Ionenstrahlen für die Weltraumforschung

M. Scholz / D. Schardt

Biophysik

Von der Therapie zur Weltraumforschung?

• Kosmische Strahlung besteht im wesentlichen aus Ionenstrahlen (Protonen … Eisen)

• Auf der Erde: Abschirmung durch Magnetfeld und Lufthülle

• Bei Aufenthalt im Weltall kann kosmische Strahlung zu erheblichen Schädigungen in Geweben und Material führen

Ziele:• Verständnis von Mechanismen/Ausmass der Schädigung• Entwicklung von Gegenmassnahmen (Abschirmung)

Ursprung der kosmischen Strahlung

Sonne

SonneneruptionProtuberanzen

(p,He)

Galaxien

Supernovae(p...Fe)

Dosisbelastung

1 mSv / Jahr

1 mSv / Tag

10000 mSv / Tag

Strahlentherapie:

30 x 2000 mSv/Tag

Polarlichter

Strahlenbelastung in der Weltraumfahrt

0.1

1

10

100

1000

104

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

Dos

e (m

Sv)

Year

Gemini

Apollo

Skylab STS/Mir

Shuttle

ISS

Mars

Populationper year

RadWorkper year

Astronautscareer

Past Future

M. Durante

Wirkung der kosmischen Strahlung

• Krebsinduktion

• Spätschäden in Geweben (z.B. Linsentrübung)

• Akute Strahlenschäden

Do

sis

Teilchen- und Energiespektrum

103102 104 105 106 1071010 -9

10 -8

10 -7

10 -6

10 -5

10 -4

10 -3

10 -2

0,1

10

1

He

H

C

Fe

Kinetic energy [MeV/nucleon]

Par

ticle

flux

[m. s

. sr]

2-1

UNILAC + SIS SIS-200

Kinetische Energie [MeV/u]

Tei

lche

nflu

enz

Zusammensetzungder galaktischen

kosmischen Strahlung

Wirkung pro Teilchen103102 104 105 106 10710

10 -9

10 -8

10 -7

10 -6

10 -5

10 -4

10 -3

10 -2

0,1

10

1

He

H

C

Fe

Kinetic energy [MeV/nucleon]

Par

ticle

flux

[m. s

. sr]

2-1

UNILAC + SIS SIS-200

Die Rolle der schweren Ionen

Schwere Teilchen zeigen auch bei hohen Energien eine deutlich erhöhte biologische Wirksamkeit

Modell (Cucinotta et al.)

Beitrag verschiedener Ionensorten

19%

17%

13%

15%

14%

22%

H

He

C, O, NeMg, Al, Si

Fe

Others

Wilson et al., 1985

Biologisch Effektive Dosishinter 2cm Al-Abschirmung

X-raysX-raysPhotonen Ionen

Ursache für die hohe Wirksamkeit

Vergleich von Ionen- und Photonenstrahlen(Emission von Sekundärelektronen)

Zell-

Kern

10 m

Zell-

kern

10 m

Zell-

kern

10 m

Zell-

kern

Biologische Detektion von Schadensspuren

p21-Protein-Akkumulation entlang der Spurvon 200 MeV/u Eisen-Ionen

J. Heede-Rudolph et al.

10m

Unsicherheit in Risikoabschätzungen

• Unsicherheiten in Risikoabschätzungen betragen zwischen 400% und 1500%

• Der grösste Teil der Unsicherheit ist durch mangelnde strahlenbiologische Kenntnisse bedingt.

• Ziel der NASA: Reduktion der Unsicherheit auf 50%

D. Bettega et al.

Indikator für Krebsinduktion:Zelltransformation

Problem: Niedrigdosis-Bereich

Bei Teilchenstrahlen:Niedrige Dosis niedrige Teilchenfluenz

“Bystander-Effekt”

Ausblick

• Zukünftige Projekte: Schwerpunktverlagerung Therapie Strahlenschutz

103102 104 105 106 1071010 -9

10 -8

10 -7

10 -6

10 -5

10 -4

10 -3

10 -2

0,1

10

1

He

H

C

Fe

Kinetic energy [MeV/nucleon]

Par

ticle

flux

[m. s

. sr]

2-1

UNILAC + SIS SIS-200

• Ergebnisse finden generelle Anwendung (Strahlenschutz allgemein; Therapie: Sekundärtumore)

• Volles Teilchen- und Energie-Spektrum ist wichtig