocità della ISS è di per sé già notevole, ben 27.720 km all’ora, cioè 7,7 km al secondo, per poter restare in orbita a circa 400 km di quota, richiedendo solo saltuarie piccole e brevi spinte con propulsori di assetto per evitare che lentamente decada (per l’attrito pur leggerissimo a questa quota, tuttavia presente).
Le schermature di piombo che usiamo sulla Terra, valgono anche nello spazio?
Sulla Terra l’utilizzo di una pesante copertura di piombo protegge dai raggi X gli operatori sanitari che eseguono le lastre e i soggetti interessati, ma nello spazio i materiali pesanti decisamente potrebbero peggiorare gli effetti delle radiazioni.
“Nello spazio ci sono radiazioni particellari che attraversano tutta la Tavola Periodica, dall’idrogeno fino al nichel e all’uranio, tutto si avvicina alla velocità della luce“
dottor Tony Slaba, ricercatore della NASA
Ricordi che nel post radiazioni ho detto che gli elementi più radioattivi sono quelli che nella Tavola Periodica degli elementi si trovano dall’84 in poi? Ecco, questa è quella Tavola, e nel post multiplo “Siamo Polvere di Stelle”, in migrazione nei prossimi mesi dal vecchio blog, ti spiegherò meglio come funziona.
Le astronavi in navigazione nello spazio profondo NON possono essere schermate con il PIOMBO, primo perché è troppo pesante, ma soprattutto perché la radiazione spaziale in arrivo provocherebbe molte “collisioni nucleari” con la schermatura, generando ulteriori radiazioni secondarie, e questa infausta combinazione rappresenta enorme rischio per gli astronauti”.
Schermatura metallo e materiali plastici HDPE
Le astronavi (lunari e non) sono interamente costruite in metallo ed i rivestimenti interni (comprese le tute spaziali degli astronauti utilizzate sia per il volo e sia per l’esplorazione lunare) sono realizzati con materiali plastici (come il polietilene ad alta densità o HDPE).
L’HDPE è in grado di assorbire completamente tali particelle senza emettere radiazioni X dovute all’impatto con il primo schermo. Tutto questo garantisce una “schermatura” pressoché totale verso le particelle corpuscolari intrappolate dal campo magnetico terrestre nelle Fasce di Van Allen (Matteo Negri).
Le Tute spaziali: miniera di tecnologia avanzata
Una tuta spaziale è un oggetto assolutamente fantastico e costosissimo (peso dai 100 ai 130 kg, costo da 675.000 a 1.250.000 €) perché dispone della tecnologia più sofisticata ed avanzata per proteggere l’astronauta durante le Attività Extra Veicolari EVA:
- radiazioni cosmiche (la protezione è limitata e quindi le EVA devono essere pianificate in base all’attività solare)
- sbalzi temperatura cinetica (strati e strati di tessuti speciali per difendere dai -100°C/-212°F all’ombra, ai +120°C/+248°F esposti al Sole)
- vuoto esterno (pressione esterna nulla e quindi pressurizzazione interna della tuta: il tessuto speciale di contenimento si gonfia entro il limite massimo della pressione atmosferica di 1 Atm)
- miscele diverse e corrette da respirare (dovute alla minor pressione presente nella tuta rispetto alla Stazione Spaziale)
- fase di “deazotazione” (per passare dalla miscela mista simil-terrestre della ISS a quella pura della tuta)
- patologia da decompressione (rischio di embolìe come per i sommozzatori)
- pericolo di embolìe
- concentrazione di anidride carbonica (l’eccesso letale va rimosso dalla tuta)
- appannamento visiera e disidratazione provocati dal calore della traspirazione (ventole e scambiatori sostituiti oggi dalla speciale calzamaglia LCVG in foto)
- micrometeoriti (strati multipli di tessuti ad alta resistenza)
- eventuali disturbi nelle comunicazioni (casco in tessuto con cuffie e microfono, e ricetrasmittente nello zaino salvavita)
- la completa assenza di peso rende difficile muoversi e lavorare (qualunque azione su un oggetto ti spinge nella direzione opposta, 3^ Legge del Moto di Newton: per questo sono previsti particolari appigli e maniglie positizionati all’esterno dei veicoli spaziali)
- lo speciale zaino salvavita (contenente ossigeno, cibo, acqua, batterie, sistemi di comunicazione e sistema “Safer” che da spinta 3 metri/sec con getti d’azoto al bisogno) consente un’autonomia di 7 ore
- lo speciale casco (rivestimenti speciali per riflettere i raggi solari, visori colorati per ridurre il bagliore, micro lampade, sistema per l’ossigeno e per cibo e acqua)
- sul petto speciale centralina (monitora lo stato della tuta)
- e per finire non scontato e per niente secondario, il problema dei “bisogni corporali“, in inglese “number two“, risolto con il “maximum absorbency garment” – MAG, indossato sotto la calzamaglia speciale LCVG
Gli astronauti in orbita sulla ISS sono PIU’ soggetti a radiazioni di quelli in missione lunare
Le zone radioattive non si trovano solo nella zona di transito delle missioni lunari, in Esosfera: anche lo Space Shuttle vi transitava e la ISS lambisce diverse volte al giorno un’appendice delle Fasce a bassa quota durante la sua orbita, e le mission durano settimane o mesi…
Questa zona a bassa quota (200 km) si chiama Anomalia Sud-Atlantica (SAA, southern atlantic anomaly), e mai è stata riportata lesione di alcun tipo sugli astronauti in orbita, nonostante le continue ricerche in campo medico.
