Gefahren durch kosmische Strahlung

Ultrahochenergetische kosmische Strahlen kommen alle aus sehr, sehr weiter Entfernung (alles, was die Macht hat, sie in der Nähe zu erzeugen, würde eine Gefahr für das Leben darstellen, wie wir es kennen). Ich denke, der bevorzugte Mechanismus ist heutzutage die dynamische Beschleunigung in den Jets, die von aktiven galaktischen Kernen gebildet werden, aber zitieren Sie mich nicht.

Wie auch immer, obwohl sie ultrarelativistisch sind, bedeutet das, dass sie stabile Teilchen sind. Tatsächlich hauptsächlich Protonen.

Wenn ein ultrahochenergetisches Proton, wie ein Astronaut, eine bescheidene Menge Materie durchdringt, können wir seinen Energieverlust sehr einfach modellieren. Die Grafik im Particle Physics Data Book geht eigentlich nicht hoch genug, aber wir können extrapolieren und sagen, dass der Energieverlust immer noch geringer ist als$10\text{ MeV/g/cm}^2$. Unser Astronaut hat eine ziemlich nahe Dichte$1\text{ g/cm}^3$und eine durchschnittliche Dicke (unter Berücksichtigung aller Seitenverhältnisse) von etwa 50 cm. Die zu erwartende Gesamtenergie beträgt also nur 500 MeV.

Es ist natürlich ionisierende Strahlung, aber qualitativ nicht anders als der Rest des kosmischen Hintergrunds.

Wenn das Raumfahrzeug eine kleine, dünnwandige Dose mit ein wenig Luft darin ist, ist die Situation nur ein wenig schlimmer. Es besteht eine größere Chance zum Duschen. Aber es ist nur eine höhere Dosis und kein spektakulärer Tod.

Diese sind selten, in der Größenordnung von einem pro Quadratmeile pro Jahrhundert. Siehe Ultrahochenergetische kosmische Strahlung (Wikipedia). Ein Mensch mit einer Querschnittsfläche von weniger als 1 Quadratmeter könnte also etwa alle 100 Millionen Jahre einmal getroffen werden. Ich denke, dass das Lebensrisiko aufgrund einer Fehlfunktion von Raumfahrzeugen erheblich größer ist.

Und wenn sie auf die Erdatmosphäre treffen, verbrauchen sie ihre Energie über die gesamte Tiefe der Atmosphäre. Keine einzelne Region wird verputzt. (Sonst wären sie schon lange vorher durch das Geräusch der überhitzten Luft entdeckt worden.) Die Dicke der Atmosphäre, ausgedrückt als äquivalente Wassermasse, beträgt etwa 10 Meter Wassersäule. Dies ist viel dicker als die äquivalente Gewichtsverteilung eines Raumfahrzeugs. Meine Schlussfolgerung auf der Rückseite der Hülle ist also, dass, wenn ein Raumschiff von einem getroffen wurde, die meiste Energie auf der anderen Seite des Raumfahrzeugs austritt.

Andererseits können kosmische Strahlen aller Art die Elektronik beschädigen. Es kann Einsen in Nullen umwandeln oder umgekehrt, und ich würde denken, dass ein so hochenergetischer Strahl wie dieser eine Komponente tatsächlich verletzen könnte.

Um Raumfahrzeuge realistisch zu untersuchen, wie kosmische Strahlung in ihnen wirkt, ist es nützlich, Zahlen für ein echtes Raumfahrzeug zu verwenden. Zusätzlich zu einer dünnen Metallhülle hat ein Raumschiff auch einen Gasspeicher, einen Treibstoffspeicher und einen Ort, um auf die Toilette zu gehen. Und ein Raumschiff muss stabil gebaut sein, auch wenn es nicht auf der Erde landen muss. Sie sind große, schwere Objekte.

Zum Beispiel wiegt die Internationale Raumstation (ISS) 375.000 kg und hat ein Druckvolumen von 907 m^3:

Somit beträgt seine Dichte 375.000/907 = 413 kg/m^3 fast die Hälfte der von Wasser, und es hat einen Abstand zwischen unelastischen Stößen von etwa 3,7 cm.

Der größte Teil des Raumfahrzeugs besteht aus Sonnenkollektoren. Wie jede andere nukleare Materie werden diese jedoch Kaskaden erzeugen, wenn sie von einer kosmischen Strahlung getroffen werden. Die Länge des Schiffes (entlang seines Mannschaftsraums) beträgt 51 Meter. Mit dem unter Druck stehenden Volumen würde, wenn es sich um einen Zylinder handeln würde, sein Durchmesser etwa 4,8 Meter betragen.

