Marsreisen: Schlägt die Strahlung auf den Darm?

Längere Reisen im interplanetaren Raum sind ungesund, wie inzwischen allgemein bekannt ist. Wenn man einer aktuell im Journal Proceedings of the National Academy of Science veröffentlichten experimentellen Studie1 glauben will, greifen sie auch den Darm an.

Das wäre an sich nicht verwunderlich, denn die Epithel-Zellen im Darm teilen sich sehr schnell, und gerade solche Zellen sind für die dort auftretende kosmische Strahlung besonders anfällig. Vielleicht haben Sie davon gelesen, z.B. auf wissenschaft.de oder in einem englischsprachigen Technikportal. Aber was hat die Studie (Erstautor: Santosh Kumar von der Georgetown University in Washington D.C.) eigentlich genau herausgefunden?

Weil Menschen für solche Versuche nicht zur Verfügung stehen, mussten erst einmal Labormäuse herhalten. Weil man sie nicht in den interplanetaren Raum schießen konnte, wurden sie ersatzweise unterschiedlichen Arten von Bestrahlung im Labor ausgesetzt. Ein Teil wurde mit Gammastrahlen bestrahlt, andere mit hochenergetischen, vollständig ionisierten Eisenkernen beschossen. Vollständig ionisiert heißt, dass der Kern nicht mehr von Elektronen begleitet wird, und demzufolge stark positiv geladen ist. Solche Atomkerne nennt man auch Schwerionen, vorausgesetzt, sie haben mehr Masse als Helium (Massenzahl 4).

Nach der Bestrahlung warteten die Wissenschaftler eine gewisse Zeit (5, 60 und 365 Tage), bevor sie die Mäuse töteten und die Zellen untersuchten, die den Dünndarm auskleiden (Epithelzellen). Sie fanden, dass die Zellen, die den Eisenkernen ausgesetzt waren, schwere Schäden davongetragen hatten, die auch nach einem Jahr nicht vollständig ausgeheilt waren. Die Gammastrahlung bewirkte dagegen deutlich geringere Schäden. Warum Eisenkerne? Sie sind zusammen mit anderen Schwerionen ein Bestandteil der sogenannten galaktischen kosmischen Strahlung. Auf der Erde merken wir nicht viel davon, weil die Schwerionen zum einen von der Atmosphäre aufgehalten wird, und zum zweiten von Erdmagnetfeld abgelenkt wird. Auch die Astronauten auf der ISS sind davor weitgehend sicher, weil das Erdmagnetfeld weit genug hinausreicht, um sie zu schützen. Die Apollo-Astronauten auf dem Weg zum Mond waren die ersten Menschen, die tatsächlich die aus der Milchstraße kommende hochenergetische Strahlung abbekamen, wenn auch nur für etwa zwei Wochen. In dieser kurzen Zeit wurden sie davon allerdings nicht krank. Das lag nicht an der dünnen Außenwand ihrer Kapsel, denn einige Zentimeter Aluminium halten die kosmische Strahlung kaum auf.  Die kumulierte Strahlendosis war in bei den Mondmissionen so gering, dass der menschliche Körper die Belastung ohne gesundheitliche Schäden ertragen konnte.

Strahlung auf dem Weg zum Mars

Leider ist der Weg zum Mars deutlich länger als der zum Mond. Mindestens 150 – 180 Tage sollte man für jeden Weg ansetzen. Ist man erst einmal angekommen, muss man allerdings eine Weile warten, bis Erde und Mars wieder in einer geeigneten Position für die Rückreise stehen. Die NASA schätzt, dass die gesamte Reise um tausend Tage dauert, also knapp drei Jahre. Und in dieser Zeit nimmt ein Mensch etwa 1,2 Sievert an Strahlung auf. Was heißt das?

Bei den vielen Einheiten der Strahlenbelastung kann man schon mal die Übersicht verlieren. Deshalb hier eine kurze Beschreibung. Die Absorption von Energie aus Strahlung in einer beliebigen Materie wird in Gray (Gy) gemessen. Ein Gy steht für ein Joule pro Kg. Die biologische Wirksamkeit, also der Schaden im Gewebe hängt allerdings stark davon von der Art der Strahlung ab. Eisenatomkerne richten bei gleicher physikalischer Energiedosis sehr mehr Schäden als Gammastrahlen an. Sie pflügen durch das Gewebe wie kleine Schrotkugeln. Für solche schweren Ionen liegt der Strahlungswichtungsfaktor bei 20, im Falle der Eisenkerne reicht das wahrscheinlich nicht einmal aus. Für Gammastrahlung beträgt der Strahlungswichtungsfaktor 1, für Protonen 5.