È quindi vero che la presenza delle Fasce di particelle rappresenta un pericolo soprattutto per gli astronauti in orbita intorno alla Terra a una quota di 400 km, essendo soggetti a radiazioni centinaia di volte superiore a quelle assorbite tipicamente sulla Terra, con un rischio elevato di tumori, danni al sistema nervoso e modificazioni genetiche. (Simona Romaniello)
Tuttavia i livelli di radiazioni nelle fasce sarebbero pericolosi per gli astronauti se vi fossero esposti per un lungo periodo di tempo (come è pericoloso farsi una radiografia ogni giorno), e questo non succede. (Andreotti Roberto)
ISS ed SAA: la telecamera esterna registra il bombardamento
La schermatura della Stazione Spaziale riduce fortemente l’esposizione degli astronauti alle particelle energetiche delle Fasce di Van Allen, ma non protegge le telecamere esterne della Stazione (8 gennaio 2018 alle 1:29 CET).
Le Aurore dalla ISS? Un omaggio speciale per chi dedica la vita allo spazio!
Da lassù gli astronauti possono godere di una vista eccezionale, non solo sul nostro meraviglioso pianeta, ma anche sulle questo spettacolo che lascia senza parole, le splendide Aurore, belle viste dall’alto ed incantevoli viste da Terra.
Per salutarti ti lascio con due video spettacolari in alta definizione: questo raccoglie vari spezzoni in time-lapses ripresi dalla ISS, dove puoi apprezzare non solo magnifiche aurore boreali ed australi, ma anche dettagli affascinanti della Base Spaziale Internazionale, davvero 5 minuti.
Questo secondo video eccezionale si intitola “Astronaut – A jounery to space” del videomaker francese Guillaume Juin, specializzato in documentari timelapse. Montando 4 mila immagini scattate tra il 2011 e il 2014 che il “Crew Earth Observations Videos” della Nasa gli ha messo a disposizione, questo è lo strepitoso risultato.
Ora passo a dedicarmi alle meravigliose, spettacolari mozzafiato Aurore, tutta questa premessa in episodi facilmente digeribili serviva per arrivare ai prossimi post, quindi sii paziente che ora si entra nel vivo!
La serie completa “In a nutshell” about Aurora
Link utili:
– Stazione Spaziale Internazionale
– Le Unità di Misura della Radioattività, di G. Fanelli, 2010
– La silenziosa minaccia delle tempeste solari, di Anna M. Abatianni – rem, curiosità Apollo, ISS
– “Siamo andati sulla Luna“, di Matteo Negri
– “La Terra, il nostro Pianeta, la nostra Casa“, di Andreotti Roberto con video di Fabio Bellardini
– Le Fasce di Van Allen e le Aurore Polari, di Simona Romaniello
– “Rischi nell’attraversamento delle Fasce di Van Allen“, vialattea.net
– “Radiazioni il vero ostacolo all’esplorazione spaziale“, di Marco Zambianchi – AstronautiNEWS
– “Luna? Sì, ci siamo andati!“, di Paolo Attivissimo
– “La sfida all’invisibile radiazione spaziale“, Reccom Magazine
– radiazioni ionizzanti, esposizioni professionali
– Radiazioni assorbite, Repubblica
– video in timelapse di Guillaume Juin e “Crew Earth Observations Videos” della Nasa
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