Artemis I de la NASA revela niveles de radiación inesperados cerca de la Luna

La misión Artemis I de la NASA proporcionó nuevos datos sobre la cantidad de radiación cósmica que los astronautas podrían encontrar cerca de la Luna en comparación con la órbita terrestre baja. Utilizando detectores experimentales de cristales de fluoruro de litio a bordo de la nave Orion, los investigadores obtuvieron mediciones preliminares que revelaron diferencias inesperadas en la exposición a la radiación entre ambos entornos.

Durante la misión no tripulada Artemis I, que tuvo lugar a finales de noviembre y principios de diciembre de 2022, Orion orbitó la Luna llevando más de 10,000 pequeños cristales incrustados dentro de dos maniquíes con forma humana. Estos dispositivos registraron la exposición a la radiación a lo largo del viaje. Entre ellos se encontraban varios docenas de detectores experimentales fluorescentes de fluoruro de litio creados por científicos del Instituto de Física Nuclear de Polonia (IFJ PAN) en Cracovia. Los investigadores describieron un nuevo método para analizar la información almacenada en estos cristales, ofreciendo así información sobre los niveles de radiación cósmica y el rendimiento de los detectores. Sus hallazgos fueron publicados en la revista Radiation Measurements.

"Los detectores de dosis de radiación fluorescentes basados en fluoruro de litio, desarrollados en nuestro instituto, son de naturaleza pasiva. En otras palabras, funcionan como una película fotográfica: una vez que los cristales han sido expuestos a la radiación, las huellas dejadas por partículas individuales deben ser analizadas ópticamente bajo un microscopio", explicó el Prof. Pawel Bilski (IFJ PAN), uno de los coautores del artículo.

Cómo los pequeños cristales detectan la radiación cósmica

Los detectores de fluoruro de litio funcionan capturando cambios microscópicos causados por la radiación. Cuando partículas eléctricamente cargadas atraviesan un cristal, interrumpen su estructura atómica interna, creando defectos conocidos como centros de color. Los científicos pueden iluminar posteriormente el cristal con luz azul, haciendo que estas regiones alteradas brillen en rojo. Al examinar esa fluorescencia bajo un microscopio, los investigadores pueden identificar los caminos seguidos por las partículas de radiación individuales.

Los detectores formaron parte del estudio MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment) realizado durante Artemis I. Varios docenas de detectores experimentales de fluoruro de litio se colocaron dentro de ambos maniquíes, incluidos algunos que contenían altas concentraciones del isótopo de litio-7. La contribución del IFJ PAN fue más allá de estos dispositivos experimentales. Sus científicos también suministraron casi 600 detectores de cristal termoluminiscente, que utilizan una técnica diferente para medir la exposición a la radiación.

Una de las principales ventajas de los nuevos detectores de fluoruro de litio es que simplifican el proceso de examen de las huellas de radiación. Los detectores pasivos tradicionales hechos de plástico requieren grabado químico antes de que los científicos puedan estudiar las marcas dejadas por las partículas entrantes. Los cristales de fluoruro de litio eliminan ese paso, permitiendo a los investigadores inspeccionar las huellas directamente con un microscopio de fluorescencia estándar.

Como resultado, observar las huellas de radiación recolectadas cerca de la Luna fue relativamente sencillo. La tarea más difícil fue determinar exactamente qué revelaban esas huellas sobre la exposición a la radiación. Para obtener mediciones numéricas confiables, el equipo tuvo que desarrollar técnicas sofisticadas de calibración y análisis.

Por qué medir la radiación en el espacio profundo es tan difícil

A diferencia de las condiciones controladas de un laboratorio, la radiación cósmica es altamente impredecible. En un experimento típico de física, los investigadores pueden exponer un detector a un haz que contiene un tipo conocido de partícula con una energía y dirección específicas. En el espacio, la radiación llega desde todas las direcciones e incluye muchas partículas diferentes y núcleos atómicos que viajan a través de un enorme rango de energías.

Esta complejidad dificulta la interpretación de las huellas microscópicas. Debido a que las partículas entrantes impactan los cristales en diferentes ángulos, sus huellas se extienden en múltiples direcciones. Un microscopio captura la sección de cada huella dentro de su plano focal (aproximadamente del tamaño de un micrómetro), pero también registra un resplandor borroso de porciones fuera de esa región estrecha. Esta luz adicional influye en la intensidad de fluorescencia medida, que los científicos utilizan para estimar cuán densamente una partícula ioniza el material.

Diferentes partículas también producen patrones de huellas muy diferentes. Aquellas que causan una fuerte ionización dejan líneas continuas y definidas, mientras que las partículas que producen una ionización más débil pueden aparecer como puntos dispersos y desconectados. Estas diferencias complican aún más la tarea de traducir las mediciones de fluorescencia en datos significativos sobre la radiación.

