Ser astronauta no es fácil. Aunque hoy en día se trata de una profesión mucho menos peligrosa que en el pasado, los hombres y mujeres dedicados a la conquista del espacio saben que existen muchas cosas que podrían ir mal durante una misión. Pero de entre todos los peligros hay uno que suele pasar desapercibido y que sin embargo está presente en cada misión. Nos referimos a la radiación.

Una violenta eyección de masa coronal en el Sol genera un chorro de partículas energéticas que pueden matar a un astronauta (ESA/NASA).

Todos los astronautas reciben importantes dosis de radiación durante el transcurso de un vuelo espacial. Aunque no constituye un obstáculo importante para misiones de corta duración, la radiación se convierte en un inmenso problema si queremos vivir en el espacio de forma indefinida o viajar por el Sistema Solar. De hecho, para muchos es el problema de la exploración espacial por excelencia. Uno podría pensar que después de varias décadas estudiando los efectos de la radiación en el ser humano somos capaces de predecir con precisión el impacto de la radiación espacial en el ser humano. Pues no. Ni de lejos. Lo cierto es que desconocemos muchos de sus efectos a largo plazo.

En los orígenes de la era espacial, la radiación era una de las mayores preocupaciones de los científicos. Muchos pensaban que cualquier ser humano que se aventurase más allá de la atmósfera terrestre sería víctima de dosis de radiación mortales que lo matarían instantáneamente o, quizás, lo convertirían en una especie de monstruo mutante. Las primeras misiones espaciales demostraron la existencia de un flujo constante de partículas energéticas en el espacio, pero al mismo tiempo se pudo comprobar que las dosis no eran letales. Por si acaso, varios animales viajaron al espacio antes de que ningún hombre fuese puesto en órbita. Como ninguno de ellos presentó daños por radiación ni se convirtió en un engendro mutante, se consideró que los viajes espaciales tripulados eran seguros.

Casi quinientos hombres y mujeres han viajado al espacio en los últimos cincuenta años, demostrando que la radiación espacial no es letal. Y, sin embargo, ahí está.

A la hora de efectuar una actividad extravehicular (EVA) se tiene en cuenta el nivel de radiación (NASA).

La radiación en el espacio

A diferencia de los que mucha gente piensa, el espacio cercano a la Tierra no es un lugar «vacío» e inmaculado, sino que está repleto de todo tipo de partículas. Algunas de estas partículas tienen la energía suficiente para causar daños en nuestro organismo y romper el ADN de nuestras células. Y todos sabemos lo que eso significa: cáncer. La radiación ionizante a la que se ve sometido un astronauta tiene tres orígenes posibles: el Sol, los rayos cósmicos y los cinturones de radiación terrestres. Repasemos brevemente las características de cada fuente de radiación espacial.

La radiación daña el material genético de nuestras células.

El Sol

El Sol no es un astro estático, sino que expulsa continuamente material desde su superficie. Este flujo de partículas recibe el nombre de viento solar, aunque se trata de una denominación que puede llevar a confusión. El viento solar es en realidad un plasma, es decir, un flujo de partículas cargadas con un campo magnético asociado, lo que reviste gran importancia a la hora de analizar sus efectos en la salud. Está formado principalmente por núcleos de hidrógeno (protones) y helio (partículas alfa), los elementos más abundantes de nuestra estrella y del Universo. También hay una pequeña proporción de núcleos pesados, pero nada espectacular. Si fuera sólo por el viento solar, el Sol no supondría ningún peligro para los astronautas.

Viento solar en función de la latitud solar (NASA/ESA).

El problema es que el Sol escupe de vez en cuando grandes cantidades de partículas altamente energéticas. Estas «tormentas solares» reciben el nombre de Sucesos de Partículas Solares o SPE (Solar Particle Events) y su origen es bastante complejo. Simplificando mucho podemos decir que los SPE se crean a partir de las interacciones del campo magnético solar y están asociados con otros dos fenómenos solares muy violentos: las fulguraciones (flares) y las eyecciones de masa coronal (Coronal Mass Ejections, CME). Los SPE están formados principalmente por protones con energías de unos cuantos centenares de megaelectronvoltios (MeV) como máximo, además de unas cuantas partículas alfa y algún que otro núcleo pesado.

Eventos SPE en los últimos años (NASA).

