Schutzweste AstroRad kann Strahlenbelastung von Menschen im All deutlich senken
Mit dem Artemis-Programm der NASA kehrt die Menschheit zum Mond zurück. Ende 2022 fand mit Artemis I der erste Testflug statt. Bei diesem startete das Orion-Raumschiff noch ohne Besatzung, dafür war es vollgepackt mit wissenschaftlichen Experimenten. Eines davon war das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geleitete Strahlungsexperiment MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment): Auf zwei der Passagierplätze flogen die beiden Messpuppen Helga und Zohar zum Mond und wieder zurück. Beide waren mit Strahlungsdetektoren ausgestattet, Zohar trug die neu entwickelte Schutzweste AstroRad, Helga flog ohne Schutz. Am 12. August 2026 wurden die Ergebnisse im Fachmagazin Science Advances veröffentlicht.
Bild: NASA/Frank Michaux
Eine zentrale Erkenntnis nach Auswertung und Vergleich der Datensätze der „Mond-Zwillinge“: Ein tragbarer Strahlenschutz wie AstroRad kann einen wirksamen Beitrag leisten, um das Gesundheitsrisiko von Menschen im All während strahlungsintensiver Sonnenaktivitäten zu senken. MARE entstand in Zusammenarbeit mit der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA, Lockheed Martin und StemRad, die die Weste entwickelt haben.
Eine der elementaren Herausforderungen für die Raumfahrt ist unsichtbar: die Weltraumstrahlung. Außerhalb des schützenden Erdmagnetfelds werden Mensch und Technik bei einer Mission deutlich höheren Strahlendosen ausgesetzt als auf der Erde oder im erdnahen Orbit auf der Internationalen Raumstation ISS. Besonders kritisch sind starke solare Teilchenereignisse – umgangssprachlich Sonnenstürme –, bei denen innerhalb kurzer Zeit große Mengen energiereicher Teilchen freigesetzt werden. Für Astronautinnen und Astronauten können diese eine erhebliche Gefahr für ihre Gesundheit bedeuten; insbesondere, wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden oder keine ausreichende Abschirmung vorhanden ist. Diese Ereignisse können zur akuten Strahlenkrankheit führen und das strahlungsinduzierte Krebsrisiko erhöhen.
„Mit dem MARE-Experiment konnten wir auf eine lange Forschungslinie aufbauen. Bereits seit vielen Jahren untersuchen wir die Strahlenbelastung von Astronautinnen und Astronauten, unter anderem auf der ISS. Mit dem früheren MATROSHKA-Experiment wurde dort zum Beispiel die Dosisbelastung in einem menschenähnlichen Phantom im erdnahen Orbit erfasst“, sagt Dr. Anke Pagels-Kerp, DLR-Bereichsvorständin Raumfahrt. „Mit MARE führte unser Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin diese Arbeiten auf der ersten Artemis-Mission erfolgreich zwischen Erde und Mond fort. Nach Artemis I im Jahr 2022 haben wir uns sehr gefreut, dass es für unsere Strahlungsforschung an Bord der Orion auf der zweiten Artemis-Mission im April 2026 erneut Richtung Mond ging. Dabei kam mit dem M-42 EXT eine weiterentwickelte Generation aus der Familie der weltraumerprobten DLR-Strahlungsdetektoren zum Einsatz.“
Deutsche Hardware unterstützt die Messung der Weltraumstrahlung zwischen Erde und Mond erstmals kontinuierlich
Bei MARE ging es um die Strahlungsbelastung auf realistische Nachbildungen des weiblichen Körpers und war damit im Bereich der Weltraumstrahlungsforschung die erste Studie dieser Art jenseits der erdnahen Umlaufbahn. Diese ist besonders für die astronautische Raumfahrt bedeutend, da Frauen statistisch ein höheres strahlungsinduziertes Krebsrisiko haben und Krebs neben der Strahlenkrankheit zu den größten gesundheitlichen Gefahren von Strahlungsexposition im Weltraum gehört.
