ionenstrahlen für die weltraumforschung m. scholz / d. schardt biophysik
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Ionenstrahlen für die Weltraumforschung
M. Scholz / D. Schardt
Biophysik
Von der Therapie zur Weltraumforschung?
• Kosmische Strahlung besteht im wesentlichen aus Ionenstrahlen (Protonen … Eisen)
• Auf der Erde: Abschirmung durch Magnetfeld und Lufthülle
• Bei Aufenthalt im Weltall kann kosmische Strahlung zu erheblichen Schädigungen in Geweben und Material führen
Ziele:• Verständnis von Mechanismen/Ausmass der Schädigung• Entwicklung von Gegenmassnahmen (Abschirmung)
Ursprung der kosmischen Strahlung
Sonne
SonneneruptionProtuberanzen
(p,He)
Galaxien
Supernovae(p...Fe)
Dosisbelastung
1 mSv / Jahr
1 mSv / Tag
10000 mSv / Tag
Strahlentherapie:
30 x 2000 mSv/Tag
Polarlichter
Strahlenbelastung in der Weltraumfahrt
0.1
1
10
100
1000
104
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030
Dos
e (m
Sv)
Year
Gemini
Apollo
Skylab STS/Mir
Shuttle
ISS
Mars
Populationper year
RadWorkper year
Astronautscareer
Past Future
M. Durante
Wirkung der kosmischen Strahlung
• Krebsinduktion
• Spätschäden in Geweben (z.B. Linsentrübung)
• Akute Strahlenschäden
Do
sis
Teilchen- und Energiespektrum
103102 104 105 106 1071010 -9
10 -8
10 -7
10 -6
10 -5
10 -4
10 -3
10 -2
0,1
10
1
He
H
C
Fe
Kinetic energy [MeV/nucleon]
Par
ticle
flux
[m. s
. sr]
2-1
UNILAC + SIS SIS-200
Kinetische Energie [MeV/u]
Tei
lche
nflu
enz
Zusammensetzungder galaktischen
kosmischen Strahlung
Wirkung pro Teilchen103102 104 105 106 10710
10 -9
10 -8
10 -7
10 -6
10 -5
10 -4
10 -3
10 -2
0,1
10
1
He
H
C
Fe
Kinetic energy [MeV/nucleon]
Par
ticle
flux
[m. s
. sr]
2-1
UNILAC + SIS SIS-200
Die Rolle der schweren Ionen
Schwere Teilchen zeigen auch bei hohen Energien eine deutlich erhöhte biologische Wirksamkeit
Modell (Cucinotta et al.)
Beitrag verschiedener Ionensorten
19%
17%
13%
15%
14%
22%
H
He
C, O, NeMg, Al, Si
Fe
Others
Wilson et al., 1985
Biologisch Effektive Dosishinter 2cm Al-Abschirmung
X-raysX-raysPhotonen Ionen
Ursache für die hohe Wirksamkeit
Vergleich von Ionen- und Photonenstrahlen(Emission von Sekundärelektronen)
Zell-
Kern
10 m
Zell-
kern
10 m
Zell-
kern
10 m
Zell-
kern
Biologische Detektion von Schadensspuren
p21-Protein-Akkumulation entlang der Spurvon 200 MeV/u Eisen-Ionen
J. Heede-Rudolph et al.
10m
Unsicherheit in Risikoabschätzungen
• Unsicherheiten in Risikoabschätzungen betragen zwischen 400% und 1500%
• Der grösste Teil der Unsicherheit ist durch mangelnde strahlenbiologische Kenntnisse bedingt.
• Ziel der NASA: Reduktion der Unsicherheit auf 50%
D. Bettega et al.
Indikator für Krebsinduktion:Zelltransformation
Problem: Niedrigdosis-Bereich
Bei Teilchenstrahlen:Niedrige Dosis niedrige Teilchenfluenz
“Bystander-Effekt”
Ausblick
• Zukünftige Projekte: Schwerpunktverlagerung Therapie Strahlenschutz
103102 104 105 106 1071010 -9
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10 -7
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10 -4
10 -3
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0,1
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He
H
C
Fe
Kinetic energy [MeV/nucleon]
Par
ticle
flux
[m. s
. sr]
2-1
UNILAC + SIS SIS-200
• Ergebnisse finden generelle Anwendung (Strahlenschutz allgemein; Therapie: Sekundärtumore)
• Volles Teilchen- und Energie-Spektrum ist wichtig