Para superar estos desafíos, los investigadores introdujeron varias correcciones y desarrollaron un software capaz de eliminar señales de fondo no deseadas. El análisis mejorado acercó sus mediciones a los resultados de tecnologías de detectores establecidas, al mismo tiempo que reveló eventos de radiación que los dispositivos más antiguos no pudieron detectar.

"Después de aplicar una serie de correcciones y desarrollar un software para eliminar adecuadamente el fondo que interfería con las mediciones, nuestros resultados difirieron en no más del 15% de aquellos obtenidos utilizando detectores de huellas convencionales a través de todo el rango de valores de deposición de energía que se superponían. Además, también registramos numerosas huellas de partículas correspondientes a depósitos de energía por debajo del umbral de detección de los detectores utilizados hasta la fecha", enfatizó el Prof. Bilski.

Artemis I revela una sorprendente diferencia en la radiación lunar

Las mediciones de Artemis I también permitieron a los investigadores comparar la exposición a la radiación cerca de la Luna con los hallazgos de un experimento anterior a bordo de la Estación Espacial Internacional.

Más de una década antes de Artemis I, el experimento MATROSHKA investigó la exposición a la radiación utilizando maniquíes con forma humana en la estación espacial. Parte de la radiación registrada durante esa misión provenía de protones de baja energía atrapados dentro de los cinturones de radiación Van Allen de la Tierra. A medida que estas partículas viajaban hacia los maniquíes, depositaban energía a diferentes profundidades, produciendo una distribución desigual de las dosis de radiación.

Las condiciones cerca de la Luna son sustancialmente diferentes. Los cinturones de Van Allen no se extienden en el entorno lunar, por lo que la radiación encontrada allí contiene una mayor contribución de partículas de alta energía que provienen de otras partes de la galaxia.

Estas partículas galácticas llevan suficiente energía para atravesar todo el cuerpo humano, liberando solo una parte de su energía a medida que pasan. En consecuencia, los detectores de Artemis I registraron dosis de radiación que se distribuyeron de manera casi uniforme a lo largo de los maniquíes, a diferencia de los patrones desiguales observados en el experimento anterior de la estación espacial.

Los investigadores también identificaron un hallazgo que puede parecer contraintuitivo. Aunque los astronautas cerca de la Luna están expuestos a más radiación que aquellos en la órbita terrestre baja, la diferencia no es necesariamente tan dramática como se podría suponer.

"Los protones de baja energía, atrapados por el campo magnético de nuestro planeta dentro de los cinturones de Van Allen, pueden representar la mayor parte de la dosis de radiación recibida por los astronautas en la órbita terrestre baja. En las proximidades de la Luna, esta contribución sustancial desaparece. Nuestras mediciones del experimento MARE indican que, aunque las dosis totales de radiación cerca de la Luna son más altas que las de la órbita terrestre debido a los considerables niveles de radiación galáctica, la diferencia no es tan grande como podría esperarse intuitivamente", señala el Prof. Bilski.

Nuevos detectores de radiación podrían ayudar a proteger a futuros astronautas

Los detectores fluorescentes de fluoruro de litio a bordo de Artemis I fueron fabricados utilizando el método Czochralski, una técnica para cultivar cristales. Los científicos de IFJ PAN desarrollaron la tecnología hace aproximadamente una década y han continuado refinándola desde entonces.

Su tamaño compacto es una de sus características más útiles. Midiendo solo unos pocos milímetros en lugar de varios centímetros, los detectores son lo suficientemente pequeños como para ser usados cómodamente por personas, lo que los hace prácticos para monitorear la exposición a la radiación durante las misiones espaciales.

También proporcionan imágenes más nítidas de las huellas de partículas que los detectores plásticos convencionales que requieren grabado químico. Esta mejor resolución permite a los científicos distinguir huellas individuales incluso cuando las dosis de radiación son relativamente altas. Además, los cristales pueden registrar una amplia variedad de tipos y energías de partículas, lo que potencialmente proporciona una imagen más completa del entorno de radiación.

Otra ventaja es su capacidad para detectar neutrones, particularmente cuando los cristales están enriquecidos con el isótopo de litio-6. Cuando los neutrones interactúan con los núcleos de litio, pueden desencadenar reacciones nucleares que generan partículas cargadas secundarias. Estas partículas dejan cambios detectables en el cristal, al igual que otras formas de radiación ionizante.

Juntas, estas capacidades hacen que los detectores de fluoruro de litio sean una herramienta prometedora para estudiar el complejo entorno de radiación más allá de la Tierra. Las mediciones de Artemis I ofrecen una imagen más clara de cómo se comporta la radiación cósmica cerca de la Luna y demuestran cómo los detectores compactos podrían ayudar a los científicos a evaluar la exposición a la radiación durante futuras misiones.

La investigación realizada como parte del proyecto MARE fue apoyada por una subvención del National Science Centre, Polonia (NCN), bajo su programa OPUS.

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