Artemis I mankenlerindeki kristaller okundu: Ay yakınında doz yüksek ama fark beklenenden az

NASA'nın insansız Artemis I görevinde Orion kapsülü 2022'nin Kasım sonu ve Aralık başında Ay'ın çevresinde dolanırken, kapsüldeki iki insan biçimli mankenin içine yerleştirilmiş on binden fazla küçük kristal kozmik radyasyon dozlarını kaydediyordu. Bunlar arasında Polonya Bilimler Akademisi Nükleer Fizik Enstitüsü'nün (IFJ PAN) Krakov'da geliştirdiği birkaç düzine deneysel lityum florür dedektörü de vardı. Enstitü, bu dedektörlerin nasıl okunduğunu ve ilk doz tahminlerini Radiation Measurements dergisinde yayımladı ve sonuçları 22 Ekim'de duyurdu.

Soru basit ama önemli: Ay yakınındaki kozmik radyasyon dozu, astronotların alçak Dünya yörüngesinde aldığı dozdan ne kadar farklı? Artemis programıyla astronotlar yeniden Ay'a gideceği için bu farkı bilmek, onları korumanın temel adımlarından biri.

Helga ve Zohar'ın içindeki kristaller

Ölçümler MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment) deneyinin parçası. Deneyde Orion'un yolcu koltuklarına yerleştirilen iki kadın mankenin, NASA'nın verdiği adlarla Helga ile Zohar'ın, gövdelerine radyasyon dedektörleri yerleştirildi. IFJ PAN her iki mankene de bir kısmı lityum-7 izotopuyla yüksek oranda zenginleştirilmiş deneysel lityum florür dedektörleri koydu. Enstitünün katkısı bununla sınırlı değil: Krakovlu fizikçiler, termolüminesans dedektörü denen başka türden yaklaşık 600 kristal dedektör de sağladı.

Fotoğraf filmi gibi çalışan dedektör

Bu dedektörler pasif çalışıyor. Çalışmanın yazarlarından Prof. Paweł Bilski yöntemi fotoğraf filmine benzetiyor: Kristaller radyasyona maruz kaldıktan sonra, tek tek parçacıkların bıraktığı izlerin mikroskop altında optik olarak incelenmesi gerekiyor.

İlke şöyle: İyonlaştırıcı radyasyonun parçacıkları kristalden geçerken kristal örgüsünde kusurlar oluşturuyor ve bu kusurlar "renk merkezi" gibi davranmaya başlıyor. Laboratuvarda bu merkezler mavi ışıkla uyarıldığında kırmızı floresan ışık yayıyor ve parçacığın izi mikroskopta görünür hâle geliyor. Geleneksel plastik iz dedektörlerinin okunmadan önce kimyasal olarak aşındırılması gerekirken lityum florür kristallerinde böyle bir işleme gerek yok; standart bir floresan mikroskobu yetiyor.

Zorluk: her yönden gelen karışık radyasyon

İzleri görmek kolaydı; sayısal bilgi çıkarmak ise değil. Laboratuvar deneylerinde dedektörler genellikle aynı türden, enerjisi ve geliş yönü iyi bilinen parçacık demetleriyle ışınlanır. Kozmik radyasyon ise her yönden geliyor, doğada bulunan her tür parçacığı ve atom çekirdeğini içeriyor ve çok geniş bir enerji aralığına yayılıyor.

Bu yüzden mikroskop altında izler farklı yönlere uzanıyor; kamera, odak düzlemindeki yaklaşık bir mikrometrelik iz parçasının yanında izin geri kalanından gelen bulanık bir parıltıyı da yakalıyor. Bu da iyonlaşma yoğunluğunu ölçmek için kullanılan temel parametreyi, yani floresan şiddetini etkiliyor. Üstelik güçlü iyonlaştırıcı parçacıklar sürekli ve net çizgiler bırakırken zayıf iyonlaştırıcı parçacıklar yalnız birbirinden ayrık noktalar dizisi bırakabiliyor.

Bilski'nin aktardığına göre ekip bir dizi düzeltme uyguladı ve ölçümleri bozan arka planı ayıklayan bir yazılım geliştirdi. Sonuçta lityum florür dedektörlerinin verdiği değerler, iki yöntemin örtüştüğü enerji aralığının tamamında geleneksel iz dedektörlerinden en fazla yüzde 15 saptı. Ekip ayrıca bugüne kadar kullanılan dedektörlerin algılama eşiğinin altında kalan çok sayıda parçacık izi de kaydetti.

Ay yakınında doz neden daha düzgün dağılıyor?

Çalışmanın en ilginç sonucu dozun vücuttaki dağılımıyla ilgili. On yılı aşkın süre önce Uluslararası Uzay İstasyonu'nda yapılan MATROSHKA deneyinde, Dünya'yı saran Van Allen kuşaklarındaki düşük enerjili protonlar mankenlerdeki dozun bir bölümünü oluşturuyordu. Bu protonlar enerjilerini farklı derinliklerde yitirdiği için doz manken boyunca düzensiz dağılıyordu.

Ay yakınında Van Allen kuşakları yok; bunun yerine galaktik kozmik radyasyon öne çıkıyor. Bu parçacıkların enerjisi o kadar yüksek ki insan vücudunu boydan boya geçip yol boyunca enerjilerinin yalnız bir kısmını bırakabiliyorlar. Bu nedenle Artemis I sırasında mankenlerin içinde ölçülen doz dağılımı neredeyse tekdüze çıktı.

Bilski'ye göre Dünya'nın manyetik alanının Van Allen kuşaklarında tuttuğu düşük enerjili protonlar, alçak Dünya yörüngesindeki astronotların aldığı dozun büyük kısmını oluşturabiliyor; Ay yakınında bu büyük katkı ortadan kalkıyor. MARE ölçümlerine göre Ay çevresindeki toplam doz, yüksek galaktik radyasyon nedeniyle Dünya yörüngesindekinden daha yüksek; ancak fark, sezgisel olarak beklenebileceği kadar büyük değil.

Sınırlar ve dedektörlerin geleceği

Enstitü bu sonuçları ön tahmin olarak sunuyor. Ölçümler insansız bir görevde, iki mankenin içinde ve tek bir uçuşta alındı; makalenin odağı da dozdan çok, bu yeni tür dedektörlerin kozmik radyasyon ortamında nasıl okunup ayarlanacağı.

Czochralski yöntemiyle büyütülen ve IFJ PAN'da on yıl önce geliştirilip o günden bu yana iyileştirilen dedektörlerin avantajları ise açık. Santimetre değil milimetre ölçeğinde oldukları için insanların üzerinde taşıması kolay. Kimyasal aşındırmalı plastik dedektörlerden daha iyi iz çözünürlüğü sundukları için daha yüksek dozları ayırt edilebilir izlerle kaydedebiliyorlar ve çok çeşitli parçacık türlerini ve enerjileri algılayabiliyorlar. Lityum-6 izotopuyla zenginleştirilmiş sürümleri nötron dozlarını da ölçebiliyor: Nötronlar lityum çekirdekleriyle tepkimeye girip ikincil yüklü parçacıklar üretiyor ve bu parçacıklar kristalde dış radyasyon gibi iz bırakıyor.

Artemis I'in mankenleri yerini gerçek astronotlara bırakırken, Ay yolculuğundaki radyasyonu kişi başına ve vücut içinde ne kadar ayrıntılı ölçebileceğimiz sorusu güncelliğini koruyor. Krakov'daki kristaller bu soruya küçük ama somut bir yanıt adayı.