Bei einer Entfernung von 51 Metern und einer Dichte von 0,41 Wasser entspricht die lange Dimension auf der ISS 20 m Wasser. Das ist die doppelte Tiefe der Erdatmosphäre. Die kurze Distanz beträgt etwa 2 m Wasser oder 1/5 der Erdatmosphäre. Das reicht aus, um eine Dusche in Gang zu bringen.

Diese Berechnungen stellen den ungünstigsten Fall dar, da sie das gesamte Gewicht des Raumfahrzeugs dem unter Druck stehenden Volumen zugeschrieben haben. Eine genauere Berechnung würde ein Raumfahrzeug beinhalten, das keine Sonnenkollektoren hat. Ein Beispiel dafür wäre der US-Space-Shuttle-Orbiter. Mit Nutzlast sind es 93.000 kg (max. Landegewicht 104.000 kg). Die Länge beträgt 37 m bei einer Spannweite von 24 m. Der Durchmesser des Hauptbesatzungsraumes scheint etwa 7 m zu betragen.

Unter der Annahme, dass das Raumfahrzeug ein Zylinder mit einer Länge von 37 m und einem Durchmesser von 7 m ist, beträgt sein Volumen etwa 1400 Kubikmeter und seine Dichte etwa 74 kg/m^3. Somit trifft ein Partikel, das sich über die Länge des Fahrzeugs bewegt, auf etwa 37 mx 74 kg/m^3 = 2,7 Meter Wasseräquivalent. Bei 1/4 der Dicke der Erdatmosphäre reicht das aus, um eine gute Kaskade in Gang zu bringen.

Anna v stellt fest, dass die (inelastische) Querschnittsfläche für eine extrem hochenergetische Proton-Proton-Kollision nur etwa 1 Scheune oder 1,0E-28 m^2 beträgt. Tatsächlich gibt ihr (1984) Artikel 530 mb an, aber bei sehr hohen Energien ist der Querschnitt unbekannt und könnte eine Scheune überschreiten, siehe Abbildung (4):
Nucl.Phys.Proc.Suppl.196:335-340 (2009) , Ralf Ulrich, Ralph Engel, Steffen Müller, Fabian Schüssler, Michael Unger Proton-Air Cross Section and Extensive Air Showers
http://arxiv.org/abs/0906.3075

Die Masse des Protons beträgt etwa 1,6E-27 kg, und ein Kubikmeter Wasser wiegt 1000 kg (fast ausschließlich Nukleonen, dh Protonen und Neutronen). Somit gibt es 1000/1,6E-27 = 6,25E+29 Nukleonen pro Kubikmeter Wasser. Die Multiplikation mit der Querschnittsfläche ergibt eine Gesamtquerschnittsfläche/m^3 von 62,5 m^2. Die Entfernung, in der ein solches Proton eine Kaskade beginnt, beträgt also in Wasser etwa 1/62,5 m = 1,6 cm, und bis das Teilchen 50 cm später den menschlichen Körper verlassen hat, hatte es etwa 31 solcher Kollisionen. Somit reicht die Größe des menschlichen Körpers aus, um eine kosmische Strahlenkaskade zu starten.

In einem praktischen Langstrecken-Raumschiff ist es wichtig, die Besatzung vor kosmischer Strahlung und Sonneneruptionen zu schützen. Einer der Vorschläge dafür sind Schilde aus 7 kg Aluminium pro Quadratmeter, was einer Dicke von etwa 0,7 cm Wasseräquivalent entspricht: http://arxiv.org/abs/astro-ph/0701314 Also gibt es etwa 50 % Wahrscheinlichkeit für einen hochenergetischen kosmischen Strahl, der beim Durchlaufen dieser Dicke eine Kaskade auslöst.

Man muss auch bedenken, dass es das Teilchen ist, nicht der Schauer, der durch den Astronauten in dmckees obiger Schätzung geht, wo er das relativistische Teilchen behandelt, das Materie durchdringt.

Die Dusche in Ihrer Frage, die die Energieschätzung des Elternteilchens ergab, wird durch Kaskaden- / sequentielle Kollisionen von Tiefwinkelstreuung über einen langen Weg erzeugt. Die Energie wird nicht auf einmal freigesetzt, es sei denn, der Astronaut hat großes Pech.

Der tiefe inelastische Streuquerschnitt bei diesen Energien entspricht immer noch nicht den Scheunenwerten (eine Scheune hat etwa die Größe eines Urankerns), sodass der Astronaut sehr unglücklich sein müsste, um auch nur eine energetische Streuung zu bekommen, geschweige denn, um einen Schauer zu starten.