Los efectos de un SPE en el cuerpo humano son mucho peores que los ocasionados por el viento solar. Y mucho. Digamos que no te gustaría estar en el espacio exterior sin protección durante un suceso así, a no ser que quieras ser irradiado con dosis potencialmente letales (1-4 Sv). Por fortuna, los SPE son muy raros. Nuestra estrella emite uno o dos SPE importantes cada once años y sólo el 20% llega a afectar al Sistema Tierra-Luna. Aunque son impredecibles, el Sol tiene más probabilidades de generar un SPE cuando está cerca del máximo de su ciclo de actividad de once años. Una vez desatados, tardan entre doce horas y dos días en llegar a la órbita de la Tierra, lo que suele ser tiempo más que suficiente para alertar a los astronautas si se dispone de una red de detección adecuada.

Rayos Cósmicos

Dotados de un nombre misterioso, los rayos cósmicos o GCR (Galactic Cosmic Rays) son partículas que se originan en los rincones más exóticos de nuestra galaxia. La mayoría fueron creados hace millones de años por alguna explosión de supernova o en el disco de acreción de un agujero negro y han recorrido miles de años luz antes de llegar a nuestro Sistema Solar.

A diferencia del viento solar, sus energías son muy variables, pero lo que nos interesa es que pueden alcanzar hasta 10 GeV por nucleón, entre diez y veinte veces más que un protón emitido por el Sol. Esto significa que algunas partículas se mueven casi a la velocidad de la luz. La mayoría de rayos cósmicos también son protones (90%) y partículas alfa (8%), pero aproximadamente un 2% son núcleos pesados. Como veremos, ese 2% resulta especialmente problemático de cara a los vuelos espaciales tripulados. Eso sí, el número de rayos cósmicos por unidad de tiempo -es decir, el flujo- es muy inferior al del viento solar o los protones de los SPE, lo que minimiza enormemente su peligrosidad. Afortunadamente, un gran número de rayos cósmicos son desviados por los campos magnéticos del Sol y de la Tierra.

Modulación del flujo de rayos cósmicos según el ciclo de actividad solar. Se aprecia que en LEO el flujo es muy bajo gracias a la magnetosfera (NASA).

Cinturones de radiación

Estrictamente hablando, los cinturones no son una «fuente» de radiación propiamente dicha, ya que están formados por partículas energéticas atrapadas en el campo magnético de nuestro planeta. El origen de estas partículas son los rayos cósmicos o el viento solar, lo que explica que la mayoría sean protones con energías máximas de unos pocos centenares de MeV. Otros cinturones de radiación están formados por electrones, pero éstos son menos peligrosos. La forma e intensidad de los cinturones de radiación varía con el ciclo de actividad solar, pero la mayor parte de protones se encuentra en un anillo que presenta una densidad máxima a los 6000 kilómetros de altura.

Cinturones de radiación terrestres.

En principio basta con mantenerse en órbitas por debajo de los 500 kilómetros de altura si queremos evitar los efectos de los cinturones de radiación. Lamentablemente, el campo magnético de nuestro planeta presenta una distorsión que permite la penetración de los protones del cinturón de radiación a alturas inferiores sobre una región situada frente a las costas de Brasil (35º S y 35º O). Esta región recibe el apropiado nombre de «Anomalía del Atlántico Sur» (SAA, South Atlantic Anomaly) y afecta a todas las misiones espaciales tripuladas cuya inclinación orbital sea superior a los 30º, como es el caso de la estación espacial internacional (ISS). La mayor parte de la radiación recibida por los tripulantes de la ISS se debe a esta anomalía.

Niveles de radiación en órbita baja. Se aprecia la Anomalía del Atlántico Sur (NASA/JAXA).

La magnetosfera terrestre nos protege de los rayos cósmicos y los SPE (NASA).

En cierto modo, parece como si el Universo conspirase para evitar que los astronautas se puedan defender de la radiación. Si nos limitamos a las misiones en órbita baja terrestre (LEO), el campo magnético de la Tierra nos protegerá de los SPE y los rayos cósmicos, pero deberemos sufrir los efectos de los cinturones de radiación. Por el contrario, las misiones fuera de la Tierra deberán resistir el envite de los SPE y rayos cósmicos. Durante el mínimo de actividad solar las probabilidades de sufrir un SPE son mínimas, pero a cambio disminuye la intensidad del campo magnético solar y se dobla el número de rayos cósmicos que llegan al interior del interior del Sistema Solar.

