Mini-Kristalle erfassen kosmische Strahlung am Mond

Kosmische Strahlung ist für künftige Mondreisen ein ernstes Risiko. Während der Artemis-I-Mission haben wenige Millimeter große Lithiumfluorid-Kristalle Teilchenspuren aufgezeichnet, aus denen Forscher nun Eigenschaften des Strahlungsfeldes ableiten konnten. Der Vergleich mit bewährten Detektoren bestätigt das Messprinzip, offenbart aber deutliche Abweichungen bei besonders stark ionisierenden Teilchen.

Krakau (Polen). Außerhalb des weitgehend schützenden Erdmagnetfelds treffen energiereiche Teilchen aus dem All auf Raumfahrzeuge und ihre Besatzungen. Wie gefährlich diese Strahlung ist, hängt nicht nur von der aufgenommenen Energiemenge ab. Auch die Art der Teilchen und die Dichte ihrer Energieabgabe im Gewebe spielen eine Rolle.

Um solche Unterschiede zu erfassen, werden unter anderem Kunststoffdetektoren eingesetzt, die winzige Teilchenspuren speichern. Nach der Rückkehr müssen diese Spuren durch chemisches Ätzen sichtbar gemacht werden. Fluoreszierende Kristalle aus Lithiumfluorid könnten denselben Zweck erfüllen, ohne dass diese Behandlung nötig ist.

Forscher am Institute of Nuclear Physics, Polish Academy of Sciences (IFJ PAN), um Prof. Paweł Bilski haben die neuartigen Detektoren nun anhand eines echten Mondflugs erprobt. Dafür nutzten sie Messproben aus der unbemannten Artemis-I-Mission von 2022. An Bord der Raumkapsel Orion befanden sich die beiden mit Strahlungssensoren ausgestatteten, menschenähnlichen Körpermodelle Helga und Zohar.

Teilchenspuren leuchten rot auf

Die nur etwa drei Millimeter breiten Kristalle speichern Spuren geladener Teilchen als winzige Störungen ihres Kristallgitters. Werden sie später im Labor mit blauem Licht beleuchtet, leuchten die betroffenen Bereiche rot auf. Ein Fluoreszenzmikroskop macht so die Bahnen einzelner Teilchen sichtbar.

„Die auf Lithiumfluorid basierenden fluoreszierenden Strahlendosisdetektoren, die an unserem Institut entwickelt wurden, arbeiten passiv. Mit anderen Worten funktionieren sie wie ein fotografischer Film: Sobald die Kristalle der Strahlung ausgesetzt waren, müssen die von den einzelnen Teilchen hinterlassenen Spuren optisch unter einem Mikroskop analysiert werden“, erklärt Prof. Paweł Bilski.

Die Wissenschaftler analysierten besonders reine Kristalle mit einem hohen Anteil des Lithiumisotops 7. Dadurch störten Reaktionen mit Neutronen die Spurenanalyse weniger. Für den Vergleich mit etablierten Kunststoffdetektoren werteten sie zwei Messpositionen am Körpermodell Zohar aus, jeweils oberhalb und unterhalb seiner Strahlenschutzweste.

Messwerte stimmen nicht überall überein

Die größte Schwierigkeit lag nicht darin, die Teilchenspuren zu sehen, sondern ihre Helligkeit richtig zu deuten. Kosmische Teilchen treffen aus unterschiedlichen Richtungen auf einen Kristall. Je nach Einfallswinkel kann dieselbe Art von Spur unter dem Mikroskop unterschiedlich hell erscheinen. Das Team entwickelte deshalb Korrekturverfahren für Winkel und störendes Hintergrundlicht.

An beiden Messpositionen ähnelte die Verteilung der Energieabgabe grundsätzlich den Ergebnissen der herkömmlichen Kunststoffdetektoren. In der Pressemeldung betont Bilski die Übereinstimmung bei den vergleichbaren Messbereichen und die zusätzlichen schwachen Teilchenspuren.

