Ionisierende Strahlung wechselwirkt natürlich nicht nur mit lebenden Gewebe sondern mit jeglicher Art der Materie. Ein besonders beachtenswerter Bereich ist die Strahlenwirkung auf Elektronik (Radiation-2-Electronics).

Lernziele:

• Welche Typen der Strahlenschäden in elektronischen Bauteilen unterscheidet man?
• Durch welche Strahlenarten/Energien werden sie typischerweise ausgelöst?
• Wie können sich die Schäden im Hinblick auf das Verhalten der elektronischen Komponenten auswirken?
• Welche Radiation Hardening Techniken werden verwendet?
• Welche Bereiche der modernen technischen Gesellschaft sind besonders gefährdet?

Seit dem Beginn des Raumfahrtzeitalters in 1957 sind tausende Objekte in den Weltraum gestartet worden. Am Ende ihrer Lebensdauer bleiben diese Objekte in der Regeln weiter im Orbit. Hinzu kommen Explosionen von Raketenstufen und Kollisionen, die viele weitere Weltraummüllteilchen erzeugen. Zur Zeit gibt es etwa 20 000 Objekte im Weltall, die größer sind als ca. 10 cm. Diese werden kontinuierlich vom Boden aus verfolgt. Nach Schätzungen gibt es etwa 700 000 Weltraummüllteilchen größer als 1 cm und noch viel mehr kleinere Teilchen. Treffen diese auf Satelliten, so richten sie ähnliche Schäden an wie Meteoroiden. Im Bereich des Low Earth Orbits (unterhalb von ca. 2000 km Höhe) und im Bereich des geostationären Orbits (um 36 000 km Höhe) ist der Fluss von Weltraummüllteilchen bereits höher als der von Meteoroiden. Unterhalb von 800 – 1000 km Höhe wird Weltraummüll durch die Restatmosphäre langsam abgebremst und sie fallen zurück in die Atmosphäre. Je nach Höhe, kann dies aber Jahrzehnte, Jahrhunderte oder sogar Jahrtausende dauern.  

“Der Weltraum ist groß. Verdammt groß. Du kannst dir einfach nicht vorstellen, wie groß, gigantisch, wahnsinnig riesenhaft der Weltraum ist.” (Douglas Adams, Per Anhalter durch die Galaxis)

Trotz der unglaublichen Größe des Weltraums ist lokal begrenzt ziemlich viel los. In unserem Sonnensystem finden sich neben der Sonne und den Planeten noch weitere, kleinere Objekte, von denen wir einige hier einführen.

Lernziele:

• Machen Sie sich die Begriffe Meteoroid, Asteroid, Meteor, Feuerball, Meteorit, Komet und Debris klar?
• Welche Verfahren werden zur Beobachtung verwendet?
• Welche Gefahren gehen von den einzelnen Komponenten aus?
• Wie kommt ein Meteor-Schauer zustande? 
• Welche grundsätzlichen Arten von Meteoriten gibt es?
• Was versteht man unter dem Begriff ‚Differenzierung‘ eines Himmelskörpers?
• Warum verraten uns Meteoriten etwas über die Entstehungsgeschichte des Sonnensystem? 
• Für welche Art von Meteoriten gilt die obige Aussage nicht?

Asteroiden und Meteoroiden

Als Asteroid oder Meteoroid werden kleine Objekte bezeichnet, die hauptsächlich aus Gestein und Metall bestehen und um die Sonne kreisen. Asteroiden sind kleiner als Zwergplaneten aber größer als Meteoroiden, deren Größe von Bruchteilen eines Millimeters bis zu einem Meter reicht. Der Großteil der bekannten Asteroiden befindet sich im Asteroidengürtel, zwischen der Umlaufbahn von Mars und Jupiter. 

Asteroiden mit einem Perihelion kleiner als 1.3 AU (1 AU = 150 Mio. km, Abstand Erde-Sonne) werden erdnahe Asteroiden genannt. Nach Schätzungen gibt es etwa 60 – 100 Mio. erdnahe Asteroiden, die größer sind als 10 m. Zur Zeit (2017) sind etwa 16 000 von diesen bekannt. Einige (etwa 500) dieser Objekte haben eine kleine Chance in den nächsten 100 Jahren auf der Erde einzuschlagen. Vorhersagen über diesen Zeitraum hinaus sind nicht mehr zuverlässig. Intensive Studien finden statt um mehr der erdnahen Asteroiden zu entdecken, das Einschlagsrisiko zu berechnen und auch mögliche Gegenmaßnahmen zu planen. 

