NASA’nın Artemis I Görevi, Ay Yakınında Sürpriz Radyasyon Seviyelerini Ortaya Çıkarıyor

2022’nin sonbaharında ve kışının başında, mürettebatısız Artemis I görevi sırasında Orion, içine iki insan biçimli maket içine gömülen 10.000’den fazla minik kristali taşıyarak Ay’ın etrafında döndü. Bu aygıtlar yolculuğun tamamında radyasyon maruz kalını kayıtladı. Bunların arasında Kraków’daki Polonya Bilimler Akademisi Nükleer Fizik Enstitüsü’nden (IFJ PAN) bilim insanlarının geliştirdiği birkaç düzine deney florasan lityum florür dedektörü de vardı. Araştırmacılar şimdi bu kristallerde depolanan bilgileri analiz etmek için yeni bir yöntem açıkladı ve hem kozmik radyasyon düzeyleri hem de dedektörlerin performansı hakkında bilgi verdi. Bulgular, Radiation Measurements adlı dergide yayımlandı.

“Enstitümüzde geliştirilen, lityum florüre dayalı florasan radyasyon doz dedektörleri pasif niteliktedir. Başka bir deyişle, fotoğraf filmi gibi çalışırlar: Kristaller radyasyon maruz kalındıktan sonra, bireysel parçacıkların bıraktığı izler mikroskop altında optik olarak analiz edilmelidir,” diyor makalenin ortak yazarlarından biri olan Prof. Pawel Bilski (IFJ PAN).

Minik Kristaller Kozmik Radyasyonu Nasıl Tespit Eder

Lityum florür dedektörleri, radyasyonun yol açtığı mikroskobik değişimleri yakalayarak çalışır. Elektriksel açıdan yüklü parçacıklar bir kristalın içinden geçtiğinde, kristalin iç atomik yapısını bozarak renk merkezleri adı verilen kusurlar oluşturur. Bilim insanları daha sonra kristali mavi ışıkla aydınlatabilir ve bu değişmiş bölgelerin kırmızı parlaması sağlanır. Bu floresansı mikroskop altında inceleyerek araştırmacılar, bireysel radyasyon parçacıklarının izlediği yolları belirleyebilir.

Dedektörler, Artemis I sırasında yürütülen MARE (Matroshka AstroRad Radyasyon Deneyi) çalışmasının bir parçasıydı. İçinde yüksek konsantrasyonda lityum-7 izotopu bulunanlar da dahil olmak üzere, her iki maketin içine birkaç düzine deney lityum florür dedektörü yerleştirildi. IFJ PAN’ın katkısı bu deney aygıtlarıyla sınırlı kalmadı. Enstütünün bilim insanları, radyasyon maruz kalını farklı bir teknikle ölçen neredeyse 600 termolüminesent kristal dedektörü de sağladı.

Yeni lityum florür dedektörlerinin sağladığı büyük avantajlardan biri, radyasyon izlerini inceleme sürecini basitleştirmesidir. Plastikten yapılan geleneksel pasif dedektörler, bilim insanlarının gelen parçacıkların bıraktığı izleri incelemesinden önce kimyasal kazıma işlemine tabi tutulmalıdır. Lityum florür kristalleri bu adımı ortadan kaldırarak araştırmacıların izleri standart bir floresan mikroskobu ile doğrudan incelemesini sağlar.

Bu nedenle, Ay yakınında toplanan radyasyon izlerini gözlemek nispeten kolaydı. Daha zorlu görev, bu izlerin radyasyon maruziyeti hakkında tam olarak ne ortaya koyduğunu belirlemekti. Güvenilir sayısal ölçümler elde etmek için ekip, gelişmiş kalibrasyon ve analiz teknikleri geliştirmek zorunda kaldı.

Neden Derin Uzay Radyasyonu Ölçmek Bu Kadar Zordur

Laboratuvarın kontrol altında koşullarının aksine, kozmik radyasyon son derece öngörülemez. Tipik bir fizik deneyinde araştırmacılar, belirli bir enerji ve yöne sahip, bilinen bir parçacık türünden oluşan bir demetle dedektörü maruz bırakabilir. Uzayda ise radyasyon her yönden gelir ve muazzam bir enerji aralığında hareket eden çok farklı parçacıklar ve atom çekirdekleri içerir.

Bu karmaşıklık, mikroskobik izlerin yorumlanmasını zorlaştırır. Gelen parçacıklar kristallere farklı açılarla çarptığı için izleri birden fazla yöne doğru uzanır. Bir mikroskop, her izin odak düzlemi içindeki bölümünü (yaklaşık bir mikrometre boyutunda) yakalar, ancak aynı zamanda dar bölgenin dışındaki kısımlardan bulanık bir parıltı da kaydeder. Bu ek ışık, bilim insanlarının bir parçacığın maddeyi ne kadar yoğun iyonlaştırdığını tahmin etmek için kullandığı ölçülen floresan yoğunluğunu etkiler.

Farklı parçacıklar ayrıca oldukça farklı iz desenleri oluşturur. Güçlü iyonlaşma yapanlar, keskin ve tanımlı çizgiler bırakırken, daha zayıl iyonlaşma yapanlar saçılmış, kopuk noktalar olarak görünebilir. Bu farklar, floresan ölçümlerini anlamlı radyasyon verilerine dönüştürme görevini daha da zorlaştırır.

Bu zorlukları aşmak için araştırmacılar birkaç düzeltme uyguladı ve istenmeyen arka plan sinyallerini temizleyebilen bir yazılım geliştirdi. Geliştirilen analiz, ölçümlerini yerleşik dedektör teknolojilerinin sonuçlarıyla yakın uyuma getirdi; aynı zamanda daha eski cihazların tespit edemediği radyasyon olaylarını da ortaya çıkardı.

