Entre 1968 y 1972, nueve naves Apolo viajaron hacia la Luna. Un total de 24 astronautas participarían en las distintas misiones lunares, de los cuales 18 siguen con vida en la actualidad. Hasta la fecha, son los únicos seres humanos que han viajado a otro mundo. Por este motivo, son también las únicas personas que se han enfrentado a los peligros de la radiación del medio interplanetario.
Muchos de los negacionistas de las misiones Apolo esgrimen precisamente el argumento de la radiación para refutar la viabilidad de las misiones lunares. Estos conspiranoicos afirman que la radiación ionizante interplanetaria y de los cinturones Van Allen hubiese matado a cualquier ser humano que viajase más allá de la órbita baja terrestre, ergo los viajes a la Luna fueron un montaje. Por supuesto, estas tesis revisionistas carecen de todo fundamento, pero, no obstante, los peligros de la radiación espacial son una realidad y presentan todo un reto para los futuros viajes interplanetarios. Entender la naturaleza de este fenómeno es crucial si queremos viajar más allá de la Tierra.
Fuentes de radiación ionizante en el espacio
La radiación ionizante en el espacio proviene de tres fuentes principales: los rayos cósmicos, el campo magnético terrestre y el Sol. Los rayos cósmicos son partículas interestelares -e incluso intergalácticas- que se originan en los lugares más pintorescos y violentos del Universo. Aproximadamente un 90% son protones energéticos, mientras que un 8% son núcleos de helio (partículas alfa). El 2% restante está compuesto por electrones (partículas beta) y otros núcleos pesados. Además de las partículas cargadas, los rayos cósmicos pueden generar neutrones -y otras partículas como muones o positrones- al colisionar con distintos materiales, lo que amplia sus efectos perniciosos. La capacidad de penetración de estas partículas en la materia varía según su energía y el tipo.
Los rayos cósmicos se caracterizan por tener un rango energético tremendamente amplio (109 - 1020 eV), por lo que su peligrosidad para el ser humano fluctúa enormemente. En cualquier caso, el flujo medio de los rayos cósmicos cerca de la Tierra es muy bajo. Para los astronautas en órbita baja, como los que viven en la ISS, el campo magnético terrestre es la principal fuente de protección contra estas partículas. Normalmente, en la literatura especializada se suele denominar a los rayos cósmicos como GCE (Galactic Cosmic Radiation), quizás porque eso de "rayo cósmico" suena poco serio.
Flujo de varios tipos de rayos cósmicos en función de su energía (NASA).
Flujo de rayos cósmicos en órbita baja en función de la latitud magnética, el ciclo solar y el tipo de partícula (NASA).
El Sol contribuye a la radiación interplanetaria con partículas del viento solar y fotones de alta energía (UV, rayos X y rayos gamma). El viento solar está formado por un flujo relativamente elevado de protones, partículas alfa e iones pesados (la mayoría núcleos de hierro), aunque la energía media de estas partículas es muy inferior a la de los rayos cósmicos. Sin embargo, ocasionalmente nuestra estrella tiene la mala costumbre de escupir partículas altamente peligrosas durante los llamados SPE (Solar Particle/Proton Events), que suelen ir asociados a fenómenos tales como fulguraciones (flares) o eyecciones de masa coronal (CME, Coronal Mass Ejections). Para no complicarnos la vida excesivamente con los entresijos de la física solar, estos "ataques" del Sol suelen recibir el nombre genérico y poco preciso de "tormenta solar". La mayor parte de las partículas generadas en estos eventos son protones, aunque su energía y densidad es muy variable. No todas las SPE de la misma intensidad pueden dañar por igual a los componentes de una misión tripulada. Sus efectos dependerán de la trayectoria de las partículas con respecto a la posición de los astronautas dentro del Sistema Solar. Aproximadamente sólo un 20% de las fulguraciones produce un SPE cuyas partículas llegan al sistema Tierra-Luna. Sin una protección adecuada, un astronauta situado en el espacio interplanetario expuesto a la radiación de un suceso de estas características podría recibir una dosis letal (lo que no implica que la muerte fuese inmediata).
La Tierra está protegida de las CPE gracias a la magnetosfera (NASA).
Por suerte para la exploración tripulada del espacio, los sucesos SPE realmente violentos son muy poco frecuentes: durante los once años que dura el ciclo de actividad solar sólo suelen tener lugar uno o dos como mucho, normalmente cerca del máximo. Durante el programa Apolo, la SPE más importante tuvo lugar en agosto de 1972, justo entre las misiones Apolo 16 y Apolo 17. De haber sufrido esta tormenta durante su estancia en el espacio, los astronautas podrían haber recibido dosis potencialmente fatales de radiación de unos 3,6 Sv (360 rem), aunque probablemente la misión se habría desarrollo normalmente. Además de partículas, el Sol también puede emitir importantes cantidades de rayos X y rayos gamma durante las fulguraciones. La estructura de una nave espacial es por lo general mucho más eficiente a la hora bloquear estas radiaciones electromagnéticas que cuando se trata de partículas. Aún así, es muy complicado eliminar este flujo por completo.
Características de algunos tipos de SPE (NASA).
Espectro de tres SPE solares violentos (NASA).
