(Bildnachweis: NASA/Goddard Space Flight Center)
Die NASA hat den Mond ins Visier genommen und will bis 2026 Astronauten auf die Mondoberfläche schicken und bis zu den 2030er Jahren eine langfristige Präsenz dort aufbauen. Aber der Mond ist nicht gerade ein bewohnbarer Ort für Menschen.
Kosmische Strahlen von fernen Sternen und Galaxien und energetische Partikel von der Sonne bombardieren die Oberfläche, und die Exposition gegenüber diesen Partikeln kann ein Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen.
Sowohl die galaktische kosmische Strahlung als auch die energetischen Teilchen der Sonne sind hochenergetische Teilchen, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Während die galaktische kosmische Strahlung in einem relativ gleichmäßigen Strom auf den Mond trifft, können energetische Teilchen in großen Ausbrüchen von der Sonne kommen. Diese Teilchen können in menschliches Fleisch eindringen und das Krebsrisiko erhöhen.
Die Erde hat ein Magnetfeld, das einen Schutzschild gegen hochenergetische Teilchen aus dem Weltraum bildet. Aber der Mond hat kein Magnetfeld, so dass seine Oberfläche anfällig für den Beschuss durch diese Teilchen ist.
Bei einem großen Ereignis mit energiereichen Teilchen der Sonne könnte die Strahlungsdosis, die ein Astronaut in seinem Raumanzug erhält, das 1.000-fache der Dosis betragen, die jemand auf der Erde erhält. Das würde die empfohlene Lebenszeitgrenze eines Astronauten um das 10-fache überschreiten.
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Das 2017 gestartete Artemis-Programm der NASA hat zum Ziel, erstmals seit 1972 wieder eine menschliche Präsenz auf dem Mond zu etablieren. Meine Kollegen und ich im CLEAR-Zentrum der University of Michigan, dem Center for All-Clear SEP Forecast, arbeiten an der Vorhersage dieser Teilchenauswürfe aus der Sonne. Die Vorhersage dieser Ereignisse kann zum Schutz künftiger Artemis-Besatzungsmitglieder beitragen.
Die Mitglieder der NASA-Astronauten-Klasse 2017 sind (von oben links) Matthew Dominick, Kayla Barron, Warren Hoburg, Josh Kutryk, Bob Hines, Frank Rubio, Jenni Sidey-Gibbons, Jasmin Moghbeli, Jessica Watkins, Raja Chari, Jonny Kim, Zena Cardman und Loral O’Hara. (Bildnachweis: NASA/Bill Stafford)
Ein 11-jähriger Sonnenzyklus
Dem Mond droht im Jahr 2024 eine gefährliche Strahlung, da sich die Sonne dem Höhepunkt ihres 11-jährigen Sonnenzyklus nähert. Dieser Zyklus wird durch das Magnetfeld der Sonne bestimmt, dessen Gesamtstärke sich alle 11 Jahre dramatisch verändert. Wenn sich die Sonne ihrem Aktivitätsmaximum nähert, kann es jedes Jahr zu bis zu 20 großen Ereignissen mit energiereichen Sonnenpartikeln kommen.
Sowohl Sonneneruptionen, d. h. plötzliche Ausbrüche elektromagnetischer Strahlung aus der Sonne, als auch koronale Massenauswürfe, d. h. Ausstöße großer Mengen von Materie und Magnetfeldern aus der Sonne, können energetische Teilchen erzeugen.
Die Sonne wird ihr Maximum voraussichtlich im Jahr 2026 erreichen, dem angestrebten Startzeitpunkt für die Artemis-3-Mission, die eine Astronautencrew auf der Mondoberfläche landen soll.
Während Forscher den Zyklus der Sonne verfolgen und Trends vorhersagen können, ist es schwierig abzuschätzen, wann genau die einzelnen Ereignisse mit energiereichen Teilchen in der Sonne auftreten und wie intensiv sie sein werden. Künftige Astronauten auf dem Mond werden ein Warnsystem benötigen, das diese Ereignisse genauer vorhersagt, bevor sie eintreten.
Vorhersage von Sonnenereignissen
Im Jahr 2023 finanzierte die NASA ein auf fünf Jahre angelegtes Exzellenzzentrum für Weltraumwetter namens CLEAR, das die Wahrscheinlichkeit und Intensität von Ereignissen mit energiereichen Sonnenpartikeln vorhersagen soll.
Im Moment können die Meteorologen des Space Weather Prediction Center der National Oceanic and Atmospheric Administration, das für die Beobachtung von Sonnenereignissen zuständig ist, erst dann eine Warnung für ein bevorstehendes Ereignis mit energiereichen Sonnenpartikeln aussprechen, wenn sie tatsächlich eine Sonneneruption oder einen koronalen Massenauswurf feststellen. Diese werden durch Beobachtung der Sonnenatmosphäre und Messung der Röntgenstrahlung, die von der Sonne ausgeht, festgestellt.
Wenn ein Meteorologe eine Sonneneruption oder einen koronalen Massenauswurf feststellt, erreichen die hochenergetischen Teilchen die Erde normalerweise in weniger als einer Stunde. Aber Astronauten auf der Mondoberfläche bräuchten mehr Zeit, um Schutz zu suchen. Mein Team bei CLEAR will Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe vorhersagen, bevor sie passieren.
Das Magnetfeld der Sonne ist unglaublich komplex und kann sich während des gesamten Sonnenzyklus verändern. Auf der linken Seite hat das Magnetfeld zwei Pole und sieht relativ einfach aus, während sich das Magnetfeld auf der rechten Seite, später im Sonnenzyklus, verändert hat. Wenn das Magnetfeld der Sonne so aussieht wie in der Abbildung rechts, kommt es häufiger zu Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center/Bridgman, CC BY)
Die Wissenschaftler wissen zwar nicht genau, was die Ursachen für diese Sonnenereignisse sind, aber sie wissen, dass das Magnetfeld der Sonne einer der Hauptfaktoren ist. Insbesondere untersuchen sie die Stärke und Komplexität des Magnetfelds in bestimmten Regionen der Sonnenoberfläche.
Im CLEAR-Zentrum werden wir das Magnetfeld der Sonne mit Hilfe von Messungen boden- und weltraumgestützter Teleskope überwachen und maschinelle Lernmodelle erstellen, die Sonnenereignisse vorhersagen – hoffentlich mehr als 24 Stunden, bevor sie eintreten.
Mit dem bei CLEAR entwickelten Vorhersagerahmen hoffen wir auch vorhersagen zu können, wann der Teilchenfluss wieder auf ein sicheres Niveau sinkt. Auf diese Weise werden wir in der Lage sein, den Astronauten mitzuteilen, wann es sicher ist, ihre Unterkunft zu verlassen und ihre Arbeit auf der Mondoberfläche fortzusetzen.