Distribución del flujo del cinturón de protones (NASA).

El flujo de los distintos tipos de partículas de la radiación espacial en función de su energía. Por suerte, las partículas más energéticas son también las que presentan un flujo menor (NASA).

Dosis y efectos

¿Cómo medir las dosis de radiación? En el Sistema Internacional de unidades se utiliza el gray (Gy) para medir la dosis absorbida de radiación, unidad que sustituye al tradicional rad (1 Gy = 100 rad). Una radiación de un gray deposita un julio (1 J) de energía en un kilogramo de materia. No todos los tipos de radiaciones tienen el mismo poder de penetración, así que la dosis absorbida depende fuertemente de la naturaleza de las partículas incidentes.

Si lo que nos interesa es medir los efectos de la radiación en el ser humano, la dosis absorbida no es una magnitud especialmente útil, ya que los efectos de la radiación varían según el tipo de órganos irradiados. Por eso empleamos el concepto de dosis equivalente, que es similar a la dosis absorbida pero corregida para tener en cuenta los daños en el tejido vivo. Su unidad es el sievert (Sv, 1 Sv = 100 rem). Como es sabido, los efectos de la radiación son estocásticos. Una bonita manera de decir que no existe una dosis mínima que pueda causar daños. A priori, cualquier dosis de radiación es capaz de provocar cáncer, aunque obviamente la probabilidad dependerá de la dosis. De ahí viene el pánico que provoca la mera mención de la palabra «radiación», pero no debemos olvidar que todos estamos sometidos a fuentes naturales de radiación. Una persona suele recibir a lo largo de un año una dosis de unos 3,6 milisievert (mSv) -es decir, 0,0036 Sv- por causas naturales. Entre ellas, los rayos cósmicos. Por otro lado, tan importante como la dosis es el tiempo de exposición. Decir que una persona ha sufrido una dosis de 1 mSv no significa nada si no especificamos la duración de la irradiación.

La gran mayoría de astronautas ha viajado a la órbita baja terrestre (LEO), donde predominan los efectos debidos a los cinturones de radiación. Las dosis en LEO dependen por tanto de la actividad solar. Dentro de la ISS suelen mantenerse en el rango de 0,4-1,1 mSv al día, incluyendo los efectos del blindaje. Las expediciones de larga duración permanecen seis meses en órbita, así que la dosis equivalente alcanza valores de 70-500 mSv al año.

Dosis de radiación diarias recibidas en varias misiones. Los puntos verdes son las misiones Apolo. Se puede ver como las misiones en LEO con alturas e inclinaciones elevadas pueden sufrir dosis de radiación similares a las del Apolo (NASA).

¿Y esto es mucho o poco? Pues digamos que es bastante. La legislación en EEUU y otros países como España limita en 50 mSv la dosis anual máxima que puede recibir un trabajador en un ambiente sometido a radiación, aunque normalmente no se suelen superar los 2 mSv/año en estos puestos de trabajo. Hay otras profesiones más «convencionales» que también están expuestas a la radiación. Por ejemplo, los pilotos de avión que vuelan en trayectos intercontinentales pueden recibir 1-5 mSv/año por culpa de los rayos cósmicos. La NASA decidió en 2000 revisar a la baja las dosis máximas que podía recibir un astronauta en el curso de su carrera, de tal modo que la probabilidad de sufrir un cáncer mortal a lo largo de su vida por culpa de la radiación no supere el 3%.

Dosis de radiación máximas para la NASA.

Como vemos, las dosis permitidas aumentan con la edad. Las mujeres presentan un mayor riesgo de sufrir cáncer debido a las glándulas mamarias, de ahí que las dosis máximas sean menores que en el caso de los hombres. ¿Son seguras estas dosis? Por ahora, no lo sabemos. El número de astronautas no es lo suficientemente alto para que los datos sean significativos desde el punto de vista estadístico. Además, el problema es que estas dosis se han establecido apartir de los datos obtenidos por exposiciones a los rayos gamma o rayos X, pero conocemos muy poco sobre los efectos de los núcleos pesados en el organismo humano. Estos núcleos constituyen una parte fundamental de los rayos cósmicos y resulta muy difícil reducir sus efectos, a diferencia de lo que sucede con los SPE. Lamentablemente, los datos disponibles sugieren que los tumores generados por la acción de los núcleos pesados son más agresivos y tienden a aparecer antes.

