La missione Artemis I della NASA ha segnato un capitolo straordinario ed epocale nell’esplorazione spaziale moderna, ponendo le basi concrete per il futuro ritorno dell’essere umano sulla superficie lunare. Tra la fine di novembre e l’inizio di dicembre del 2022, la capsula Orion ha compiuto un viaggio di prova senza equipaggio, spingendosi ben oltre i confini protettivi dell’orbita terrestre bassa. Questo test ambizioso ha permesso agli scienziati e ai ricercatori di tutto il mondo di raccogliere dati cruciali, dettagliati e senza precedenti sull’ambiente dello spazio profondo, dove le radiazioni cosmiche rappresentano una delle minacce più grandi, insidiose e complesse per la salute e la sicurezza degli astronauti durante le lunghe permanenze lontane dal nostro pianeta.

Per misurare con la massima accuratezza possibile questa esposizione invisibile ma altamente energetica, la navicella spaziale ha trasportato all’interno del proprio abitacolo due manichini antrop S-morfici a forma di donna, battezzati rispettivamente Helga e Zohar. Questi corpi artificiali sono stati appositamente progettati e infarciti di oltre diecimila minuscoli cristalli e di un’articolata serie di rivelatori di radiazioni distribuiti a varie profondità anatomiche, con l’obiettivo specifico di registrare ogni singola particella energetica incontrata lungo l’intero tragitto cis-lunare.

L’innovazione tecnologica dei cristalli di fluoruro di litio per la rilevazione delle particelle

All’interno dei dispositivi e dei pacchetti dosimetrici inseriti nei manichini dello studio MARE, i ricercatori dell’Istituto di Fisica Nucleare dell’Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) di Cracovia hanno posizionato decine di rivelatori sperimentali innovativi realizzati con cristalli di fluoruro di litio. Questi dispositivi all’avanguardia operano secondo un principio fisico affascinante e per certi versi simile a quello di una tradizionale pellicola fotografica: quando le particelle cariche elettricamente attraversano la struttura del cristallo, ne perturbano violentemente l’ordinamento atomico interno, lasciando una scia microscopica di alterazioni note come centri di colore.

Successivamente al completamento della missione e al rientro sulla Terra, i cristalli vengono analizzati in laboratorio illuminandoli con una luce blu specifica attraverso un microscopio a fluorescenza avanzato. Questa eccitazione luminosa fa sì che le regioni alterate dal passaggio delle particelle emettano una caratteristica e misurabile fluorescenza rossa. Questo sofisticato sistema presenta enormi e inestimabili vantaggi rispetto ai tradizionali rivelatori passivi in plastica, i quali richiedono un lungo, complesso e potenzialmente rischioso processo di incisione chimica in bagni di idrossido di sodio prima di poter mostrare le tracce lasciate dalle radiazioni. I cristalli di fluoruro di litio eliminano completamente questo passaggio chimico intermedio, consentendo agli scienziati di esaminare le tracce direttamente con un microscopio ottico e offrendo una risoluzione eccezionale che permette di distinguere con precisione le singole traiettorie anche in presenza di campi di radiazione estremamente densi e complessi.

Differenze sostanziali e inaspettate tra l’orbita terrestre e le vicinanze della Luna

I dati quantitativi raccolti durante la missione Artemis I hanno permesso alla comunità scientifica di effettuare un confronto diretto e illuminante tra l’esposizione alle radiazioni registrata in prossimità della Luna e i risultati ottenuti in precedenza a bordo della Stazione Spaziale Internazionale grazie allo storico esperimento MATROSHKA. In orbita terrestre bassa, una quota altamente rilevante della dose di radiazioni assorbita dagli equipaggi deriva dai protoni a basso livello energetico intrappolati permanentemente all’interno delle famose fasce di radiazione di Van Allen che circondano il nostro pianeta. Quando queste particelle penetrano all’interno dei corpi o dei manichini di prova, depositano la propria energia in modo fortemente disomogeneo e a profondità variabili, generando distribuzioni di dose irregolari.

Nelle immediate vicinanze della Luna, la situazione fisica cambia radicalmente poiché le fasce di Van Allen terrestri non si estendono fino a quell’ambiente isolato. Di conseguenza, il contributo predominante e quasi esclusivo in cis-luna è costituito da particelle galattiche ad alta energia provenienti dalle regioni più remote della galassia, insieme ai nuclei pesanti dello spazio profondo. Queste particelle possiedono un’energia cinetica talmente elevata da essere in grado di attraversare interamente il corpo umano o il materiale di schermatura, rilasciando solo una frazione limitata della loro energia totale durante il passaggio.

A seguito di questa dinamica, i rivelatori a bordo di Artemis I hanno registrato dosi di radiazioni distribuite in modo marcatamente uniforme all’interno dei manichini, differenziandosi in modo netto dai modelli irregolari tipici dell’orbita terrestre bassa. Inoltre, i ricercatori hanno potuto constatare un aspetto apparentemente controintuitivo: sebbene la dose totale di radiazioni vicino alla Luna sia effettivamente superiore a quella registrata sulla Stazione Spaziale Internazionale a causa dell’intensa componente galattica, la differenza complessiva non è così grande o drammatica come ci si sarebbe potuti intuitivamente aspettare. Questo fenomeno è spiegato dal fatto che, sebbene l’ambiente lunare sia privo della protezione geomagnetica, l’assenza dei massicci flussi di protoni intrappolati a bassa energia tipici delle fasce di Van Allen compensa parzialmente il bilancio energetico totale ricevuto dai rivelatori.

Approfondimenti tecnici avanzati dalla ricerca scientifica e dai test di laboratorio

Per comprendere appieno la portata metodologica, analitica e ingegneristica del lavoro di ricerca condotto dall’istituto polacco in collaborazione con il Centro Aerospaziale Tedesco (DLR) e la NASA, è necessario esaminare nel dettaglio i parametri fisici e i protocolli rigorosi descritti nella documentazione scientifica ufficiale e nei test di calibrazione associati al progetto MARE. L’analisi e la ricostruzione degli spettri di fluenza del trasferimento lineare di energia ($LET$) richiedono infatti modelli matematici sofisticati per convertire i segnali microscopici grezzi in grandezze dosimetriche affidabili e standardizzate.

• Crescita cristallina e purezza isotopica: I rivelatori a cristalli singoli di fluoruro di litio sono stati sintetizzati e accresciuti in laboratorio mediante l’impiego del rigoroso metodo Czochralski. Per ottimizzare le prestazioni di misura, i ricercatori hanno prodotto due varianti distinte dei cristalli: campioni con la composizione isotopica naturale del litio ($^{nat}LiF$) e campioni altamente arricchiti con l’isotopo litio-7 ($^{7}LiF$). Questa scelta tecnica mirata si è rivelata fondamentale per sopprimere e ridurre al minimo le interferenze indesiderate causate dalle reazioni nucleari dei neutroni secondari con il litio-6, le quali generano particelle alfa e nuclei di trizio che potrebbero essere erroneamente scambiati per ioni cosmici primari durante la scansione al microscopio.

• Trattamenti termici di superficie: I blocchi cristallini grezzi sono stati originariamente tagliati in sottili piastre quadrate trasparenti mediante seghe diamantate, successivamente lucidati con strisce abrasive di precisione e riscaldati per circa dieci minuti a temperature prossime al punto di fusione, comprese tra $820^\circ\text{C}$ e $830^\circ\text{C}$. Questo trattamento termico di tempra e ricottura ha permesso di eliminare completamente i micro-graffi superficiali originati dalla fase di lucidatura meccanica, migliorando drasticamente la trasparenza ottica e la qualità dei campioni destinati allo spazio.

• Acquisizione microscopica e gestione dello stack: Le osservazioni ottiche ad alta risoluzione sono state condotte utilizzando un microscopio a campo largo equipaggiato con una telecamera scientifica e obiettivi a immersione ad alta apertura numerica. Ciascun campione è stato analizzato acquisendo serie di immagini stratificate a profondità focali distanziate di un solo micrometro, note come stack, per un totale di venti strati per ogni volume esaminato. Per superare il rumore di fondo ottico e la luminescenza diffusa dai piani adiacenti, i ricercatori hanno sviluppato e implementato un apposito plug-in software denominato BackgroundRemover, indispensabile per pulire le immagini digitali a 14 bit prima di procedere all’estrazione numerica dei parametri delle tracce.

• Correzioni geometriche e angolari: Poiché lo spazio cosmico profondo è caratterizzato da un campo di radiazione rigorosamente isotropo, l’angolo di incidenza delle particelle rispetto alla superficie del rivelatore influenza in modo marcato l’intensità della fluorescenza misurata. Il team di ricerca ha elaborato funzioni e formule empiriche basate su tecniche di minimizzazione ai minimi quadrati per calcolare con precisione i fattori di correzione analitica in funzione del valore di $LET$ sia nel fluoruro di litio ($LET_{LiF}$) sia nell’equivalente in acqua ($LET_{H2O}$).

• Confronto incrociato con i rivelatori plastici: I risultati quantitativi ricavati dai cristalli fluorescenti sono stati validati attraverso un confronto diretto con i rivelatori plastici a tracce nucleari in polimero PADC (noti commercialmente come TASTRAK) posizionati negli stessi identici pacchetti dosimetrici a bordo dei manichini. Quando le elaborazioni e i calcoli dosimetrici sono stati rigorosamente ristretti a valori di $LET_{H2O}$ inferiori a $100~\text{keV}/\mu\text{m}$, l’accordo tra i due sistemi di misura indipendenti si è dimostrato eccellente, rientrando entro una tolleranza del quindici percento per la dose assorbita e di pochi punti percentuali per il fattore di qualità della radiazione. Per valori superiori a $100~\text{keV}/\mu\text{m}$, i rivelatori fluorescenti hanno invece evidenziato una sovrastima della dose valutata fino al trenta percento, un fenomeno attribuito statisticamente alla limitata numerosità dei campioni analizzati e alla presenza di nuclei di rinculo del litio generati dalle interazioni dei neutroni ad alta energia nello scafo della navicella.

• Prospettive future per l’analisi delle tracce puntiformi: Oltre alle tracce lineari ben definite lasciate dagli ioni pesanti ad alto trasferimento di energia, i cristalli registrano una moltitudine di tracce puntiformi e disconnesse generate da particelle a basso $LET$. Sfruttando comandi automatizzati di analisi delle particelle tramite software di image processing, il gruppo di ricerca ha avviato studi preliminari per correlare la frequenza e l’intensità di tali punti allo spettro di flusso complessivo, ponendo le basi tecnologiche per lo sviluppo futuro di sistemi di scansione microscopica interamente automatizzati in grado di estendere l’intervallo di misura dosimetrica in vista delle prossime missioni con equipaggio umano nello spazio profondo.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract

È stato sviluppato un metodo per ricostruire gli spettri di fluenza del trasferimento lineare di energia (LET) di un campo di radiazione cosmica complesso utilizzando rivelatori di tracce nucleari fluorescenti (FNTD) a base di LiF. Il metodo si basa sulla relazione tra l’intensità della traccia e il LET e include correzioni per l’angolo di incidenza della particella. Il metodo è stato applicato con successo all’analisi dei rivelatori esposti alle radiazioni in orbita lunare nell’ambito del progetto MARE (parte della missione Artemis I della NASA).

Gli spettri ottenuti sono stati confrontati con i dati provenienti da rivelatori di tracce nucleari in plastica incisa (PNTD), posizionati negli stessi punti dei rivelatori FNTD. Gli spettri misurati con entrambi i sistemi di rivelazione concordavano, ad eccezione di LET _H2O > 100 keV/μm, dove i rivelatori FNTD sovrastimavano i dati dei PNTD. Ciò, a sua volta, causava una sovrastima della dose (fino al 30%) e del fattore di qualità (circa il 15%). Quando i calcoli sono stati limitati a LET _H2O < 100 keV/μm, la concordanza era entro il 15% per la dose e entro pochi punti percentuali per il fattore di qualità.

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