La radiación y los viajes tripulados a Marte. ¿Barrera infranqueable o riesgo asumible?

Uno de los temas que siempre salen a colación cuando se habla de los viajes tripulados a Marte es la radiación y su efecto sobre el organismo humano. En la superficie terrestre estamos protegidos por la atmósfera y el campo magnético terrestre, pero eso no ocurre si salimos de nuestro planeta. Los astronautas que viven en la estación espacial internacional (ISS) no tienen la atmósfera para protegerse, pero sí gozan de la protección de la magnetosfera de la Tierra. ¿Están condenados los futuros astronautas que viajen a Marte?¿Impedirá la radiación que salgamos de nuestro planeta?¿Te puedes convertir en uno de los 4 Fantásticos solo por ir al planeta rojo?

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La dosis de radiación diaria en la superficie de Marte es similar a la de la estación espacial (NASA).

Vayamos por partes. Primero convendría aclarar qué entendemos por radiación en el espacio. Las fuentes de radiación fuera de nuestro planeta son el Sol y los rayos cósmicos. El Sol emite radiación ionizante en forma de luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma, pero la contribución de esta parte del espectro electromagnético a la dosis de radiación de un astronauta es insignificante si este no sale de la nave o lo hace por poco tiempo (con traje espacial, claro). Lo que nos preocupa realmente es el flujo continuo de radiación en forma de partículas conocido como ‘viento solar’, un viento formado en realidad principalmente por protones y, en menor proporción, partículas alfa (núcleos de helio) e iones pesados. Las partículas del viento solar tienen una energía relativamente baja, de 1 a 10 kiloelectronvoltios (keV), y son relativamente fáciles de parar, pero de vez en cuando el Sol emite grandes cantidades de partículas mucho más energéticas (por encima de 10 MeV) y, por tanto, peligrosas. Estos sucesos se denominan SPE (Solar Particle Event), pero son más conocidos como ‘tormentas solares’.

Los SPE están asociados a las fulguraciones y a las eyecciones de masa coronal (CME), dos fenómenos muy violentos que sufre nuestra estrella esporádicamente. El segundo tipo de radiación son los rayos cósmicos o GCR (Galactic Cosmic Rays), que también están compuestos mayoritariamente por protones (en un 90%). Sin embargo, aparte de su origen, los rayos cósmicos presentan una diferencia fundamental con respecto al viento solar: la energía. Aunque su flujo es inferior al del viento solar, los rayos cósmicos pueden ser muchísimo más energéticos puesto que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz. Los protones de alta energía son peligrosos, pero los núcleos pesados —aproximadamente el 1% de los rayos cósmicos— son el verdadero monstruo a enfrentar y el principal enigma a la hora de entender el problema de la radiación en el espacio. Estos núcleos, también conocidos como iones HZE (sobre todo son núcleos de oxígeno, magnesio, carbono, silicio y hierro), son una incógnita en cuanto a sus efectos. Conocemos bastante bien las consecuencias sobre el cuerpo humano de la radiación gamma o partículas como los protones y electrones, pero no así qué daños causan estos núcleos relativistas al atravesar nuestro cuerpo. Los diferentes efectos fisiológicos según el tipo de radiación para una misma dosis se tienen en cuenta con el llamado factor de calidad, Q. Los rayos X tienen un Q igual a 1, pero para los rayos cósmicos se suelen asociar factores del orden de 3,7.

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En la futura estación Gateway los astronautas recibirían menos radiación en un mes que los astronautas que están seis meses en la ISS (NASA).

Los dos tipos de radiación se complementan en el tiempo, ya que los sucesos SPE son más frecuentes durante el máximo de actividad solar, justo cuando la mayor intensidad del campo magnético del Sol reduce el flujo de rayos cósmicos. Y viceversa: durante el mínimo solar tenemos menos SPE, pero más rayos cósmicos. Los astronautas en órbita baja están protegidos por el campo magnético terrestre, aunque los protones más energéticos de las tormentas solares y, paradójicamente, los rayos cósmicos menos energéticos sí les afectan. Otra fuente de radiación para los habitantes de la ISS es la radiación atrapada en la propia magnetosfera, los famosos cinturones de radiación de Van Allen. La estación espacial y el resto de misiones tripuladas orbitan por debajo de los cinturones principales, pero aún así sufren el choque de partículas capturadas por la magnetosfera terrestre, sobre todo al pasar por la Anomalía del Atlántico Sur, una zona de la magnetosfera con mayor flujo de partículas a la altura de la órbita de la ISS.