Das Experiment

Die Arbeitsgruppe setzte 10 Mäuse einer Bestrahlung von 0,5 Gy aus, und zwar entweder mit Gammastrahlung oder mit hochenergetischen Eisenionen.

Dann warteten sie 5, 60 oder 365 Tage, bevor sie die Mäuse töteten und den Darm untersuchten. Bei zwei Bestrahlungsarten und mit jeweils drei Wartezeiten bis zur histologischen Aufarbeitung untersuchte die Arbeitsgruppe also pro Studienarm nur ein bis zwei Mäuse. Das ist nicht gerade viel, wenn eine allgemeingültige Aussage treffen will. Es gibt auch noch weitere Gründe, warum die Studie nicht unbedingt auf Raumfahrer übertragbar ist:

  • Die Art der Bestrahlung ist nicht typisch für galaktische kosmische Strahlung. Die besteht, wie die NASA in einem E-Book über Strahlung im Weltraum schreibt, zum größten Teil (85%) aus Protonen, also Wasserstoffkernen mit einer sehr viel geringeren biologischen Wirkung. Die extrem zerstörerischen Eisenkerne machen weniger als ein Prozent aus.
  • Die Forscher haben die Dosis sehr großzügig angesetzt. Die physikalische Dosis von 0,5 Gy muss bei schweren Atomkernen mit 20 multipliziert werden, um die biologische Wirkung richtig wiederzugeben. Dann wären wir aber schon bei 10 Sievert, während die Astronauten beim Weg zum Mars und zurück nur etwa 1,2 Sievert aushalten müssen.
  • Die Mäuse erhielten ihre Dosis in sehr kurzer Zeit, was die Wirkung zusätzlich verstärkt. Weil die Vergleichsgruppe statt 10 Sievert nur 0,5 Sievert an Gammastrahlung erhielten, war eigentlich zu erwarten, dass ihre Gewebe deutlich weniger geschädigt waren. Und genau das bestätigte die Arbeit auch.

Kleines Fazit: Reisen zum Mars und zurück sind sicher kein harmloser Vergnügungsausflug, aber auch nicht so gefährlich, wie die aktuelle Arbeit von Kumar und Kollegen andeutet. Wer also nach Ankunft auf dem Mars an Darmgrimmen leidet, muss das nicht unbedingt auf Strahlenschäden zurückführen.

Ist die Arbeit also weitgehend sinnlos? Nein, das auch wieder nicht. Sie beschreibt ausführlich die Art der Veränderungen nach der Einwirkung von Schwerionen, also beispielsweise die Probleme bei der Erneuerung des Darmepithels und die länger anhaltenden Zeichen einer chronischen Entzündung. Daraus lassen sich wertvolle Erkenntnisse für die künftige Einschätzung von Strahlenrisiken ableiten. Sie helfen sicher auch dabei, den Strahlenschutz bei Raumreisen gezielt zu verbessern.

Anmerkungen

[1] Santosh Kumar, Shubhankar Suman, Albert J. Fornace, Kamal Datta: Space radiation triggers persistent stress response, increases senescent signaling, and decreases cell migration in mouse intestine. Proceedings of the National Academy of Sciences Oct 2018, 201807522; DOI: 10.1073/pnas.1807522115

Martina Grüter ist Medizinerin und befasst sich seit 2001 der angeborenen Prosopagnosie, einem erblichen Defizit in der Gesichtserkennung und Verarbeitung. Das Thema hat ihr gezeigt, wie vielschichtig die Verarbeitung von Informationen im Gehirn sind und wie wenige Erkenntnisse wirklich gesichert sind. Worte und Sprachen haben sie von jeher fasziniert.