„Nachdem wir eine Reihe von Korrekturen angewandt und Software entwickelt hatten, um den die Messungen störenden Hintergrund angemessen zu entfernen, wichen unsere Ergebnisse über den gesamten überlappenden Bereich der Energieabgabewerte um nicht mehr als 15 Prozent von denen herkömmlicher Spurdetektoren ab. Darüber hinaus haben wir zahlreiche Teilchenspuren registriert, die einer Energieabgabe unterhalb der Nachweisgrenze bisher verwendeter Detektoren entsprechen“, sagt Prof. Paweł Bilski.

Doch die Originalstudie zeigt auch eine wichtige Grenze: Bei besonders stark ionisierenden Teilchen überschätzten die Kristalldetektoren die Messwerte systematisch. Für den untersuchten Teil des Strahlungsfeldes führte das zu bis zu 30 Prozent höheren berechneten Dosiswerten und einem um etwa 15 Prozent höheren Strahlungsqualitätsfaktor. Beschränkten die Forscher die Auswertung auf weniger stark ionisierende Teilchen, stimmten die Dosiswerte dagegen bis auf 15 Prozent überein.

Für die Abweichungen kommen unzureichende Kalibrierungen oder zusätzliche Teilchenspuren durch Neutronenreaktionen infrage. Auch die geringe Zahl ausgewerteter Spuren erschwert den Vergleich: Bei den fluoreszierenden Kristallen waren es rund 150, bei den Kunststoffdetektoren fast 2.000. Diese Zahlen betreffen die untersuchten Teilmessungen und sind keine vollständigen Strahlendosen für Astronauten.

Schwache Teilchen hinterlassen nur Lichtpunkte

Die Kristalle zeigten auch viele schwache Signale, bei denen sich keine durchgehende Teilchenbahn erkennen ließ. Stattdessen erschienen einzelne leuchtende Punkte. Solche Spuren könnten künftig helfen, auch Teilchen mit geringerer Energieabgabe zu erfassen, als es die etablierten Kunststoffdetektoren üblicherweise erlauben.

Allerdings fehlt bislang eine zuverlässige Kalibrierung für diese Punktspuren. Die Autoren betonen, dass ihre beispielhafte Auswertung noch keine belastbare Messung darstellt. Als Nächstes wollen sie dafür ein Verfahren entwickeln und die automatisierte Untersuchung größerer Kristallflächen verbessern.

Warum die Mondumgebung anders ist

Für künftige Besatzungen ist zudem entscheidend, wie sich die Strahlung in Mondnähe von der Belastung in niedrigen Erdumlaufbahnen unterscheidet. Dort können eingefangene Protonen aus den Van-Allen-Strahlungsgürteln die Dosis beeinflussen. Weiter draußen gewinnt dagegen die energiereiche galaktische Strahlung an Bedeutung.

„Niederenergetische Protonen, die vom Magnetfeld unseres Planeten in den Van-Allen-Gürteln festgehalten werden, können den größten Teil der Strahlendosis ausmachen, die Astronauten in einer niedrigen Erdumlaufbahn erhalten. In der Nähe des Mondes entfällt dieser erhebliche Beitrag. Unsere Messungen aus dem MARE-Experiment deuten darauf hin, dass die gesamte Strahlendosis in Mondnähe wegen der beträchtlichen galaktischen Strahlung zwar höher ist als in der Erdumlaufbahn, der Unterschied aber nicht so groß ausfällt, wie man intuitiv erwarten könnte“, erklärt Prof. Paweł Bilski.

Diese Einordnung bezieht sich auf die breiteren Messdaten des MARE-Experiments. Die jetzt veröffentlichte Einzelstudie untersucht vor allem, wie zuverlässig die neuen Kristalldetektoren Teilchenspuren aus dem Mondraum auswerten können. Bis sich die Technik zur umfassenden Strahlungsdosimetrie eignet, müssen die Forscher vor allem ihre Kalibrierung weiter verbessern.

Quellen:

Originalstudie im Fachmagazin Radiation Measurements, doi: 10.1016/j.radmeas.2026.107806

Offizielle Studienmitteilung von Institute of Nuclear Physics, Polish Academy of Sciences (IFJ PAN)

26. Oktober 2026 - Clara Lyu

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