Na próxima década, a NASA e a China planejam enviar as primeiras missões tripuladas a Marte. Isso consistirá em ambas as agências enviando espaçonaves em 2033, 2035, 2037 e a cada 26 meses depois disso para coincidir com a oposição de Marte (ou seja, quando a Terra e Marte estiverem mais próximos em suas órbitas). O objetivo de longo prazo desses programas é estabelecer uma base em Marte que servirá como um hub para acomodar futuras missões, embora os chineses tenham declarado que pretendem que sua base seja permanente.
A perspectiva de enviar astronautas na jornada de seis a nove meses a Marte apresenta vários desafios, para não falar dos perigos que enfrentarão ao realizar operações científicas na superfície. Em um estudo recente, uma equipe internacional de cientistas realizou uma pesquisa do ambiente marciano – desde os picos do Monte Olimpo até seus recessos subterrâneos – para descobrir onde a radiação é mais baixa. Suas descobertas podem informar futuras missões a Marte e a criação de habitats marcianos.

A equipe foi liderada por Jian Zhang, professor assistente da Escola de Ciências da Terra e do Espaço (ESS) da Universidade de Ciência e Tecnologia da China. Ele foi acompanhado por colegas da ESS e do CAS Center for Excellence in Comparative Planetology na China, do Institute of Experimental and Applied Physics (IEAP) em Kiel, Alemanha, e do Instituto de Problemas Biomédicos da Academia Russa de Ciências (RAS) e do Instituto Skobeltsyn de Física Nuclear (SINP) em Moscou. O artigo que descreve suas descobertas apareceu recentemente no Journal of Geophysical Research:Planets .

Quando se trata de missões a Marte e outros locais além da órbita baixa da Terra (LEO), a radiação é sempre uma preocupação constante. Comparado com a Terra, Marte tem uma atmosfera tênue (menos de 1% da pressão do ar) e não há magnetosfera protetora para proteger a superfície da radiação solar e cósmica. Como resultado, os cientistas teorizam que partículas nocivas, particularmente os raios cósmicos galácticos (GCRs), podem se propagar e interagir diretamente com a atmosfera e até atingir o subsolo de Marte.

No entanto, o nível de exposição à radiação depende da espessura da atmosfera, que muda devido à altitude. Dentro de áreas baixas como o famoso sistema de cânions de Marte (Valles Marineris) e sua maior cratera (Hellas Planitia), a pressão atmosférica é estimada em mais de 1,2 e 1,24 kPa, respectivamente. Isso é cerca de duas vezes a média de 0,636 kPa e até 10 vezes a pressão atmosférica em locais de alta altitude como Olympus Mons (a maior montanha do sistema solar).

Dr. Jingnan Guo, um estimado professor do IEAP na Christian-Albrechts-University e membro da Academia Chinesa de Ciências (CAS), foi Ph.D do Prof. Jian Zhang. orientador e coautor do artigo. Como ela explicou ao Universe Today por e-mail:

"Diferentes elevações significam diferentes espessuras atmosféricas. Locais de alta altitude geralmente têm uma atmosfera mais fina no topo. A radiação de partículas de alta energia precisa atravessar a atmosfera para atingir a superfície de Marte. Se a espessura atmosférica mudar, a radiação da superfície também pode mudar. Assim, a elevação pode influenciar a radiação da superfície de Marte."

Para isso, a equipe considerou a influência das profundidades atmosféricas nos níveis de radiação marciana. Isso incluiu a dose absorvida medida em rads; o equivalente de dose, medido em rems e sieverts (Sv); e as taxas de dose efetiva do corpo induzidas por GCRs. Este consistiu em modelar o ambiente de radiação usando um simulador de última geração baseado no software GEometry And Tracking (GEANT4) desenvolvido pelo CERN.