Objekte kleiner als 1m werden als Meteoroide bezeichnet. Je kleiner die Objekte sind, desto häufiger kommen sie vor. Meteoroide kleiner als ca. 30 cm stammen hauptsächlich von Kometen, größere Objekte von Asteroiden. Satelliten im Weltraum werden kontinuierlich von kleinen Meteoroiden getroffen. Das erfordert entsprechende Schutzmaßnahmen, z.B. dickere Wände oder spezielle Schutzschilde. Beim Ausgasen von Kometen werden Meteoroide in den Weltraum geschleudert. Zunächst befinden sie sich entlang der Bahn des Kometen als Meteoroidenströme. In Laufe von einigen 100 oder 1000 Jahren verteilen sie sich und werden Teil der Hintergrundverteilung, die man auch Sporadische Meteoroiden nennt.  

Kometen

Ein Komet ist ein vereister Himmelskörper unseres Sonnensystems von meist einigen Kilometern Durchmesser. Er besteht aus Eis, Staub und lockerem Gestein. Nahe der Sonne erwärmt er sich und das Eis unter der Oberfläche wird in Gas umgewandelt. Durch dieses Ausgasen entsteht eine sichtbare Koma. Anschließend bildet sich zwei Schweife, da die Bestandteile der Koma von Sonnenwinden (Plasmaschweif) und Strahlungsdruck (Staubschweif) verteilt werden. Der Plasmaschweif besteht aus Ionen und der Staubschweif aus kleinen Meteoroiden (Staubteilchen). Kometen, so die weitverbreitete Annahme, sind in der protoplanetaren Scheibe entstanden. Bis heute bestehen sie aus nahezu unverändertem Material der „Kinderstube“ des Sonnensystems. Aus diesem Grund sind sie sehr interessante Untersuchungsobjekte des Sonnensystems.

Meteore

Tritt ein Meteoroid in die Erdatmosphäre ein, erzeugt er eine Leuchterscheinung. Diese helle Spur wird Meteor oder auch Sternschnuppe genannt. Der Leuchteffekt entsteht nur zum kleinen Teil durch das Verglühen des Meteoroiden selbst und hauptsächlich durch Luftreibung und Abdampfen des Materials. Hinter dem Meteoroiden entsteht so eine ionisierte Spur, die durch Rekombination der angeregten Elektronen der Luftatome leuchtet. Meteore entstehen in etwa 110 – 100 km Höhe, sie sind einige zehn Kilometer lang und zwischen 11 und 72 km/s schnell. Einen nicht vollständig verglühten Meteoroiden, der die Erdoberfläche erreicht, bezeichnet man als Meteoriten.

Einzeln auftretende Meteore nennt man Sporaden. Meteore, die von Meteoroiden erzeugt werden, die vom gleichen Objekt abstammen, fasst man als Meteorschauer zusammen. Alle zu einem Schauer gehörenden Meteore scheinen den gleichen Ursprung (Radiant) zu haben und werden nach dem Sternbild benannt, in dem er liegt. Besonders bekannt sind die Leoniden im November, deren Radiant im Sternbild Löwe liegt und die Perseiden im August, deren Radiant im Sternbild Perseus liegt. Beide Schauer werden durch die Schweife von Kometen erzeugt.

Die folgenden beiden Videos führen sie etwas in das Thema ein. Wir sie haben anlässlich des Asteroid-Days 2020 für das Schlaue Haus Oldenburg aufgezeichnet.

Im ersten Teil geht es nochmals allgemein um das Thema:

Im zweiten Teil berichtet Dr. Drolshagen über ein fiktives Szenario eines Asteroideneinschlages und wir man versuchen würde sich darauf vorzubereiten. Auch wenn es zunächst etwas kurios wirkt, ist dies doch prinzipiel ein reales “Training” das regelmäßig im Rahmen von Tagungen zum Thema durchgespielt wird.

Alle die noch tiefer einsteigen möchten, finden hier einen wunderbaren Beitrag zum aktuellen Stand der europäischen Feuerkugelnetzwerke.

Überall im Weltraum gibt es Plasma und hochenergetische Strahlung. Diese stammen von der Sonne aus anderen galaktischen oder kosmischen Quellen oder durch Ionisierung von Atomen und Molekülen in der oberen Erdatmosphäre. Hauptkomponenten sind Elektronen, Protonen und schwere Ionen. Durch das Erdmagnetfeld gibt es auch eingefangene Elektronen und Protonen um die Erde herum, die sogenannten van Allen Strahlengürtel. Von der Sonne gibt es einmal den kontinuierlichen Sonnenwind und gelegentliche Ausbrüche von energetischen Protonen. Energien von Elektronen reichen bis zu einigen MeV von Protonen bis zu einigen 100 MeV und von schweren Ionen bis zu einigen GeV. Diese Strahlung hat Auswirkungen sowohl auf Astronauten als auch auf die Elektronik und andere empfindliche Komponenten von Satelliten (z.B. Solarzellen). 

