Könnten riesige Magnete Astronauten vor Sonnenstürmen schützen?

Um Astronauten zum Mars oder zu noch weiter entfernten Zielen zu schicken, muss eine ebenso komplexe wie unvermeidbare Herausforderung bewältigt werden: die langfristige Einwirkung von Weltraumstrahlung. Außerhalb der Erde, wo das Magnetfeld und die Atmosphäre des Planeten natürlichen Schutz bieten, sind Menschen einer lebensfeindlichen Umgebung ausgesetzt, die das Nervensystem schädigen, das Krebsrisiko erhöhen und den Verfall verschiedener Körpergewebe beschleunigen kann.

Seit Jahren prüfen Ingenieure verschiedene Strategien, um dieses Risiko zu verringern. Einer der gängigsten Ansätze besteht darin, das Raumfahrzeug mit Materialien zu umgeben, die einen Teil der Strahlung absorbieren können, wie beispielsweise Aluminium, Polyethylen oder sogar Wasser. Diese Lösung hat jedoch einen offensichtlichen Nachteil: das enorme Zusatzgewicht, das ins All befördert werden muss, was die Kosten jeder Mission erheblich in die Höhe treibt.

Eine weitere Alternative, die auf großes Interesse gestoßen ist, ist der Einsatz von supraleitenden Magneten, die ein starkes Magnetfeld um das Raumfahrzeug erzeugen können, um geladene Teilchen abzulenken. Diese Systeme erfordern jedoch eine konstante Stromversorgung und komplexe kryogene Kühlmechanismen. Ein Ausfall einer dieser Komponenten könnte dazu führen, dass die Besatzung völlig ungeschützt wäre.

Auf Permanentmagnete setzen

Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat eine Gruppe von Forschern aus Italien und Deutschland einen Kompromiss vorgeschlagen: die Verwendung von Permanentmagneten, um eine magnetische Abschirmung zu erzeugen, ohne Strom zu verbrauchen.

Die Studie, die als Preprint auf arXiv veröffentlicht wurde, untersucht, ob eine Anordnung von Neodym-Eisen-Bor-Magneten (NdFeB), die aufgrund ihrer starken magnetischen Eigenschaften weit verbreitet sind, einen Teil der bei einem Sonnensturm freigesetzten geladenen Teilchen ablenken könnte – einer der größten Gefahren für bemannte Weltraummissionen.

Um diese Idee zu überprüfen, entwickelten die Forscher ein theoretisches Modell, das aus einer Anordnung von 1.482 kubischen Magneten bestand, von denen jeder an jeder Seite nur 3 Zentimeter (1,2 Zoll) maß. Die gesamte Anordnung erstreckte sich über eine Fläche von etwa einem Quadratmeter und wog weniger als 300 Kilogramm (660 Pfund) – deutlich weniger als eine vergleichbare passive Strahlungsabschirmung.

Vielversprechende Ergebnisse, jedoch mit wesentlichen Einschränkungen

Die Simulationen zeigten, dass das System etwa 20 % der Sonnenpartikel mit Energien zwischen 0,1 und 10 MeV erfolgreich ablenkte. Auch wenn dieser Prozentsatz zunächst bescheiden erscheinen mag, bedeutet er doch eine erhebliche Reduzierung der Strahlung mit niedrigerer Energie – also genau der Art von Strahlung, bei deren Ablenkung Permanentmagnete am wirksamsten waren.

In der Praxis wirkt der Schutzschild wie ein Filter. Teilchen mit niedrigerer Energie ändern ihre Richtung, wenn sie das Magnetfeld durchqueren, während Protonen mit höherer Energie nahezu unbeeinträchtigt hindurchgehen.

Dieses Verhalten macht deutlich, dass die Technologie keine Komplettlösung darstellt, sondern vielmehr eine mögliche Ergänzung innerhalb eines umfassenderen Strahlenschutzsystems ist.

Die galaktische kosmische Strahlung bleibt die größte Herausforderung

Der größte Nachteil besteht darin, dass diese Art von Abschirmung gegen galaktische kosmische Strahlung, eine der gefährlichsten Komponenten der Weltraumumgebung, praktisch wirkungslos ist.

Die Forscher warnen zudem vor einer weiteren möglichen Nebenwirkung. Wenn hochenergetische Protonen direkt auf die Magnete treffen, können sie Sekundärstrahlung wie Neutronen oder Gammastrahlen erzeugen. Unter bestimmten Bedingungen könnte dieses Phänomen die Strahlenbelastung lokal erhöhen, anstatt sie zu verringern.

Es gibt noch einen weiteren Grund zur Sorge: Permanentmagnete verlieren im Laufe der Zeit nach und nach einen Teil ihrer Magnetisierung. Dieser Leistungsabfall würde die Schutzfähigkeit des Systems bei Langzeitmissionen stetig verringern.

Ein weiteres Puzzleteil zum Schutz künftiger Astronauten

Trotz dieser Einschränkungen sind die Autoren der Ansicht, dass das Konzept einer weiteren Untersuchung wert ist. Anstatt bestehende Technologien zu ersetzen, könnten Permanentmagnete Teil eines Hybridsystems werden, das physikalische Abschirmung, supraleitende Magnetfelder und diese neue Art des passiven Schutzes kombiniert.

Im nächsten Schritt werden wesentlich komplexere Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt, um zu untersuchen, wie sich das System in einer realistischen Weltraumumgebung verhalten würde, in der Teilchen aus verschiedenen Richtungen und mit einem breiten Energiespektrum eintreffen.

Es ist noch ein langer Weg, bis ein Raumschiff auf dem Weg zum Mars einen solchen Strahlenschutz mitführt. Dennoch könnte jede Technologie, die die Strahlenbelastung der Astronauten – wenn auch nur teilweise – verringern kann, entscheidend dazu beitragen, dass zukünftige bemannte Missionen in den tiefen Weltraum Wirklichkeit werden.