Algunas dosis diarias en varias misiones espaciales. 

Dosis máximas por astronauta a lo largo de la carrera espacial (NASA).

Comparación entre las dosis recibidas por astronautas que realizan EVAs en órbita baja y los que no. No se aprecian grandes diferencias (NASA).

Detectores de radiación en la ISS (NASA).

¿Cómo defendernos de la radiación?

Aunque suene a perogrullo, la mejor defensa es realizar vuelos espaciales de corta duración. Esta sencilla técnica permitió limitar la dosis recibida por los astronautas de las misiones Apolo a pesar de que viajaron fuera de la protección de los cinturones de radiación. Las probabilidades de que tenga lugar un SPE en una misión de unos pocos días es mínima. Es lo que se denomina «protección estadística».

No obstante, en el caso de una misión a Marte no nos queda más remedio que lidiar con estos inconvenientes. A no ser que utilicemos métodos de propulsión revolucionarios, la duración de un viaje al planeta rojo es lo suficientemente larga como para sufrir fácilmente uno o dos SPE durante el transcurso de la misión. Por si fuera poco, los rayos cósmicos -prácticamente insignificantes en los vuelos orbitales- cobran una enorme relevancia en estas misiones interplanetarias de larga duración.

Las misiones Apolo no sufrieron grandes dosis de radiación gracias a su corta duración (NASA).

Las misiones a Marte se dividen en dos tipos: conjunción y oposición. Las misiones de conjunción incluyen una larga estancia en la superficie (300-600 días) y un viaje de ida de 150-250 días (la duración depende de la posición relativa de los planetas). Las misiones de oposición contemplan estancias cortas, de sólo 20-60 días, y tempos de viaje de 100-400 días. Los efectos de la radiación serían menores en el caso de las misiones de conjunción, ya que durante la estancia en Marte se reducirían considerablemente las dosis gracias a la masa del planeta y su tenue atmósfera.

Dosis de radiación en la superficie marciana debidas a los rayos cósmicos. Las regiones más altas son las menos protegidas, al estar situadas fuera de la atmósfera (NASA).

Por lo tanto, es obvio que una nave marciana debería estar dotada de un «refugio» especial para proteger a los astronautas de los SPE. Los materiales que mejor frenan la radiación formada por protones son aquellos con elementos de bajo número atómico, como el hidrógeno. Pero nos quedan los núcleos pesados de los rayos cósmicos. Y aquí está el problema. Los núcleos pesados provenientes de los rayos cósmicos se mueven a velocidades relativistas, así que cuando chocan con la estructura metálica de una nave espacial generan una cascada de partículas secundarias, incluyendo neutrones, partículas alfa y mesones. Estas partículas secundarias constituyen una fuente de radiación adicional muy preocupante. Como resultado, en ocasiones la estructura de acero o aluminio de una nave espacial no disminuye la dosis de radiación, sino que la aumenta.

Por lo tanto, el empleo de varias capas de polietileno (hidrocarburo rico en  hidrógeno) y agua se cree que es la mejor forma de proteger a los tripulantes de una nave, al menos en el caso de los SPE. Otra opción sería incluir un blindaje activo mediante campos magnéticos o electrostáticos. Sin embargo, este sistema consume mucha energía, haciendo necesario el empleo de reactores nucleares o gigantescos paneles solares. Además, tampoco ofrece una protección total contra los núcleos pesados más energéticos.

Blindaje contra la radiación según materiales de diferente densidad (NASA).

Efectividad de varios blindajes de prueba en dos misiones del shuttle (NASA).

Efecto sobre las dosis de radiación al usar varios blindajes (NASA).

Propuesta de blindaje electrostático para una base lunar (NASA).

Sin blindajes activos, la dosis de radiación en un viaje a Marte sería de uno o dos sievert como mínimo, claramente por encima de los límites actuales de la NASA. Con estas cifras en mente, no sería de extrañar que el primer ser humano en pisar el planeta rojo sea un hombre mayor de sesenta años.

En definitiva, la radiación en el espacio no ha resultado ser un obstáculo para alcanzar la órbita terrestre. Pero si en el futuro queremos vivir en otros planetas, no nos queda otra opción que aprender a protegernos de este enemigo invisible.