¿Cómo hacer frente a la radiación? En el caso del viento solar y los sucesos SPE es posible reducir la dosis de forma dramática usando el casco del vehículo espacial como blindaje. El agua y el polietileno son escudos maravillosos contra los protones, así que en el caso de que tenga lugar una tormenta solar los astronautas pueden refugiarse en las partes de la nave que tengan más equipos o módulos a su alrededor y, a ser posible, plásticos y reservas de agua. Sin embargo, para los rayos cósmicos más energéticos no hay ningún blindaje lo suficientemente grueso que nos proteja.

Rover Curiosity en el cráter Gale (NASA).
Rover Curiosity en el cráter Gale (NASA).

Hasta hace unos años solo podíamos estimar las dosis de radiación que sufriría un astronauta en un viaje a Marte, pero eso ha cambiado gracias al instrumento RAD (Radiation Assessment Detector) a bordo del rover Curiosity. Durante el trayecto hacia Marte RAD detectó un fondo de radiación continua debido principalmente a los rayos cósmicos (0,45 miligray por día) con incrementos puntuales por culpa de los SPE (cinco en el caso de Curiosity, ninguno de ellos muy intenso). En este caso los SPE incrementan la radiación recibida hasta en dos órdenes de magnitud, pero son sucesos tan esporádicos y breves que su contribución a la dosis total del viaje es de solo el 5%. De acuerdo con los datos de RAD, la dosis de radiación en un vuelo hacia Marte es de 1,7 milisieverts por día.

Localización del instrumento RAD (NASA).
Localización del instrumento RAD en Curiosity (NASA).
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Dosis de radiación medida por el experimento RAD en el camino hacia Marte. Los picos son SPE (NASA).

Esta dosis se redujo dos veces y media una vez en la superficie debido principalmente a que el planeta actúa como un enorme escudo bloqueando la mayor parte de rayos cósmicos. Si Marte no tuviera atmósfera la reducción en el flujo de radiación debería ser solo dos veces, no dos veces y media. Ese factor extra se debe a la tenue atmósfera marciana, que también bloquea parte de la radiación incidente y reduce el factor de calidad de la radiación de 3,7 a 2,6 (lo que es una buena noticia). Desde el cráter Gale el instrumento RAD ha podido comprobar de primera mano que la influencia de los SPE en la superficie marciana es mínima, mientras que la contribución de los rayos cósmicos aumentó a medida que el Sol entra en el mínimo de su ciclo de actividad. También se ha visto de primera mano que el porcentaje de cielo visible es fundamental a la hora de medir la radiación. Cuando Curiosity estuvo estacionado cerca de un acantilado la radiación captada se redujo cerca de un 10%. RAD también ha medido el aporte de los neutrones de alta energía, que es de 24 microsieverts por día, o lo que es lo mismo, solo el 5% del total.

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Reducción en la dosis de radiación medidad por RAD al aterrizar en el cráter Gale (NASA).
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Variación de la radiación medida por RAD. Cuando CUriosity estuvo cerca de un pequeño muro la radiación se redujo (NASA).

Todo esto está muy bien, ¿pero qué significa?¿Es o no es la radiación en un viaje a Marte un problema insalvable? Pues curiosamente, la conclusión es que la dosis de radiación diaria que experimentaría un astronauta en la superficie de Marte es igual a la que recibiría en la ISS, mientras que en el trayecto la dosis sería unas tres veces superior. Por lo tanto, el factor clave es la duración de la misión. Precisamente las misiones Apolo lidiaron con el problema de la radiación usando a su favor la corta duración de los viajes lunares, de tal forma que, aunque la dosis de radiación diaria que experimentaban los astronautas era mayor que en la órbita baja, la dosis total acumulada seguía siendo muy inferior a la que actualmente sufren los tripulantes de la estación espacial.

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La dosis diaria de radiación en la superficie de Marte es similar a la de la ISS (NASA).

Los astronautas pasan en la ISS un máximo de entre seis meses y un año justamente con el objetivo de no recibir demasiada radiación. La dosis acumulada en una misión de medio año oscila entre 50 y 100 milisieverts dependiendo del estado del ciclo solar. En una misión a la futura estación lunar Gateway —si finalmente es aprobada— un astronauta acumularía solamente entre 35 y 70 milisievert a pesar de estar fuera del campo magnético terrestre gracias a que la duración de la misión sería solo de un mes aproximadamente. Sin embargo, un viaje a Marte tendría una duración de entre dos y tres años (incluyendo el viaje de ida, la estancia en el planeta rojo y el viaje de vuelta), así que la dosis total sería de entre 1000 y 1300 milisieverts durante el mínimo solar. O, dicho de otra forma, a lo largo de una misión normal a la ISS una persona recibe una décima parte de la radiación que en un viaje a Marte. Puesto que hay varios astronautas que han realizado varias misiones de larga duración a la ISS —y a la Mir—, eso quiere decir que ya existen personas, como es el caso de Guennadi Pádalka, que ya han acumulado entre el 30% y casi el 50% de la dosis de una misión a Marte sin efectos adversos apreciables.