Conhecido como Atmospheric Radiation Interaction Simulator (AtRIS), este software emprega algoritmos de probabilidade de Monte Carlo para simular interações de partículas com a atmosfera e o terreno marcianos. Como o Dr. Guo ilustrou:

"Nós usamos uma abordagem de Monte Carlo chamada 'GEANT4' para modelar o transporte e interação de partículas energéticas com a atmosfera marciana e regolito. O ambiente de Marte é configurado considerando a composição e estrutura atmosférica de Marte e as propriedades do regolito.

"Os espectros de partículas de entrada no topo da atmosfera de Marte são obtidos também a partir de modelos calibrados de dados que descrevem o ambiente de radiação de partículas onipresente no espaço interplanetário que inclui partículas carregadas de diferentes espécies que são principalmente prótons (~ 87%), íons de hélio (12%) e também pequenos vestígios de íons mais pesados, como carbono, oxigênio e ferro."

Eles descobriram que pressões de superfície mais altas podem efetivamente reduzir a quantidade de radiação de íons pesados ​​(GCRs), mas ainda é necessária uma blindagem adicional. Infelizmente, a presença dessa blindagem pode levar a "chuveiros de raios cósmicos", onde o impacto dos GCRs contra a blindagem cria partículas secundárias que podem inundar o interior de um habitat com níveis variados de radiação de nêutrons (também conhecido como fluxo de nêutrons). Estes podem contribuir significativamente para a dose efetiva de radiação que os astronautas irão absorver.

Eles determinaram que tanto o fluxo de nêutrons quanto a dose efetiva atingem o pico em cerca de 30 cm (1 pé) abaixo da superfície. Felizmente, essas descobertas oferecem soluções no que diz respeito ao uso do regolito marciano para blindagem. Disse o Dr. Guo:

"Para um determinado limite da dose efetiva anual de radiação biologicamente ponderada, por exemplo, 100 mSv (uma quantidade muitas vezes considerada como o limite abaixo do qual o risco de câncer induzido por radiação é insignificante), a profundidade necessária do regolito varia entre cerca de 1 m e 1,6 m Dentro desta faixa, em uma cratera profunda onde a pressão da superfície é maior, a blindagem extra de regolito necessária é ligeiramente menor.

Com base em suas descobertas, os melhores locais para futuros habitats em Marte estariam localizados em áreas baixas e a profundidades de 1 me 1,6 m (3,28 a 5,25 pés) abaixo da superfície. Portanto, as terras baixas do norte, que compõem a maior parte do hemisfério norte (também conhecido como Vastitas Borealis), e Valles Marineris seriam locais muito adequados. Além de ter uma pressão atmosférica mais espessa, essas regiões também têm gelo de água abundante logo abaixo da superfície.

Se tudo correr conforme o planejado, os astronautas estarão pisando na superfície marciana em pouco mais de uma década. Isso consistirá em trânsitos com duração de seis a nove meses (exceto o desenvolvimento de tecnologia de propulsão mais avançada) e operações de superfície de até 18 meses. Em suma, os astronautas terão que lidar com a ameaça de radiação elevada por até três anos. Como tal, estratégias detalhadas de mitigação precisam ser desenvolvidas com bastante antecedência.

A NASA e outras agências espaciais investiram tempo, energia e recursos consideráveis ​​para desenvolver projetos de habitats que aproveitam a impressão 3D, a utilização de recursos in situ (ISRU) e até mesmo a blindagem eletromagnética para garantir a saúde e a segurança dos astronautas. No entanto, ainda há perguntas sem resposta sobre a eficácia dessas estratégias na prática, especialmente quando se considera a quantidade de tempo que as tripulações passarão na superfície marciana.

"Nosso estudo pode servir para mitigar os riscos de radiação ao projetar futuros habitats marcianos usando material de superfície natural como proteção de blindagem", disse o Dr. Guo. “Pesquisas como essa serão, portanto, de valor considerável quando os planejadores de missões começarem a considerar projetos para futuros habitats marcianos que dependem de material de superfície natural para fornecer proteção contra radiação”.