“Bir dizi düzeltme uyguladıktan ve ölçümleri bozan arka planı uygun şekilde temizleyen bir yazılım geliştirdikten sonra, sonuçlarımız enerji birikimi değerlerinin tüm örtüşen aralığında, konvansiyonel iz dedektörleriyle elde edilen sonuçlardan en fazla %15 farklıydı. Ayrıca, bugüne kadar kullanılan dedektörlerin tespit eşiğinin altında enerji birikimlerine karşılık gelen çok sayıda parçacık izi de kaydettik,” diye vurguladı Prof. Bilski.

Artemis I, Ay Çevresinde Sürpriz Bir Radyasyon Farkı Ortaya Çıkarıyor

Artemis I ölçümleri, araştırmacıların Ay çevresindeki radyasyon maruziyetini, Uluslararası Uzay İstasyonu’nda gerçekleştirilen daha eski bir deneyin bulglarıyla karşılaştırmalarına da olanak tanıdı.

Artemis I’den daha bir önceki yıllarda MATROSHKA deneyi, uzay istasyonundaki insan biçimli mankenler kullanarak radyasyon maruziyetini inceldi. Bu görev sırasında kaydedilen radyasyonun bir kısmı, Dünya’ın Van Allen radyon kuşaklarında hapsolan düşük enerjili protonlardan geliyordu. Bu parçacıklar mankenlerin içine ilerledikçe, farklı derinliklerde enerji biriktirerek düzensiz bir radyasyon dozu dağılımı oluşturdu.

Ay çevresindeki koşullar belirgin biçimde farklıdır. Van Allen kuşakları Ay ortamına uzanmadığı için, orada karşılaşılan radyasyon, galaksinin başka yerlerinden gelen yüksek enerjili parçacıklardan daha büyük bir katkı içerir.

Bu galaktik parçacıklar, insan vücudunun tamamından geçecek kadar enerji taşır ve geçerken yalnızca enerjilerinin bir bölümünü serbest bırakır. Sonuç olarak, Artemis I dedektörleri, daha önceki uzay istasyonu deneyinde gözlemlenen düzensiz örüntülerin aksine, mankenlerin neredeyse tümünde neredeyse eşit dağılmış radyasyon dozları kaydetti.

Araştırmacılar, ilk bakışta mantığa aykırı gelen bir bulgu daha belirledi. Ay çevresindeki astronotlar, düşük yörüngedeki astronotlara göre daha fazla radyasyona maruz kalsa da, bu fark varsayılacağı kadar dramatik değil.

“Düşük enerjili protonlar, gezegenimizin manyetik alanı tarafından Van Allen kuşakları içinde hapsedilir ve düşük yörüngedeki astronotların aldığı radyasyon dozunun büyük bölümünü açıklayabilir. Ay’ın yakınında bu önemli katkı ortadan kalkar. MARE deneyinden aldığımız ölçümler, galaktik radyasyonun oldukça yüksek düzeyde olması nedeniyle Ay çevresinde toplam radyasyon dozunun Dünya yörüngesinden yüksek olsa da, farkın sezgisel olarak bekleneceği kadar büyük olmadığını gösteriyor,” diye not düştü Prof. Bilski.

Yeni Radyasyon Dedektörleri Geleceğin Astronotlarını Koruyabilir

Artemis I görevindeki florosan lityum florür dedektörleri, kristal büyütme tekniği olan Czochralski metoduyla üretildi. IFJ PAN bilim insanları bu teknolojiyi yaklaşık bir decade önce geliştirdi ve o günden beri geliştirmeye devam ediyor.

En faydalı özelliklerinden biri kompakt boyutları. Sadece birkaç milimetreye, yani santimetreye değil milimetreye yakın boyutlara sahip olan dedektörler, insanların rahatça taşıyabileceği kadar küçük ve böylece uzay görevleri sırasında radyasyon maruziyetini izlemek için pratik bir hale geliyor.

Aynı zamanda, kimyasal kazıma gerektiren geleneksel plastik dedektörlerden daha keskin parçacık izi görüntüleri sağlar. Bu gelişmiş çözünürlük, bilim insanlarına nispeten yüksek radyasyon dozları olsa bile bireysel izleri ayırt etme imkanı verir. Ayrıca kristaller, geniş bir parçacık türü ve enerji yelpazesini kaydedebilir ve böylece radyasyon ortamına dair daha kapsamlı bir tablo sunabilir.

Diğer bir avantaj, nötronları algılama yeteneğidir; özellikle kristaller lityum-6 izotopu ile zenginleştirildiğinde bu yetenek öne çıkar. Nötronlar lityum çekirdekleriyle etkileştiğinde, ikincil yüklü parçacıklar üreten nükleer tepkimeler tetiklenebilir. Bu parçacıklar, iyonlaştırıcı radyasyonun diğer biçimleri gibi kristalde algılanabilir değişiklikler bırakır.

Bu yetenekler birlikte, lityum florür dedektörlerini Dünya dışındaki karmaşık radyasyon ortamını çalışmak için umut verici bir araç haline getiriyor. Artemis I’den elde edilen ölçümler, kozmik radyasyonun Ay yakınlarında nasıl davrandığına dair daha net bir resim sunuyor ve kompakt dedektörlerin bilim insanlarını gelecekteki görevlerdeki radyasyon maruz kalmasını değerlendirmeye nasıl yardımcı olabileceğini gösteriyor.

MARE projesi kapsamında yürütülen araştırma, Polonya Ulusal Bilim Merkezi (NCN) tarafından OPUS programı altında sağlanan bir hibeyle desteklendi.