Die Messpuppen-Zwillinge Helga und Zohar bestehen aus Kunststoffmaterialien, die Knochen, Weichteile und Organe im Torso einer erwachsenen Frau nachbilden. Die Zwillinge wurden jeweils aus 38 einzelnen Scheiben aufgebaut. Auf und in ihnen integrierte das Team mehrere tausend passive Dosimeter sowie 16 der vom DLR entwickelten aktiven Strahlungsmessgeräte M-42. 18 weitere aktive Strahlungsdetektoren (CAD) sowie tausende Thermolumineszenz-Dosimeter zur gezielten Messung ionisierter Strahlung wurden von der NASA zur Verfügung gestellt. Während Helga ungeschützt flog, trug Zohar die von StemRad aus Israel entwickelte Strahlenschutzweste AstroRad. So brach die Orion zu ihrer Mondreise auf und in den besonders strahlungsempfindlichen Bereichen eines menschlichen Körpers sammelten die DLR-Detektoren in den „Mond-Zwillingen“ gezielt die jeweiligen Strahlungsdosen.
Auf der 25,5 Tage dauernden Orion-Mission sammelten die Strahlungsdetektoren in den Messkörpern sowie im gesamten Raumschiff kontinuierlich Messdaten. Erstmalig entstand dabei ein diskreter Datensatz der Strahlungssituation zwischen Erde und Mond in einem stark abgeschirmt konzipierten Crewraumschiff. Daraus erstellte das Forschungsteam ein detailliertes dreidimensionales Bild der Strahlenbelastung in unterschiedlichen Organen und Geweben. Der direkte Vergleich der Strahlenbelastung von Helga und Zohar erlaubte es anschließend, die Wirkung der Weste auf die empfindlichen Organe zu bewerten.
Dies geschah allerdings nicht allein auf Basis der Messdaten des Artemis-I-Fluges. Während der Flugzeit kam es nicht zu einer signifikant verstärkten Sonnenaktivität, aber Orion flog durch die Strahlungsgürtel der Erde, die sogenannten Van-Allen-Gürtel. Das MARE-Team extrapolierte im Rahmen der Auswertung und Analyse diese Daten aus dem Strahlungsgürtel auf die Dimensionen bekannter Sonnenstürme aus der Vergangenheit, zu denen ebenfalls Daten vorliegen, um die Schutzwirkung der Weste auch bei starker Sonnenaktivität beurteilen zu können.
Hochrechnungen auf Strahlungsbelastung historischer Sonnenstürme: Schutzwirkung der Weste bis fast 60 Prozent
Durch die Hochrechnung der Messdaten auf Werte, wie sie bei extremen Sonnenereignissen wie denen der Jahre 1972 und 1989 auftreten würden, konnte das Studienteam die Schutzwirkung der Weste bewerten. Daraus ergab sich eine der zentralen Erkenntnisse der gesamten MARE-Studie. Die gute Vergleichbarkeit der Messdaten und der hochgerechneten Simulationswerte war eine zentrale Voraussetzung, um die Schutzwirkung der Weste für solare Extremereignisse wie aus den Jahren 1972 und 1989 belastbar einschätzen zu können. Hier ergab sich eine der Kernerkenntnisse der gesamten MARE-Studie.
Bei einem starken Sonnensturm nach dem Vorbild des historischen Ereignisses vom August 1972 könnte die AstroRad-Weste die effektive Strahlendosis eines Menschen im Weltraum um rund 60 Prozent reduzieren. Für ein Ereignis ähnlich dem Sonnensturm vom Oktober 1989, dessen Teilchenspektrum energiereicher war – und damit schwerer abzuschirmen wäre –, ergibt die Hochrechnung eine Reduktion von knapp 40 Prozent. Damit könnte die Schutzweste Astronautinnen und Astronauten im Ernstfall einen erheblichen Teil ihrer zulässigen Lebenszeitdosis ersparen und den Gesundheitsschutz im Weltraum deutlich verbessern.
Die berechnete Schutzwirkung der AstroRad-Weste könnte somit im Umkehrschluss die aktive Zeit im Weltraum für Astronautinnen und Astronauten verlängern. Dies kann für die perspektivisch immer komplexeren und weiter in den Raum vordringenden astronautischen Missionen mehr Planungsspielraum geben. Auch wenn sich die MARE-Studie auf den weiblichen Körper fokussiert hat, gilt die mögliche Schutzwirkung auch für männliche Astronauten.
„Auf dem ersten Orion-Mondflug bei Artemis I mitfliegen zu können, war eine großartige Gelegenheit für uns“, sagt Dr. Thomas Berger, Strahlenphysiker und Leiter der Studie vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin. „Die Ergebnisse zeigen jetzt, dass wir mit MARE einen entscheidenden Schritt vom Messen hin zum Bewerten konkreter Schutz- beziehungsweise Gegenmaßnahmen gehen konnten. Für künftige Missionen zum Mond oder auch später weiter zum Mars müssen wir nicht nur wissen, wie hoch die Strahlenbelastung ist. Es gilt auch zu verstehen, welche Schutzkonzepte unter realistischen Missionsbedingungen wirken und zugleich praktikabel sind. Auf dem Weg dahin liefert MARE einzigartige Daten.“
Die AstroRad-Weste konzentriert das abschirmende Material auf strahlenempfindliche Organe und Gewebe. Dazu zählen unter anderem Knochenmark, Lunge, Magen, Brust und Eierstöcke. Es ist also ein Konzept, das darauf ausgerichtet ist, ein möglichst ideales Verhältnis aus hohem Gesundheitsschutz und kompakter Bauweise zu finden. Dies ist in zweifacher Hinsicht wichtig: Zum einen sind Masse und Volumen einer Nutzlast in der Raumfahrt generell ein limitierender Faktor. Sie müssen ihrem Nutzen gegenübergestellt und ihr Mitflug stets abgewogen werden. Zum anderen müssen sich Astronautinnen und Astronauten auf begrenztem Raum möglichst gut bewegen können.
Gezielter Schutz effektiver als Ganzkörperschutz
In zusätzlichen Modellrechnungen wurden Helga und Zohar – die nur den menschlichen Torso abbilden – durch virtuelle Ganzkörper-Messphantome ersetzt, um die berechnete Wirkung der AstroRad auch noch mit einem realistischen Ganzkörperschutz gleicher Masse zu vergleichen. Hierbei betrug die durch AstroRad erzielte Dosisreduktion 58,2 Prozent für das Ereignis von 1972 und 36,9 Prozent für das Ereignis von 1989, während die Ganzkörperabschirmung einen um etwa 30 Prozent geringeren Schutz bot. Dies zeigt, dass das gezielt auf den Schutz sensibler Körperpartien ausgelegte Westendesign der AstroRad sogar ein effektiverer Gesundheitsschutz als ein Ganzkörperschutzanzug sein kann, der überall mit gleicher Stärke an abschirmendem Material konzipiert ist. Gleichzeitig bleibt die Beweglichkeit der Crew bei einer kompakten Weste besser erhalten als bei anderen, stärker einschränkenden Schutzkonzepten.
Das Orion-Raumschiff verfügt für den Fall erheblicher Sonnenstürme über einen geschützten Bereich, den sogenannten Storm Shelter, den die Besatzung nach Bedarf innerhalb der Raumkapsel schnell errichten kann. Ein tragbarer Schutz wie AstroRad kann aufgrund seiner kompakten Bauweise solche Konzepte ergänzen, etwa wenn Besatzungsmitglieder sich während eines Strahlungsereignisses bewegen und wichtige Aufgaben nicht nur innerhalb, sondern auch außerhalb des engen Schutzbereichs übernehmen müssen – und währenddessen weiterhin geschützt bleiben. Aber auch für größere, weniger gegen Strahlung abgeschirmte Raumfahrzeuge, Mondhabitate oder spätere Marsmissionen könnten solche tragbaren Systeme in Zukunft eine wichtige Rolle spielen.
Die Weltraumstrahlung bleibt ein wichtiges Forschungsfeld, um in Zukunft mit geeigneten Gegenmaßnahmen den Gesundheitsschutz im All zu verbessern und so ambitionierte astronautische Langzeitmissionen zu ermöglichen. Die MARE-Ergebnisse zeigen aktuell, dass sich die Risiken immer besser erfassen und gezielt verringern lassen. Mit den Messungen auf Artemis I und der Fortsetzung auf Artemis II liefert das DLR als wichtiger Teil der internationalen Strahlungsforschungsgemeinschaft im Mondprogramm der NASA die Grundlagen, um Menschen künftig sicherer zum Mond, in eine Mondumlaufbahn und eines Tages weiter zum Mars zu bringen.