La última fuente de radiación que debemos mencionar es la magnetosfera terrestre. El campo magnético de nuestro planeta nos protege de las partículas energéticas de los rayos cósmicos y el Sol, pero a cambio atrapa algunas de estas partículas en determinadas zonas. Estas zonas se denominan cinturones de radiación Van Allen y constituyen la principal fuente de peligro para los vuelos tripulados en órbitas bajas y medias. Básicamente consisten en dos cinturones de electrones y uno de protones. El tamaño y forma de los cinturones de electrones depende de la actividad solar, pero el cinturón interior, formado por electrones poco energéticos (1-5 MeV) suele presentar un pico a los 2000-5000 km de altura, extendiéndose hasta los 12000 km. Por otro lado, el cinturón de electrones exterior es mucho más amplio y está compuesto por partículas bastante más energéticas (0,1-10 MeV) que presentan un máximo de densidad alrededor de los 25000 km de altura. Afortunadamente, la práctica totalidad de misiones tripuladas en LEO tienen lugar bajo los cinturones de electrones.
Esquema de los cinturones de radiación de la Tierra (Wikipedia/NASA).
Distribución del flujo en los cinturones de electrones (NASA).
El campo magnético terrestre también atrapa protones con energías medias de hasta 10 MeV en una zona que se extiende desde las capas altas de la atmósfera hasta la megnetopausa (36000-67000 km), con un pico a los 13000 km, coincidiendo por tanto con el cinturón interior de electrones. Estos protones de los cinturones Van Allen son especialmente peligrosos en la llamada Anomalía del Atlántico Sur (SAA, South Atlantic Anomaly), localizada a 35º S y 35º O. En esta región, la densidad de protones en órbita baja (LEO) supera con creces la encontrada en el resto de zonas del globo. De hecho, se estima que la mayor parte de las dosis de radiación recibidas por los astronautas en órbita baja se debe a la SAA, ya que cualquier nave en LEO con órbitas cuya inclinación supere los 30º (como es el caso de la ISS) debe atravesarla al menos cinco veces al día.
Distribución del flujo del cinturón de protones (NASA).
Flujo de protones en la Anomalía del Atlántico Sur (NASA).
Está claro entonces que los peligros más importantes desde el punto de vista de la radiación interplanetaria son los fenómenos SPE y los cinturones de radiación terrestres. Aunque los segundos se pueden evitar -o al menos minimizar el tiempo de exposición-, la emisión de protones energéticos solares es impredecible y, por tanto, mucho más peligrosa.
El flujo de los distintos tipos de partículas de la radiación espacial en función de su energía. Por suerte, las partículas más energéticas son también las que presentan un flujo menor (NASA).
Midiendo la dosis de radiación
Antes de proseguir debemos introducir brevemente las unidades empleadas para medir la dosis de radiación absorbida que reciben los astronautas en el curso de una misión espacial. En un principio, la unidad preferida para medir la dosis absorbida era el rad, definida como la dosis de radiación ionizante necesaria para causar la absorción de 0,01 J (julios) de energía por cada kilogramo de materia. Esta unidad se considera hoy en día obsoleta, prefiriéndose emplear dentro del Sistema Internacional el Gray (Gy, 1 Gy = 100 rad). El problema con estas unidades desde el punto de vista de los vuelos tripulados es que no tienen en cuenta los distintos efectos de la radiación según la naturaleza de la sustancia afectada. Está claro que no es lo mismo hablar de 1 kg de hierro que de 1 kg de carne humana. Además, los efectos de una misma dosis de radiación en los seres vivos varían según el tejido irradiado. Hay zonas de nuestro cuerpo mucho más sensibles a las radiaciones ionizantes que otras, como es el caso de la médula ósea o el estómago. Por este motivo se introdujo otra unidad de dosis efectiva equivalente (o simplemente dosis efectiva), el rem (röntgen equivalent in man), que es básicamente una forma de expresar la dosis en rads multiplicada por un factor corrector que depende del daño biológico causado por la radiación según el tejido. El rem era una unidad muy popular en los años 60 y 70, pero debido a que es proporcional al rad se decidió sustituirla por otra unidad acorde con el Sistema Internacional, el sievert (Sv, 1 Sv = 100 rem). El sievert es una unidad mucho más eficiente a la hora de medir el daño biológico de una dosis de radiación, pero lamentablemente la mayoría de la literatura de las misiones Apolo hace uso del rem y el rad, algo que debemos tener en cuenta a la hora de analizar los datos.
Es importante entender que la peligrosidad de la radiación depende no sólo de su energía y naturaleza -protones, rayos gamma, etc.-, sino también del tiempo de exposición. Si un astronauta recibe 0,25 Sv (25 rem) a lo largo de toda una vida, es altamente improbable que desarrolle algún cáncer o lesión debidos a la radiación. Por contra, si recibe esta radiación en menos de 30 días, el riesgo de desarrollar algún tipo de cáncer se eleva entonces de forma alarmante. Para hacernos una idea, se considera que dosis superiores a los 6 Sv (600 rem) recibidas a lo largo de una vida (70 años) suelen ser fatales, en el sentido que las probabilidades de que el individuo desarrolle un cáncer son casi del 100%. Si el tiempo de exposición para una dosis tan alta se reduce drásticamente, digamos a una hora, las probabilidades de supervivencia para un ser humano son prácticamente nulas. Dosis instantáneas superiores a 30 Sv causan la muerte de cualquier persona entre 0 y 48 horas, aunque en este caso la muerte no se producirá por cáncer, claro está. Una radiografía típica nos proporciona una dosis equivalente de 0,1 mSv (0,02 rem), mientras que a lo largo de un año todos recibimos unos 2-5 mSv (0,3-0,5 rem) debido a las fuentes de radiación naturales que nos rodean, incluidos los rayos cósmicos que consiguen atravesar la atmósfera (la media mundial es de 2,4 mSv/año).
Igualmente, la naturaleza de los tejidos, así como la edad y el sexo (el límite de dosis equivalente para las mujeres es ligeramente inferior al del hombre debido a la sensibilidad de los tejidos de las glándulas mamarias), son factores decisivos a la hora de establecer límites en las exposiciones, como podemos ver en la siguiente tabla de dosis máximas recomendadas para los astronautas de la NASA:
De lo comentado anteriormente se deduce que los efectos de la radiación son básicamente probabilísticos. Es decir, hay gente que, sometida a las mismas dosis equivalentes durante el mismo intervalo de tiempo desarrollará cáncer dentro de un periodo determinado, mientras que otras no lo harán. Los valores de dosis la tabla anterior se han elegido para que la probabilidad de desarrollar un cáncer a lo largo de la vida de un astronauta no supere el 3%. Por lo tanto, es preciso comprender que, incluso si nos mantenemos por debajo de las dosis recomendadas, un astronauta podría llegar a desarrollar un cáncer a lo largo de su vida por culpa de la radiación recibida durante el transcurso de sus estancia en el espacio, aunque sería algo improbable. Por esta razón, los límites máximos de dosis equivalentes recomendados por la NASA han disminuido a lo largo de los años.
La probabilidad de supervivencia (aproximada) en función de la dosis de radiación (en rem) (NASA).
Los rayos cósmicos pueden producir unas dosis de 0,01 mGy por hora, cantidad que se reduce a casi la mitad en la superficie lunar. Esta dosis aumenta durante los mínimos de actividad solar, ya que el campo magnético del Sol se debilita, favoreciendo la penetración de rayos cósmicos en nuestro Sistema Solar. Las dosis de radiación durante una tormenta solar especialmente intensa pueden variar enormemente, pero por lo general se encuentran en el rango de 3-4 Sv (300-400 rem). Esto puede no parecer algo espectacular, pero recordemos que el tiempo de exposición también resulta clave. Un astronauta sometido instantáneamente a 4 Sv en una tormenta solar habría resultado irradiado con una dosis equivalente al máximo permitido durante toda su carrera.
Las radiación en las misiones Apolo
Ahora que ya hemos visto por encima -muy por encima- los tipos de radiación espacial y las dosis de radiación típicas, ¿qué fue lo que experimentaron los astronautas del Apolo? Por lo que hemos expuesto hasta el momento, es fácil suponer que, siempre y cuando el tiempo de exposición no sea muy elevado, las condiciones de radiación en el espacio interplanetario no son especialmente elevadas comparadas con las dosis recibidas en LEO, salvo por dos excepciones: los cinturones de radiación Van Allen y las tormentas solares. En el caso de los primeros, las misiones Apolo atravesaban estas zonas muy rápidamente, en cuestión de pocas horas (30 minutos para el cinturón interior de protones, el más peligroso), por lo que la dosis absorbida era realmente minúscula. Con respecto a las tormentas solares, el programa Apolo simplemente fue muy afortunado, ya que durante el transcurso de las nueve misiones lunares no se produjo ninguna erupción solar significativa.
Aunque todavía no se entendía muy bien la dinámica de los cinturones de radiación en los años 60, la NASA era consciente de su peligro para las misiones tripuladas. De hecho, lejos de infravalorar el riesgo de los cinturones Van Allen y las partículas solares, la agencia espacial norteamericana dio una importancia enorme a este tema. Para medir la radiación, las misiones Apolo incorporaban varios dosímetros y sensores. Cada nave llevaba un instrumento específico para medir la radiación al atravesar los cinturones de radiación, el denominado instrumento VABD (Van Allen Belt Dosimeter). Además, cada astronauta portaba un dosímetro personal (PRD, Personal Radiation Dosimeter) con el fin de medir la dosis acumulada. Este aparato era transportado en los bolsillos de los trajes de vuelo y de EVA. Disponía de una pequeña pantalla que mostraba la dosis acumulada en un momento dado y, cada 12 horas, los astronautas debían registrar y comunicar a Houston la lectura de las dosis. Además del PRD, los astronautas llevaban tres dosímetros pasivos repartidos por distintas zonas de la ropa (pecho, tobillo y muslo) para ser analizados después del vuelo. Las tripulaciones tenían también a su disposición un medidor de radiación portátil, el RSM (Radiation Survey Meter), que era usado regularmente para comprobar los niveles de radiación en distintas zonas de la nave. Como vemos, la NASA consideró desde un principio que la radiación era un tema de gran importancia.
VABD (Van Allen Belt Dosimeter) (NASA).
PRD (Personal Radiation Dosimeter): cada astronauta llevaba uno (NASA).
Dosímetro pasivo: cada tripulante transportaba tres (NASA).
RSM (Radiation Survey meter): medidor de radiación portátil (NASA).
Distintos instrumentos para medir la radiación a bordo de las naves Apolo (NASA).
