Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Promieniowanie jest bezbarwnym, pozbawionym smaku i zapachu wrogiem zarówno ludzi, jak i elektroniki. A dzięki zmianom w polu magnetycznym Ziemi region zwany Anomalią Południowego Atlantyku (SAA) regularnie wystawia orbitujące statki kosmiczne na działanie niebezpiecznych cząstek. Przez lata SAA był odpowiedzialny za kilka awarii statków kosmicznych. Z tego powodu ustala się, kiedy astronauci mogą, a kiedy nie powinni wykonywać spacerów kosmicznych. W miarę, jak przestrzeń wokół Ziemi wypełnia się coraz większą liczbą statków, to rośnie zagrożenie od SAA, a nawet może mieć wpływ na przyszłość lotów kosmicznych.

Czym właściwie jest anomalia magnetyczna? Ziemskie pole magnetyczne jest wynikiem samopodtrzymującego się procesu zwanego geodynamem. Gdy stopione żelazo rozlewa się wokół zewnętrznego jądra naszej planety, wytwarza ono potężne prądy elektryczne, które z kolei tworzą i wzmacniają pole magnetyczne. Samo pole magnetyczne Ziemi rozciąga się na dziesiątki tysięcy kilometrów w głąb kosmosu, a obszar, w którym pole magnetyczne oddziałuje z naładowanymi cząstkami, nazywany jest magnetosferą. Magnetosfera chroni życie na Ziemi, odchylając wiatr słoneczny i promienie kosmiczne, które bez tej ochronnej osłony mogłyby pozbawić planetę atmosfery.  

Ale nie wszystkie nadlatujące cząstki są odbijane. Niektóre zostają uwięzione w dwóch regionach zwanych pasami radiacyjnymi Van Allena. Wnętrze dwóch pasów Van Allena znajduje się średnio około 645 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Pasy Van Allena są rozmieszczone symetrycznie względem osi magnetycznej Ziemi, która nie jest idealnie wyrównana z osią obrotu Ziemi. W rezultacie odległość Pasów od powierzchni Ziemi jest różna w zależności od miejsca na Ziemi.

SAA to region, w którym wewnętrzny pas Van Allena znajduje się najbliżej Ziemi – zaledwie 190 km nad powierzchnią. Na tej wysokości statek kosmiczny znajdujący się na niskiej orbicie okołoziemskiej (ang. low Earth orbit, LEO) może okresowo przechodzić przez SAA, wystawiając się (oraz w przypadku misji załogowych swoich pasażerów) na duże ilości uwięzionych cząstek o wysokiej energii – tj. potencjalnie szkodliwe dawki promieniowania.

Promieniowanie z SAA niewątpliwie wpływało już na statki kosmiczne, czasami prowadząc do ich uszkodzenia. Jednym z takich przypadków jest satelita naukowo-badawczy X-ray Astronomy (nazywany też Hitomi) należący do Japońskiej Agencji Eksploracji Aerokosmicznej (JAXA). Hitomi został wystrzelony do LEO w lutym 2016 roku w celu zbadania wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich pochodzących z ekstremalnych procesów zachodzących we Wszechświecie. Celem badań miały być m.in. centra aktywnych galaktyk, okolice czarnych dziur, supernowe oraz gromady galaktyk. Astronomowie liczyli również na dokładne dane o wielkoskalowej strukturze Wszechświata, czyli jak powstają i ewoluują galaktyki i gromady galaktyk oraz jaką rolę w tym procesie spełnia ciemna materia. JAXA utraciła jednak kontakt z sondą 26 marca 2016 roku. Wkrótce okazało się, że Hitomi wpierw wpadł w niekontrolowany ruch obrotowy, a następnie rozpadł się na części.  Chociaż dokładne szczegóły problemów prowadzących do utraty satelity są nadal przedmiotem badań, to wiadomo, że urządzenie śledzące gwiazdy zainstalowane w satelicie informowało statek kosmiczny o tym, jak jest zorientowany w kosmosie i wielokrotnie napotykało problemy, gdy sonda przelatywała przez SAA. Możliwe, że promieniowanie uszkodziło system i ostatecznie spowodowało, że sonda zaczęła się zbyt szybko obracać, próbując skorygować problemy pozycyjne, które w rzeczywistości nie istniały.

Nie tylko satelity miały problemy. Komputery i instrumenty na pokładzie Skylab (skrót od ang. Sky Laboratory) – amerykańskiej stacji kosmicznej działającej od 1973 do 1979 roku, Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), promów kosmicznych, a nawet statku Dragon SpaceX doświadczyły usterek lub innych problemów podczas przelotu przez SAA.

Czy wysokie dawki promieniowania w SAA mogą również stanowić zagrożenie dla astronautów? Ponieważ Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) czasami przechodzi przez SAA, została wyposażona w odpowiednią  osłonę przed promieniowaniem, aby chronić astronautów. Nielatające już obecnie promy kosmiczne również czasami przechodziły przez SAA, ale krótki charakter lotów wahadłowców sprawił, że mniej się o to martwiono. Niemniej jednak, biorąc pod uwagę wysokie narażenie na promieniowanie, które astronauci mogliby ponieść, gdyby byli bezpośrednio narażeni na SAA, spacery kosmiczne ISS są planowane tak, aby nie odbywały się podczas tranzytów przez SAA.

W miarę jak naukowcy i inżynierowie zdobywają coraz większe doświadczenie, zarówno w kontaktach z SAA, jak i przy budowie statków kosmicznych, opracowano strategię przeciwdziałania potencjalnym szkodom, jakie mogą wyrządzić cząstki o wysokiej energii. Inżynierowie mogą dodać więcej osłon przed promieniowaniem, chociaż często zwiększa to masę statku kosmicznego, co z kolei podnosi koszty startu. Półprzewodnikowe układy scalone z arsenkiem galu są bardziej odporne na uszkodzenia radiacyjne. Zwykłe umieszczenie delikatnych elementów elektronicznych głębiej w korpusie statku kosmicznego, gdzie są otoczone innymi gęstszymi, twardszymi komponentami, również zapewnia dodatkową ochronę. Inżynierowie dostrzegają, że w miarę postępu w lotach kosmicznych konieczne jest poważniejsze traktowanie zagrożeń, takich jak SAA.  

Opracowano na podstawie:
The spacecraft-killing anomaly over the South Atlantic