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Dosis de radiación para varias misiones tripuladas (NASA).

Los criterios médicos de la NASA consideran que el valor máximo de dosis acumulada debe ser tal que la probabilidad de que un astronauta desarrolle un cáncer a lo largo de su vida no sea superior al 3%. Recordemos que los efectos de radiación son probabilísticos y dependen de cada individuo, la edad y el sexo (las mujeres parecen ser más sensibles a la radiación por culpa de la probabilidad de desarrollar cáncer de mama). Los 1,3 sieverts de un viaje a Marte entran dentro de las máximas dosis acumuladas de radiación en diez años de servicio que la NASA permite según sus recomendaciones del año 2000. Eso sí, solo para astronautas masculinos de más de 45 años y para mujeres de más de 55 años. Y siempre que no vuelvan al espacio después de finalizar la misión, claro está. Obviamente también cabe la posibilidad de asumir un riesgo mayor de desarrollar cáncer.

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Dosis máximas de radiación permitidas por la NASA en diez años de servicio (NASA).
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A medida que se aumenta el grosor de un escudo para parar los rayos cósmicos primero se reduce, pero luego vuelve a aumentar la radiación incidente (NASA).

Por si alguien se pregunta si no se podría reforzar el blindaje antirradiación, recordemos que la principal contribución viene de los rayos cósmicos. Y los más energéticos, los más peligrosos, no se pueden parar con tecnologías ya desarrolladas. De hecho, para los rayos cósmicos se da el caso paradójico de que al aumentar el grosor del blindaje se reduce la dosis, pero si lo seguimos aumentando la dosis vuelve a aumentar por efecto de la cascada de partículas secundarias generadas al chocar los rayos más energéticos. De ahí que para los rayos cósmicos solo sea posible contentarse con un mínimo de radiación, pero no se puede anular. Por contra, sí sería posible diseñar los vehículos marcianos para reducir al máximo la radiación debida al viento solar y los SPE. Contestando a la pregunta inicial, queda claro que, aunque es un factor de riesgo muy importante, la radiación no es ni mucho menos un obstáculo insalvable para ir a Marte. Eso sí, si eres joven mejor quédate en casa.

Referencias:



118 Comentarios

  1. Muchas gracias Daniel, este articulo para mi es de los mejores, me lo guardo en local por si llega el fin del mundo … digital.

    A mi juicio, el agua es la solucion y util. Depositos para aprovecharla y rellenarlo cuando sea usada. Crear un habitaculo en el que dormir y estar todo el tiempo posible. Si ademas se puede generar un campo magnetico mejor, pero el coste energetico creo que sera contraproducente.

    Ademas los residuos se pueden emplear para la agricultura marciana.

    Lo que creo que ahora mismo se necesita son motores de alto rendimiento y generadores nucleares de fision para generar energia y alimentarlos (mas radiacion). Tengo la sensacipn de que hay los medios y la tecnologia, falta el impulso y todo se acelerara.

  2. Algo que he leido es que las radiaciones ionizantes pueden dañar el ADN de la celula de manera directa pero tambien de manera indirecta. El segundo mecanismo consiste en que en el citoplasma se producen moléculas con un numero impar de electrones denominadas radicales libres. Estas moléculas se combinan con el oxígeno del citoplasma generando un agente superoxidante que ataca el ADN. Cuando hay poco oxígeno dentro de la célula el daño al ADN y por tanto la probabilidad de cáncer disminuye enormemente. Se puede disminuir la presion del aire dentro de la nave a 0’5 atmósferas, el equivante a vivir a 5000 metros sobre el nivel del mar en Los Andes o el Himalaya. Un dosímetro de radiación detectaría automáticamente el aumento de la radiación en los momentos de más actividad del Sol y automaticamente comprimiría la mitad del aire y el oxígeno de la nave. Los astronautas se sentirian un poco mareados. El llamado mal de altura que padecen quienes holandeses que viajan a Bolivia. Transcurrida la tormenta de viento solar el aire sería descomprimido nuevamente. Los astronautas volverían a respirar como a nivel del mar y su ADN habría sufrido un daño mínimo.

  3. Desde mi punto de vista , realizar inmersiones tanto en espacio profundo como en la profundidad de los mares ( también se iba a explotar y vivir en el fondo marino en siglo XXI ) resulta aun demasiado peligroso y penoso hoy por hoy y la tecnología para ello esta aun en pelotas . La única opción que tenemos para explorar nuevos mundos , de forma económica y segura es la robotica y la inteligencia artificial (tenemos un gran ejemplo en la cassini ) . Todo ello , nos allanara el camino para colonizar Marte , que es el verdadero propósito y no el de plantar banderitas a toda pastilla . Hasta entonces , podemos entrenarnos de nuevo en la superficie lunar . P.D: a ver si de esta manera nos sale Antonio aunque sea para ponerme verde .

  4. Hay varios errores en el artículo, tanto en los cálculos de la radiación como en la interpretación de las mediciones y la valoración del peligro, lo que hace que el nivel de radiación parezca mucho más peligroso de lo que realmente es. Intentaré explicarlos punto por punto:

    1) La radiación en la superficie marciana está medida con el detector totalmente expuesto al ambiente, como se ve en las fotos. Para un astronauta sería totalmente distinto. Pasaría buena parte del día en la base (ya sea durmiendo o trabajando en el laboratorio), donde estaría mucho más protegido, tanto por la estructura de la base y su mobiliario, como por ejemplo por sacos de arena colocados en el techo. Igualmente, cuando saliera fuera estaría dentro de un traje y buena parte del tiempo también dentro de algún vehículo. Luego ese cálculo de radiación en la ISS = radiación en Marte es totalmente irreal y sobreestimado.

    2) Análogamente, el instrumento durante el viaje a Marte sólo estaba protegido por la cofia o cubierta que guardaba la Curiosity para el descenso. Una nave marciana tendría más espesor, por la cantidad de mobiliario (instrumentos y de otro tipo) que tendría. Y aparte hay que tener en cuenta que durante las tormentas solares los astronautas estarían protegidos en la despensa. Luego la equivalencia entre la radiación recibida por el RAD durante el viaje y la recibida por los astronautas es una vez más irreal y sobreestimada.

    3) Cuando el artículo entra en los cálculos concretos, una vez más sobreestima la radiación. Nada menos que en TRES OCASIONES redondea los valores al alza sin ningún motivo:

    3.a) Empieza con que la radiación en la ISS es de entre 50 y 100 msieverts por semestre, pero luego cuando calcula el equivalente para los astronautas marcianos se queda sólo con el valor superior sin ninguna justificación. Un redondeo al alza de un 33 % sobre el valor medio (75).

    3.b) Dice que las misiones durarían “entre 2 y 3 años”, cuando en realidad la cifra más común, debida a las ventanas de lanzamiento, el gasto de combustible y la seguridad del aterrizaje, es de dos años y medio (medio año en cada trayecto y año y medio de estancia). En este caso no omite la cota inferior, pero la cota superior está exagerada, lo que aumenta la sensación de inseguridad. Un redondeo del 20 % hacia arriba sobre el valor más común.

    3.c) Según las equivalencias anteriores (erróneas, pero supongamos que son ciertas) de que la radiación en Marte equivale a la de la ISS y la radiación durante el viaje es 3 veces la de la ISS, para calcular la radiación total durante la misión habría que multiplicar por 9 (2 semestres x 3 + 3 semestres x 1). Lo que nos daría un rango de entre 450 y 900. Pero, no se sabe por qué, el artículo da un rango de entre 1.000 y 1.300.

    4) Luego mezcla dos cosas que no tienen nada que ver, la radiación máxima permitida por la NASA en sus misiones y la radiación que produce cierta probabilidad de cáncer. No rebatiré cada frase de esa parte sino que daré el dato correcto: el Informe BEIR (que es el que se suele usar para estas cosas) estima que por cada sievert recibido aumenta la probabilidad de cáncer un 1 %. Luego, aun admitiendo el valor exagerado de 1,3 sieverts para la misión, eso equivaldría a un 1,3% de incremento de la probabilidad de morir de cáncer a lo largo de la vida.

    5) ¿Realmente un 1,3 % es mucho? En el artículo se compara con la dosis máxima admitida por la NASA en 10 años, que es del 3 %. Aquí creo que hay un error de valoración, ya que ése es un valor totalmente arbitrario. Tendría mucho más sentido compararlo con porcentajes de mortalidad reales, como la probabilidad de morir en el despegue (alrededor del 1 % para el Shuttle) o la mortalidad por cáncer en la población estadounidense (20 % para hombres, 25 % para mujeres). Es decir, aun con el valor generosamente redondeado al alza, la probabilidad de morir de cáncer debido a la misión (no durante la misión, que es bajísima, sino en el siguiente medio siglo) es parecida a la de morir durante el despegue y alrededor de 22 veces menor que la de morir de cáncer por otros motivos.

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Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 3 enero, 2018
Categoría(s): ✓ Astronáutica • Astronomía • Marte • NASA