La NASA había puesto el límite de radiación para las misiones Apolo -de unos diez días de duración- en 400 rad (4 Gy) para dosis absorbidas en piel y 50 rad (0,5 Gy) en órganos internos (hematopoyéticos). Eran unos límites muy elevados comparados con los estándares actuales, principalmente porque todavía no se entendía muy bien los efectos de la radiación a largo plazo, especialmente los causados por partículas energéticas. Claro que se trataba de límites operativos, esto es, que, en caso de superarlos, se creía que la tripulación tendría bastantes probabilidades de quedar inutilizada inmediatamente y morir poco después, con la consiguiente pérdida de la misión. En cualquier caso, las dosis medidas durante las misiones Apolo resultaron ser muy inferiores a las esperadas y claramente por debajo de los límites operativos, como podemos ver en la siguiente tabla:
Se aprecia que la misión que recibió una dosis mayor fue el Apolo 14, con 1,14 rad (11,4 mGy) de dosis absorbida y 0,0014 rem de dosis equivalente. La diferencia de las dosis absorbidas durante cada misión se debía a la variabilidad de la actividad solar y a las distintas tareas que la tripulación llevó a cabo en el espacio. Se comprobó que las dosis recibidas por los órganos internos eran aproximadamente un 40% inferiores a las medidas sobre la piel, lo que se correspondía con lo observado en las misiones en LEO. Es importante destacar que las dosis de las misiones Apolo 7 y Apolo 9 fueron prácticamente similares al resto, pese a que tuvieron lugar en órbita baja.
En concreto, los temidos cinturones de radiación sólo contribuyeron en cada misión con 1 mGy (0,1 rad). Durante la mayor parte de las misiones -incluyendo el paso de los cinturones Van Allen-, los tres astronautas permanecieron en el interior del Módulo de Mando (CSM). El blindaje de la estructura del CSM se consideraba suficiente para bloquear la mayor parte de las partículas y fotones energéticos incidentes, aunque existían ciertas dudas sobre el nivel de protección del delicado Módulo Lunar (LM). De hecho, las normas de seguridad impedían la entrada de la tripulación en el LM hasta después de haber cruzado la zona más densa del cinturón de radiación exterior. No obstante, las dosis absorbidas por el comandante y el piloto del LM resultaron ser prácticamente idénticas -cuando no inferiores- a las recibidas por el piloto del CSM en casi todas las misiones. Por ejemplo, Armstrong y Aldrin recibieron una dosis similar a Collins, pese a que pasaron más tiempo en el LM y en la superficie lunar y, por consiguiente, fuera de la protección del CSM.
Las naves del programa Apolo: el CSM y el LM (NASA).
Por tanto, debemos tener claro que las misiones Apolo recibieron una dosis de radiación muy pequeña comparada con otras misiones en órbita baja, algo que queda patente en la siguiente tabla:
¿Cómo puede ser esto? ¿A caso los astronautas en LEO no están protegidos por el campo magnético terrestre? Sí, pero recordemos que los tiempos de exposición son tan importantes como el flujo de radiación. Las misiones Apolo sólo permanecieron diez días en el espacio cislunar, mientras que una misión en órbita baja puede durar varios meses. El récord de permanencia en el espacio sigue en posesión de Valeri Polyakov, que vivió 14 meses a bordo de la Mir, aunque las tripulaciones de la ISS sólo permanecen en la actualidad unos seis meses en órbita. La dosis efectiva media de radiación para los astronautas de las expediciones de la ISS es de unos 0,25 Sv (250 rem), es decir, unos 0,5 Sv/año, más de diez veces superior a la que podemos encontrar en cualquier lugar de la superficie terrestre libre de radiación artificial (en España, el límite para trabajadores expuestos es de 0,05 Sv/año).
Luego está claro que no se trata de un juego: la radiación en el espacio es un asunto muy serio. Resulta habitual que los astronautas, tanto aquellos que han viajado a la órbita baja como los del Apolo, informen de la visión de pequeños destellos aunque estén con los ojos cerrados, probablemente causados por la interacción de partículas energéticas con la retina. A pesar de que ningún astronauta del Apolo resultó frito por los cinturones de radiación o los rayos cósmicos -y tampoco ninguno se convirtió en miembro de los Cuatro Fantásticos-, de los datos se deduce que la radiación interplanetaria (cislunar) media es superior a la encontrada en órbita baja, aunque no significativamente (en ausencia de SPE, claro está).
Eventos SPE durante las misiones Apolo: ninguna misión sufrió un suceso significativo (NASA).
Dosis de radiación por día en función de la altura orbital medida en varias misiones del shuttle (NASA).
No se trata de minimizar la importancia de este factor. Todo lo contrario. La radiación es uno de los mayores problemas que se presentan a la hora de diseñar viajes tripulados a través del Sistema Solar. En este sentido, la principal protección de las misiones Apolo era su corta duración. Un viaje a Marte podría durar meses o años, por lo que las dosis acumuladas se dispararían y las probabilidades de sufrir los efectos de una tormenta solar letal aumentarían significativamente, especialmente cerca del máximo de actividad. Por ahora no existen límites a las dosis que podría recibir un astronauta en una misión a Marte, aunque se estima que un límite razonable podría ser de 1 Sv (100 rem) durante el transcurso de la misión, con 0,05-0,1 Sv (5-10 rem) acumulados durante las EVAs. Para evitar superar estos límites, además de intentar minimizar el tiempo de vuelo, será necesario implementar escudos antirradiación adecuados, tanto activos como pasivos.
Es importante destacar que todavía desconocemos claramente los efectos de las partículas energéticas en el cuerpo humano a largo plazo, ya que la mayor parte de datos sobre irradiaciones biológicas provienen del estudio de las consecuencias a la exposición de rayos X y rayos gamma. En todo caso, más tarde o temprano, otro ser humano se aventurará fuera de la Tierra siguiendo los pasos del Apolo. Más vale estar prevenidos.
Fuentes:
Muchos de los negacionistas de las misiones Apolo esgrimen precisamente el argumento de la radiación para refutar la viabilidad de las misiones lunares. Estos conspiranoicos afirman que la radiación ionizante interplanetaria y de los cinturones Van Allen hubiese matado a cualquier ser humano que viajase más allá de la órbita baja terrestre, ergo los viajes a la Luna fueron un montaje. Por supuesto, estas tesis revisionistas carecen de todo fundamento, pero, no obstante, los peligros de la radiación espacial son una realidad y presentan todo un reto para los futuros viajes interplanetarios. Entender la naturaleza de este fenómeno es crucial si queremos viajar más allá de la Tierra.
Fuentes de radiación ionizante en el espacio
La radiación ionizante en el espacio proviene de tres fuentes principales: los rayos cósmicos, el campo magnético terrestre y el Sol. Los rayos cósmicos son partículas interestelares -e incluso intergalácticas- que se originan en los lugares más pintorescos y violentos del Universo. Aproximadamente un 90% son protones energéticos, mientras que un 8% son núcleos de helio (partículas alfa). El 2% restante está compuesto por electrones (partículas beta) y otros núcleos pesados. Además de las partículas cargadas, los rayos cósmicos pueden generar neutrones -y otras partículas como muones o positrones- al colisionar con distintos materiales, lo que amplia sus efectos perniciosos. La capacidad de penetración de estas partículas en la materia varía según su energía y el tipo.
Los rayos cósmicos se caracterizan por tener un rango energético tremendamente amplio (109 - 1020 eV), por lo que su peligrosidad para el ser humano fluctúa enormemente. En cualquier caso, el flujo medio de los rayos cósmicos cerca de la Tierra es muy bajo. Para los astronautas en órbita baja, como los que viven en la ISS, el campo magnético terrestre es la principal fuente de protección contra estas partículas. Normalmente, en la literatura especializada se suele denominar a los rayos cósmicos como GCE (Galactic Cosmic Radiation), quizás porque eso de "rayo cósmico" suena poco serio.
Flujo de varios tipos de rayos cósmicos en función de su energía (NASA).
Flujo de rayos cósmicos en órbita baja en función de la latitud magnética, el ciclo solar y el tipo de partícula (NASA).
El Sol contribuye a la radiación interplanetaria con partículas del viento solar y fotones de alta energía (UV, rayos X y rayos gamma). El viento solar está formado por un flujo relativamente elevado de protones, partículas alfa e iones pesados (la mayoría núcleos de hierro), aunque la energía media de estas partículas es muy inferior a la de los rayos cósmicos. Sin embargo, ocasionalmente nuestra estrella tiene la mala costumbre de escupir partículas altamente peligrosas durante los llamados SPE (Solar Particle/Proton Events), que suelen ir asociados a fenómenos tales como fulguraciones (flares) o eyecciones de masa coronal (CME, Coronal Mass Ejections). Para no complicarnos la vida excesivamente con los entresijos de la física solar, estos "ataques" del Sol suelen recibir el nombre genérico y poco preciso de "tormenta solar". La mayor parte de las partículas generadas en estos eventos son protones, aunque su energía y densidad es muy variable. No todas las SPE de la misma intensidad pueden dañar por igual a los componentes de una misión tripulada. Sus efectos dependerán de la trayectoria de las partículas con respecto a la posición de los astronautas dentro del Sistema Solar. Aproximadamente sólo un 20% de las fulguraciones produce un SPE cuyas partículas llegan al sistema Tierra-Luna. Sin una protección adecuada, un astronauta situado en el espacio interplanetario expuesto a la radiación de un suceso de estas características podría recibir una dosis letal (lo que no implica que la muerte fuese inmediata).
La Tierra está protegida de las CPE gracias a la magnetosfera (NASA).
Por suerte para la exploración tripulada del espacio, los sucesos SPE realmente violentos son muy poco frecuentes: durante los once años que dura el ciclo de actividad solar sólo suelen tener lugar uno o dos como mucho, normalmente cerca del máximo. Durante el programa Apolo, la SPE más importante tuvo lugar en agosto de 1972, justo entre las misiones Apolo 16 y Apolo 17. De haber sufrido esta tormenta durante su estancia en el espacio, los astronautas podrían haber recibido dosis potencialmente fatales de radiación de unos 3,6 Sv (360 rem), aunque probablemente la misión se habría desarrollo normalmente. Además de partículas, el Sol también puede emitir importantes cantidades de rayos X y rayos gamma durante las fulguraciones. La estructura de una nave espacial es por lo general mucho más eficiente a la hora bloquear estas radiaciones electromagnéticas que cuando se trata de partículas. Aún así, es muy complicado eliminar este flujo por completo.
Características de algunos tipos de SPE (NASA).
Espectro de tres SPE solares violentos (NASA).
La última fuente de radiación que debemos mencionar es la magnetosfera terrestre. El campo magnético de nuestro planeta nos protege de las partículas energéticas de los rayos cósmicos y el Sol, pero a cambio atrapa algunas de estas partículas en determinadas zonas. Estas zonas se denominan cinturones de radiación Van Allen y constituyen la principal fuente de peligro para los vuelos tripulados en órbitas bajas y medias. Básicamente consisten en dos cinturones de electrones y uno de protones. El tamaño y forma de los cinturones de electrones depende de la actividad solar, pero el cinturón interior, formado por electrones poco energéticos (1-5 MeV) suele presentar un pico a los 2000-5000 km de altura, extendiéndose hasta los 12000 km. Por otro lado, el cinturón de electrones exterior es mucho más amplio y está compuesto por partículas bastante más energéticas (0,1-10 MeV) que presentan un máximo de densidad alrededor de los 25000 km de altura. Afortunadamente, la práctica totalidad de misiones tripuladas en LEO tienen lugar bajo los cinturones de electrones.
Esquema de los cinturones de radiación de la Tierra (Wikipedia/NASA).
Distribución del flujo en los cinturones de electrones (NASA).
El campo magnético terrestre también atrapa protones con energías medias de hasta 10 MeV en una zona que se extiende desde las capas altas de la atmósfera hasta la megnetopausa (36000-67000 km), con un pico a los 13000 km, coincidiendo por tanto con el cinturón interior de electrones. Estos protones de los cinturones Van Allen son especialmente peligrosos en la llamada Anomalía del Atlántico Sur (SAA, South Atlantic Anomaly), localizada a 35º S y 35º O. En esta región, la densidad de protones en órbita baja (LEO) supera con creces la encontrada en el resto de zonas del globo. De hecho, se estima que la mayor parte de las dosis de radiación recibidas por los astronautas en órbita baja se debe a la SAA, ya que cualquier nave en LEO con órbitas cuya inclinación supere los 30º (como es el caso de la ISS) debe atravesarla al menos cinco veces al día.
Distribución del flujo del cinturón de protones (NASA).
Flujo de protones en la Anomalía del Atlántico Sur (NASA).
Está claro entonces que los peligros más importantes desde el punto de vista de la radiación interplanetaria son los fenómenos SPE y los cinturones de radiación terrestres. Aunque los segundos se pueden evitar -o al menos minimizar el tiempo de exposición-, la emisión de protones energéticos solares es impredecible y, por tanto, mucho más peligrosa.
El flujo de los distintos tipos de partículas de la radiación espacial en función de su energía. Por suerte, las partículas más energéticas son también las que presentan un flujo menor (NASA).
Midiendo la dosis de radiación
Antes de proseguir debemos introducir brevemente las unidades empleadas para medir la dosis de radiación absorbida que reciben los astronautas en el curso de una misión espacial. En un principio, la unidad preferida para medir la dosis absorbida era el rad, definida como la dosis de radiación ionizante necesaria para causar la absorción de 0,01 J (julios) de energía por cada kilogramo de materia. Esta unidad se considera hoy en día obsoleta, prefiriéndose emplear dentro del Sistema Internacional el Gray (Gy, 1 Gy = 100 rad). El problema con estas unidades desde el punto de vista de los vuelos tripulados es que no tienen en cuenta los distintos efectos de la radiación según la naturaleza de la sustancia afectada. Está claro que no es lo mismo hablar de 1 kg de hierro que de 1 kg de carne humana. Además, los efectos de una misma dosis de radiación en los seres vivos varían según el tejido irradiado. Hay zonas de nuestro cuerpo mucho más sensibles a las radiaciones ionizantes que otras, como es el caso de la médula ósea o el estómago. Por este motivo se introdujo otra unidad de dosis efectiva equivalente (o simplemente dosis efectiva), el rem (röntgen equivalent in man), que es básicamente una forma de expresar la dosis en rads multiplicada por un factor corrector que depende del daño biológico causado por la radiación según el tejido. El rem era una unidad muy popular en los años 60 y 70, pero debido a que es proporcional al rad se decidió sustituirla por otra unidad acorde con el Sistema Internacional, el sievert (Sv, 1 Sv = 100 rem). El sievert es una unidad mucho más eficiente a la hora de medir el daño biológico de una dosis de radiación, pero lamentablemente la mayoría de la literatura de las misiones Apolo hace uso del rem y el rad, algo que debemos tener en cuenta a la hora de analizar los datos.
Es importante entender que la peligrosidad de la radiación depende no sólo de su energía y naturaleza -protones, rayos gamma, etc.-, sino también del tiempo de exposición. Si un astronauta recibe 0,25 Sv (25 rem) a lo largo de toda una vida, es altamente improbable que desarrolle algún cáncer o lesión debidos a la radiación. Por contra, si recibe esta radiación en menos de 30 días, el riesgo de desarrollar algún tipo de cáncer se eleva entonces de forma alarmante. Para hacernos una idea, se considera que dosis superiores a los 6 Sv (600 rem) recibidas a lo largo de una vida (70 años) suelen ser fatales, en el sentido que las probabilidades de que el individuo desarrolle un cáncer son casi del 100%. Si el tiempo de exposición para una dosis tan alta se reduce drásticamente, digamos a una hora, las probabilidades de supervivencia para un ser humano son prácticamente nulas. Dosis instantáneas superiores a 30 Sv causan la muerte de cualquier persona entre 0 y 48 horas, aunque en este caso la muerte no se producirá por cáncer, claro está. Una radiografía típica nos proporciona una dosis equivalente de 0,1 mSv (0,02 rem), mientras que a lo largo de un año todos recibimos unos 2-5 mSv (0,3-0,5 rem) debido a las fuentes de radiación naturales que nos rodean, incluidos los rayos cósmicos que consiguen atravesar la atmósfera (la media mundial es de 2,4 mSv/año).
Igualmente, la naturaleza de los tejidos, así como la edad y el sexo (el límite de dosis equivalente para las mujeres es ligeramente inferior al del hombre debido a la sensibilidad de los tejidos de las glándulas mamarias), son factores decisivos a la hora de establecer límites en las exposiciones, como podemos ver en la siguiente tabla de dosis máximas recomendadas para los astronautas de la NASA:
De lo comentado anteriormente se deduce que los efectos de la radiación son básicamente probabilísticos. Es decir, hay gente que, sometida a las mismas dosis equivalentes durante el mismo intervalo de tiempo desarrollará cáncer dentro de un periodo determinado, mientras que otras no lo harán. Los valores de dosis la tabla anterior se han elegido para que la probabilidad de desarrollar un cáncer a lo largo de la vida de un astronauta no supere el 3%. Por lo tanto, es preciso comprender que, incluso si nos mantenemos por debajo de las dosis recomendadas, un astronauta podría llegar a desarrollar un cáncer a lo largo de su vida por culpa de la radiación recibida durante el transcurso de sus estancia en el espacio, aunque sería algo improbable. Por esta razón, los límites máximos de dosis equivalentes recomendados por la NASA han disminuido a lo largo de los años.
La probabilidad de supervivencia (aproximada) en función de la dosis de radiación (en rem) (NASA).
Los rayos cósmicos pueden producir unas dosis de 0,01 mGy por hora, cantidad que se reduce a casi la mitad en la superficie lunar. Esta dosis aumenta durante los mínimos de actividad solar, ya que el campo magnético del Sol se debilita, favoreciendo la penetración de rayos cósmicos en nuestro Sistema Solar. Las dosis de radiación durante una tormenta solar especialmente intensa pueden variar enormemente, pero por lo general se encuentran en el rango de 3-4 Sv (300-400 rem). Esto puede no parecer algo espectacular, pero recordemos que el tiempo de exposición también resulta clave. Un astronauta sometido instantáneamente a 4 Sv en una tormenta solar habría resultado irradiado con una dosis equivalente al máximo permitido durante toda su carrera.
Las radiación en las misiones Apolo
Ahora que ya hemos visto por encima -muy por encima- los tipos de radiación espacial y las dosis de radiación típicas, ¿qué fue lo que experimentaron los astronautas del Apolo? Por lo que hemos expuesto hasta el momento, es fácil suponer que, siempre y cuando el tiempo de exposición no sea muy elevado, las condiciones de radiación en el espacio interplanetario no son especialmente elevadas comparadas con las dosis recibidas en LEO, salvo por dos excepciones: los cinturones de radiación Van Allen y las tormentas solares. En el caso de los primeros, las misiones Apolo atravesaban estas zonas muy rápidamente, en cuestión de pocas horas (30 minutos para el cinturón interior de protones, el más peligroso), por lo que la dosis absorbida era realmente minúscula. Con respecto a las tormentas solares, el programa Apolo simplemente fue muy afortunado, ya que durante el transcurso de las nueve misiones lunares no se produjo ninguna erupción solar significativa.
Aunque todavía no se entendía muy bien la dinámica de los cinturones de radiación en los años 60, la NASA era consciente de su peligro para las misiones tripuladas. De hecho, lejos de infravalorar el riesgo de los cinturones Van Allen y las partículas solares, la agencia espacial norteamericana dio una importancia enorme a este tema. Para medir la radiación, las misiones Apolo incorporaban varios dosímetros y sensores. Cada nave llevaba un instrumento específico para medir la radiación al atravesar los cinturones de radiación, el denominado instrumento VABD (Van Allen Belt Dosimeter). Además, cada astronauta portaba un dosímetro personal (PRD, Personal Radiation Dosimeter) con el fin de medir la dosis acumulada. Este aparato era transportado en los bolsillos de los trajes de vuelo y de EVA. Disponía de una pequeña pantalla que mostraba la dosis acumulada en un momento dado y, cada 12 horas, los astronautas debían registrar y comunicar a Houston la lectura de las dosis. Además del PRD, los astronautas llevaban tres dosímetros pasivos repartidos por distintas zonas de la ropa (pecho, tobillo y muslo) para ser analizados después del vuelo. Las tripulaciones tenían también a su disposición un medidor de radiación portátil, el RSM (Radiation Survey Meter), que era usado regularmente para comprobar los niveles de radiación en distintas zonas de la nave. Como vemos, la NASA consideró desde un principio que la radiación era un tema de gran importancia.
VABD (Van Allen Belt Dosimeter) (NASA).
PRD (Personal Radiation Dosimeter): cada astronauta llevaba uno (NASA).
Dosímetro pasivo: cada tripulante transportaba tres (NASA).
RSM (Radiation Survey meter): medidor de radiación portátil (NASA).
Distintos instrumentos para medir la radiación a bordo de las naves Apolo (NASA).
La NASA había puesto el límite de radiación para las misiones Apolo -de unos diez días de duración- en 400 rad (4 Gy) para dosis absorbidas en piel y 50 rad (0,5 Gy) en órganos internos (hematopoyéticos). Eran unos límites muy elevados comparados con los estándares actuales, principalmente porque todavía no se entendía muy bien los efectos de la radiación a largo plazo, especialmente los causados por partículas energéticas. Claro que se trataba de límites operativos, esto es, que, en caso de superarlos, se creía que la tripulación tendría bastantes probabilidades de quedar inutilizada inmediatamente y morir poco después, con la consiguiente pérdida de la misión. En cualquier caso, las dosis medidas durante las misiones Apolo resultaron ser muy inferiores a las esperadas y claramente por debajo de los límites operativos, como podemos ver en la siguiente tabla:
Se aprecia que la misión que recibió una dosis mayor fue el Apolo 14, con 1,14 rad (11,4 mGy) de dosis absorbida y 0,0014 rem de dosis equivalente. La diferencia de las dosis absorbidas durante cada misión se debía a la variabilidad de la actividad solar y a las distintas tareas que la tripulación llevó a cabo en el espacio. Se comprobó que las dosis recibidas por los órganos internos eran aproximadamente un 40% inferiores a las medidas sobre la piel, lo que se correspondía con lo observado en las misiones en LEO. Es importante destacar que las dosis de las misiones Apolo 7 y Apolo 9 fueron prácticamente similares al resto, pese a que tuvieron lugar en órbita baja.
En concreto, los temidos cinturones de radiación sólo contribuyeron en cada misión con 1 mGy (0,1 rad). Durante la mayor parte de las misiones -incluyendo el paso de los cinturones Van Allen-, los tres astronautas permanecieron en el interior del Módulo de Mando (CSM). El blindaje de la estructura del CSM se consideraba suficiente para bloquear la mayor parte de las partículas y fotones energéticos incidentes, aunque existían ciertas dudas sobre el nivel de protección del delicado Módulo Lunar (LM). De hecho, las normas de seguridad impedían la entrada de la tripulación en el LM hasta después de haber cruzado la zona más densa del cinturón de radiación exterior. No obstante, las dosis absorbidas por el comandante y el piloto del LM resultaron ser prácticamente idénticas -cuando no inferiores- a las recibidas por el piloto del CSM en casi todas las misiones. Por ejemplo, Armstrong y Aldrin recibieron una dosis similar a Collins, pese a que pasaron más tiempo en el LM y en la superficie lunar y, por consiguiente, fuera de la protección del CSM.
Las naves del programa Apolo: el CSM y el LM (NASA).
Por tanto, debemos tener claro que las misiones Apolo recibieron una dosis de radiación muy pequeña comparada con otras misiones en órbita baja, algo que queda patente en la siguiente tabla:
¿Cómo puede ser esto? ¿A caso los astronautas en LEO no están protegidos por el campo magnético terrestre? Sí, pero recordemos que los tiempos de exposición son tan importantes como el flujo de radiación. Las misiones Apolo sólo permanecieron diez días en el espacio cislunar, mientras que una misión en órbita baja puede durar varios meses. El récord de permanencia en el espacio sigue en posesión de Valeri Polyakov, que vivió 14 meses a bordo de la Mir, aunque las tripulaciones de la ISS sólo permanecen en la actualidad unos seis meses en órbita. La dosis efectiva media de radiación para los astronautas de las expediciones de la ISS es de unos 0,25 Sv (250 rem), es decir, unos 0,5 Sv/año, más de diez veces superior a la que podemos encontrar en cualquier lugar de la superficie terrestre libre de radiación artificial (en España, el límite para trabajadores expuestos es de 0,05 Sv/año).
Luego está claro que no se trata de un juego: la radiación en el espacio es un asunto muy serio. Resulta habitual que los astronautas, tanto aquellos que han viajado a la órbita baja como los del Apolo, informen de la visión de pequeños destellos aunque estén con los ojos cerrados, probablemente causados por la interacción de partículas energéticas con la retina. A pesar de que ningún astronauta del Apolo resultó frito por los cinturones de radiación o los rayos cósmicos -y tampoco ninguno se convirtió en miembro de los Cuatro Fantásticos-, de los datos se deduce que la radiación interplanetaria (cislunar) media es superior a la encontrada en órbita baja, aunque no significativamente (en ausencia de SPE, claro está).
Eventos SPE durante las misiones Apolo: ninguna misión sufrió un suceso significativo (NASA).
Dosis de radiación por día en función de la altura orbital medida en varias misiones del shuttle (NASA).
No se trata de minimizar la importancia de este factor. Todo lo contrario. La radiación es uno de los mayores problemas que se presentan a la hora de diseñar viajes tripulados a través del Sistema Solar. En este sentido, la principal protección de las misiones Apolo era su corta duración. Un viaje a Marte podría durar meses o años, por lo que las dosis acumuladas se dispararían y las probabilidades de sufrir los efectos de una tormenta solar letal aumentarían significativamente, especialmente cerca del máximo de actividad. Por ahora no existen límites a las dosis que podría recibir un astronauta en una misión a Marte, aunque se estima que un límite razonable podría ser de 1 Sv (100 rem) durante el transcurso de la misión, con 0,05-0,1 Sv (5-10 rem) acumulados durante las EVAs. Para evitar superar estos límites, además de intentar minimizar el tiempo de vuelo, será necesario implementar escudos antirradiación adecuados, tanto activos como pasivos.
Es importante destacar que todavía desconocemos claramente los efectos de las partículas energéticas en el cuerpo humano a largo plazo, ya que la mayor parte de datos sobre irradiaciones biológicas provienen del estudio de las consecuencias a la exposición de rayos X y rayos gamma. En todo caso, más tarde o temprano, otro ser humano se aventurará fuera de la Tierra siguiendo los pasos del Apolo. Más vale estar prevenidos.
Fuentes:
- Space RAD Health, Vol. 1, Nº 1 (abril 2001).
- Biomedical Results of Apollo: Radiation Protection and Instrumentation, J. Vernon Bailey, NASA.
- Space Radiation Analysis Group, JSC-NASA.
- NASA-STD-3000 Man-Systems Integration Standards, NASA
- The Van Allen Belts, NASA.
- Spaceflight Radiation Health Program, NASA.
- Lunar Outpost: the Challenges of Establishing a Human Settlement on the Moon, Erik Seedhouse (Springer Praxis, 2009).
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