3 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Guter Artikel mit viel besserer Einschätzung der Aussagekraft der hier besprochenen Studie als in den meisten Artikeln, die man sonst lesen konnte.
    Was eine zukünftige Marsreise betrifft, sehe ich allerdings ganz andere Eckdaten als hier dargestellt (Zitat): Mindestens 150 – 180 Tage sollte man für jeden Weg ansetzen. Ist man erst einmal angekommen, muss man allerdings eine Weile warten, bis Erde und Mars wieder in einer geeigneten Position für die Rückreise stehen. Die NASA schätzt, dass die gesamte Reise um tausend Tage dauert, also knapp drei Jahre.
    Das entspricht wohl der NASA-Planung, doch in meinen Augen bedeuten solch langen Reisezeiten, dass eine bemannte Marserkundung gar nicht durchgeführt werden kann, denn die Astronauten wären nach 150 Tagen Reisezeit physisch gar nicht mehr in der für einen Marsaufenthalt nötigen Kondition, da der lange Aufenthalt in Schwerelosigkeit sie zu sehr geschwächt hätte. Es gibt Alternativen wie Human Mission to Mars aufzeigt: Mehrere Arten von Missionsplänen wurden vorgeschlagen, wie z.B. die Oppositionsklasse und die Konjunktionsklasse[2] oder der Crocco-Flug zum Mars[4] Der niedrigste Energietransfer zum Mars ist eine Hohmann-Transferumlaufbahn; eine Mission zum Mars mit Hohmann-Transfer beinhaltet eine etwa 9-monatige Reisezeit von der Erde zum Mars, etwa 500 Tage beim Mars, um auf das Transferfenster zur Erde zu warten, und einen Hohmann-Transfer von etwa 9 Monaten, um zur Erde zurückzukehren[5][6].

    Kürzere Marsmissionspläne haben Rundflugzeiten von 400 bis 450 Tagen,[7] benötigen aber eine höhere Energie. Eine schnelle Marsmission von 245 Tagen Rundreise [hin und zurück] könnte mit On-Orbit-Staging [Raumschiff im Erdorbit nachfüllen vor Abreise zum Mars] möglich sein[8] 2014 wurde ein ballistisch/gravitatives Einfangen in den Marsorbit vorgeschlagen, die die Treibstoffkosten senken und flexiblere Startfenster im Vergleich zum Hohmann bieten könnte[9].

  2. @Holzherr,

    die Astronauten wären nach 150 Tagen Reisezeit physisch gar nicht mehr in der für einen Marsaufenthalt nötigen Kondition

    Selbstverständlich sollte die 6-Monatige Reise keinesfalls unter Schwerelosigkeit stattfinden. Das Raumschiff, das für den Transfer vom Erd-Orbit zum Mars-Orbit benutzt wird, sollte groß genug sein, um Rotatiosschwerkraft erzeugen zu können. Der Abstieg zur Marsoberfläche und der Wiederaufstieg zum Raumschiff kann dann ja jeweils in kleineren Raketen erfolgen (wie z.B. im Buch “Der Marsianer”).

    Ein großes Interplanetarschiff, das nicht landet, sondern im Weltraum verbleibt, hätte auch genug Platz für einen Schutzraum mit zusätzlicher Strahlungs-Abschirmung (evtl. Tanks um den Schutzraum herumbauen).

  3. @Störk (Zitat): Das Raumschiff, das für den Transfer vom Erd-Orbit zum Mars-Orbit benutzt wird, sollte groß genug sein, um Rotatiosschwerkraft erzeugen zu können. Ja, in Science-Fiction Filmen sieht man recht häufig Raumschiffe mit künstlicher Gravitation. Vielleicht liegt das ja daran, dass der Science-Fiction-Film dann sogar billiger in der Herstellung ist 😉 . In Wirklichkeit allerdings ist künstliche Gravitation teuer. Sie schreiben ja selbst (Zitat): Das Raumschiff, das für den Transfer vom Erd-Orbit zum Mars-Orbit benutzt wird, sollte groß genug sein, um Rotatiosschwerkraft erzeugen zu können.
    Elon Musks Erd-Mars Transitfahrzeug ist die gerade in Entwicklung befindliche Big Falcon Rocket (BFR). Diese Rakete ist sogar kleiner als das von der NASA entwickelte Space Launch System und beide sind zu klein um mittels Rotation künstliche Schwerkraft erzeugen zu können.
    Fazit: Wer vor 2050 auf den Mars will wie Elon Musk, der muss auf künstliche Schwerkraft in seinen Raketen/Erde-Mars-Transferfahrzeugen verzichten, denn sonst wird es viel zu teuer.

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