Bis zu Energien von etwa 50 eV spricht man von einem Plasma. Dieses kann zur elektrostatischen Aufladung von Satellitenoberflächen führen. Daraus resultierende Entladungen können Schäden verursachen. Ausbrüche von Plasma und Strahlung von der Sonne haben auch Auswirkungen auf die Erde, z.B. erzeugen sie die Polarlichter und sie können auch durch Wechselwirkung mit der Ionosphäre Kommunikation und Navigation beeinflussen. Durch Analyse von Strahlungsdaten und Beobachtung der Sonne versucht man Ausbrüche und Phasen besonders intensiver Strahlung vorherzusagen. 

Lernziele:

• Aus welchen Teilchen besteht die Kosmische Strahlung?
• Was sind die Quellen kosmischer Strahlung?
• Wodurch wird die Erde vor hochenergetischer Strahlung geschützt?
• Welches sind die Schwachstellen dieses Schutzes?
• Wie entstehen Polarlichter?
• Was versteht man unter einem Teilchenschauer?
• Welchen Gefahren sind Astronauten durch kosmischer Strahlung ausgesetzt?
• Warum kann man Missionen zum
• Mond und Mars nicht mit der Aufenthaltsdauer auf der ISS skalieren?
• Welche Materialien werden zur Zeit bei der Suche nach Abschirmungen favorisiert?
• Warum stellt die hochenergetische, extrasolare Komponente ein besonderes Problem des Strahlenschutzes für Astronauten dar?
• Wie variiert diese im solaren Zyklus? (Achtung evtl. müssen sie selber recherchieren)

Der Weltraum beginnt ab einer Höhe von 100 km über der Erdoberfläche. Der Raum dort ist nicht leer. Außer der elektromagnetischen Strahlung von der Sonne gibt es viele andere Komponenten. Die Hauptkomponenten sind: Das Erdmagnetfeld, die obere Restatmosphäre, Plasma, UV- und Röntgenstrahlung, Teilchenstrahlung (Elektronen, Protonen und schwerere Ionen) von der Sonne und von anderen galaktischen Quellen, Staub und Meteoroide, Asteroide und Kometen und auch Weltraummüll. Diese Komponenten der Weltraumumgebung haben Auswirkungen auf alle Objekte im Weltraum und manchmal auch auf die Erde. Beispiele sind die Polarlichter, elektrostatische Entladungen auf Satelliten, das Strahlenrisiko für Astronauten und elektronische Komponenten von Satelliten, Störungen von Kommunikation und Navigation, Einschläge von Meteoroiden und Weltraummüll auf Satelliten, Meteore und erdnahe Asteroiden. Dieser Arbeitsbereich befasst sich mit Messungen und Modellierungen der Weltraumumgebung und deren Auswirkungen. 

Lernziel:

Welches sind die Komponenten der Weltraumumgebung?

In der Nukleartherapie werden Radioaktive Stoffe verwendet, um erkranktes Gewebe zu zerstören. Dabei nutzt man aus, dass sich die Radiopharmaka den Weg zur Erkrankung durch den Stoffwechselprozess des Körpers suchen. So wird I-131 bspw. für die Therapie von Schilddrüsenerkrankungen verwendet.

Die sogenannte Radioiodtherapie ist dabei in der Tat auch die häufigste Anwendung der nuklearmedizinischen Therapie. Sie wird zur Therapie sowohl von gutartigen als auch bösartigen Schilddrüsenerkrankungen verwendet. Im folgenden schauen wir uns einige Beispiele an.

Lernziele:

• Was versteht man unter der Radio-Iod-Therapie?
• Bei welchen Erkrankungen kommt sie zum Einsatz?
• Warum müssen die Patienten stationär aufgenommen werden?
• Nennen sie einige Beispiele für weitere Nuklide, die zum Einsatz kommen können.

Targeted Tumor Therapie

Eine andere Anwendung ist die sogenannte „targeted radiotherapy, dabei werden hochkomplexe Biomoleküle mit radioaktiven Substanzen beladen. Diese Substanzen gelangen dann über das Blut bis in die Tumorzellen und deponierten dort ihre Strahlungsenergie.

Das folgende Video der IAEA gibt ihnen noch einmal einen vertiefenden Überblick über die Radionuklid-Therapien: