Efectos de la radiación ionizante en los vuelos espaciales

Exposición a la radiación ionizante durante los vuelos espaciales que provoca cáncer

El Phantom Torso, que se ve aquí en el laboratorio Destiny de la Estación Espacial Internacional (ISS), está diseñado para medir los efectos de la radiación en los órganos internos del cuerpo mediante un torso similar a los que se utilizan para entrenar a los radiólogos en la Tierra. El torso es equivalente en altura y peso a un hombre adulto promedio. Contiene detectores de radiación que medirán, en tiempo real, cuánta radiación reciben diariamente el cerebro, la tiroides, el estómago, el colon y la zona del corazón y los pulmones. Los datos se utilizarán para determinar cómo reacciona el cuerpo a la radiación y cómo protege sus órganos internos de ella, lo que será importante para los vuelos espaciales de mayor duración.

Los astronautas están expuestos a aproximadamente 72 milisieverts (mSv) durante misiones de seis meses de duración a la Estación Espacial Internacional (ISS). Sin embargo, las misiones más prolongadas de tres años a Marte tienen el potencial de exponer a los astronautas a una radiación superior a los 1.000 mSv. Sin la protección que proporciona el campo magnético de la Tierra, la tasa de exposición aumenta drásticamente. ^{[1] [2] [ verificación fallida ]} El riesgo de cáncer causado por la radiación ionizante está bien documentado en dosis de radiación que comienzan a partir de los 100 mSv. ^{[1] [3] [4]}

Estudios relacionados con los efectos radiológicos han demostrado que los supervivientes de las explosiones de bombas atómicas en Hiroshima y Nagasaki , los trabajadores de reactores nucleares y los pacientes que se han sometido a tratamientos de radiación terapéutica han recibido dosis bajas de radiación de transferencia de energía lineal (LET) ( rayos X y rayos gamma ) en el mismo rango de 50-2.000 mSv. ^[5]

Composición de la radiación espacial

Mientras están en el espacio, los astronautas están expuestos a una radiación que se compone principalmente de protones de alta energía , núcleos de helio ( partículas alfa ) e iones de alto número atómico ( iones HZE ), así como a radiación secundaria de reacciones nucleares de partes o tejidos de naves espaciales. ^[6]

Los patrones de ionización en moléculas, células, tejidos y los efectos biológicos resultantes son distintos de la radiación terrestre típica ( rayos X y rayos gamma , que son radiación de baja LET). Los rayos cósmicos galácticos (GCR) provenientes del exterior de la Vía Láctea consisten principalmente en protones altamente energéticos con un pequeño componente de iones HZE. ^[6]

Iones HZE prominentes:

• Carbono (C)
• Oxígeno (O)
• Magnesio (Mg)
• Silicio (Si)
• Hierro (Fe)

Los picos de los espectros de energía de los GCR (con picos de energía media de hasta 1000 MeV / amu ) y los núcleos (energías de hasta 10 000 MeV/amu) son contribuyentes importantes al equivalente de dosis . ^{[6] [7]}

Incertidumbres en las proyecciones del cáncer

Uno de los principales obstáculos para los viajes interplanetarios es el riesgo de cáncer causado por la exposición a la radiación. Los principales factores que contribuyen a este obstáculo son: (1) las grandes incertidumbres asociadas con las estimaciones del riesgo de cáncer, (2) la falta de disponibilidad de contramedidas simples y efectivas y (3) la incapacidad de determinar la eficacia de las contramedidas. ^[6] Los parámetros operativos que deben optimizarse para ayudar a mitigar estos riesgos incluyen: ^[6]

• Duración de las misiones espaciales
• edad de la tripulación
• sexo en la tripulación
• blindaje
• contramedidas biológicas

Grandes incertidumbres

Fuente: ^[6]

• Efectos sobre el daño biológico relacionados con las diferencias entre la radiación espacial y los rayos X.
• Dependencia del riesgo en las tasas de dosis en el espacio relacionada con la biología de la reparación del ADN , la regulación celular y las respuestas tisulares
• Predicción de eventos de partículas solares (SPEs)
• Extrapolación de datos experimentales a humanos y entre poblaciones humanas.
• Factores individuales de sensibilidad a la radiación (efectos genéticos, epigenéticos, dietéticos o del "trabajador sano")

Pequeñas incertidumbres

Fuente: ^[6]

• Datos sobre entornos galácticos de rayos cósmicos
• Física de evaluaciones de blindaje relacionadas con las propiedades de transmisión de radiación a través de materiales y tejidos.
• Efectos de la microgravedad en las respuestas biológicas a la radiación
• Errores en los datos humanos (inexactitudes estadísticas, dosimétricas o de registro)

Se han desarrollado métodos cuantitativos para propagar las incertidumbres que contribuyen a las estimaciones del riesgo de cáncer. La contribución de los efectos de la microgravedad a la radiación espacial aún no se ha estimado, pero se espera que sea pequeña. Sin embargo, como se ha demostrado que la microgravedad modula la progresión del cáncer, se necesita más investigación sobre los efectos combinados de la microgravedad y la radiación en la carcinogénesis. ^[8] Los efectos de los cambios en los niveles de oxígeno o en la disfunción inmunológica en los riesgos de cáncer son en gran parte desconocidos y son motivo de gran preocupación durante los vuelos espaciales. ^[6]

Tipos de cáncer causados ​​por la exposición a la radiación

Se están realizando estudios en poblaciones expuestas accidentalmente a la radiación (como Chernóbil , sitios de producción e Hiroshima y Nagasaki ). Estos estudios muestran una fuerte evidencia de morbilidad por cáncer, así como riesgos de mortalidad en más de 12 sitios de tejido. Los mayores riesgos para los adultos que se han estudiado incluyen varios tipos de leucemia , incluida la leucemia mieloide ^[9] y el linfoma linfático agudo ^[9], así como tumores de pulmón , mama , estómago , colon , vejiga e hígado . Las variaciones intersexuales son muy probablemente debidas a las diferencias en la incidencia natural de cáncer en hombres y mujeres. Otra variable es el riesgo adicional de cáncer de mama, ovarios y pulmones en mujeres. ^[10] También hay evidencia de un riesgo decreciente de cáncer causado por la radiación con el aumento de la edad, pero la magnitud de esta reducción por encima de los 30 años es incierta. ^[6]

Se desconoce si la radiación de alto LET podría causar los mismos tipos de tumores que la radiación de bajo LET, pero se deben esperar diferencias. ^[9]

La relación entre una dosis de radiación de alta LET y una dosis de rayos X o rayos gamma que producen el mismo efecto biológico se denominan factores de eficacia biológica relativa (RBE). Los tipos de tumores en humanos expuestos a la radiación espacial serán diferentes de los de aquellos expuestos a la radiación de baja LET. Esto se evidencia en un estudio en el que se observó a ratones con neutrones y que tienen RBE que varían con el tipo y la cepa de tejido. ^[9]

Tasa medida de cáncer entre astronautas

La tasa de cambio medida del cáncer está limitada por estadísticas limitadas. Un estudio publicado en Scientific Reports examinó a 301 astronautas estadounidenses y 117 cosmonautas soviéticos y rusos, y no encontró ningún aumento mensurable en la mortalidad por cáncer en comparación con la población general, según informó LiveScience. ^{[11] [12]}

Un estudio anterior de 1998 llegó a conclusiones similares, sin un aumento estadísticamente significativo del cáncer entre los astronautas en comparación con el grupo de referencia. ^[13]

Enfoques para establecer niveles de riesgo aceptables

A continuación se resumen los distintos enfoques para establecer niveles aceptables de riesgo de radiación: ^[14]

Comparación de dosis de radiación: incluye la cantidad detectada en el viaje de la Tierra a Marte por el RAD en el MSL (2011 - 2013). ^{[15] [16] [17] [18]}

• Riesgo de radiación ilimitado: la dirección de la NASA, las familias de los seres queridos de los astronautas y los contribuyentes considerarían este enfoque inaceptable.
• Comparación con las muertes laborales en sectores menos seguros: la pérdida de vidas por cáncer atribuible a la radiación es menor que la de la mayoría de las otras muertes laborales. En este momento, esta comparación también sería muy restrictiva para las operaciones de la Estación Espacial Internacional debido a las mejoras continuas en la seguridad laboral en tierra durante los últimos 20 años.
• Comparación con las tasas de cáncer en la población general: la cantidad de años de vida perdidos por muertes por cáncer inducidas por radiación puede ser significativamente mayor que la de las muertes por cáncer en la población general, que a menudo ocurren tarde en la vida (> 70 años) y con una cantidad significativamente menor de años de vida perdidos.
• Duplicar la dosis durante los 20 años siguientes a la exposición: proporciona una comparación aproximadamente equivalente basada en la pérdida de vidas por otros riesgos ocupacionales o muertes por cáncer de fondo durante la carrera de un trabajador; sin embargo, este enfoque niega el papel de los efectos de la mortalidad más adelante en la vida.
• Uso de límites para trabajadores en tierra: proporciona un punto de referencia equivalente al estándar establecido en la Tierra y reconoce que los astronautas enfrentan otros riesgos. Sin embargo, los trabajadores en tierra permanecen muy por debajo de los límites de dosis y están expuestos en gran medida a una radiación de baja LET, donde las incertidumbres de los efectos biológicos son mucho menores que en el caso de la radiación espacial.

El Informe N° 153 del NCRP ofrece una revisión más reciente de los riesgos de cáncer y otros riesgos de radiación. ^[19] Este informe también identifica y describe la información necesaria para hacer recomendaciones de protección radiológica más allá de la LEO, contiene un resumen completo del conjunto actual de evidencia sobre los riesgos para la salud inducidos por la radiación y también hace recomendaciones sobre áreas que requieren experimentación futura. ^[14]

Límites de exposición permisibles actuales

Límites de riesgo de cáncer en el trabajo

El límite de exposición a la radiación de los astronautas no debe superar el 3% del riesgo de muerte inducida por exposición (REID) por cáncer fatal a lo largo de su carrera. La política de la NASA es garantizar un nivel de confianza del 95% (CL) de que no se supere este límite. Estos límites son aplicables a todas las misiones en órbita terrestre baja (LEO), así como a las misiones lunares de menos de 180 días de duración. ^[20] En los Estados Unidos, los límites legales de exposición ocupacional para los trabajadores adultos se establecen en una dosis efectiva de 50 mSv al año. ^[21]

Relación entre el riesgo de cáncer y la dosis

La relación entre la exposición a la radiación y el riesgo es específica de la edad y del sexo debido a los efectos de latencia y las diferencias en los tipos de tejidos, las sensibilidades y la esperanza de vida entre los sexos. Estas relaciones se calculan utilizando los métodos recomendados por el NCRP ^[10] y la información más reciente sobre epidemiología de la radiación ^{[1] [20] [22]}

El principio de tan bajo como sea razonablemente posible

El principio del nivel más bajo que sea razonablemente alcanzable (ALARA, por sus siglas en inglés) es un requisito legal destinado a garantizar la seguridad de los astronautas. Una función importante de ALARA es garantizar que los astronautas no se acerquen a los límites de radiación y que dichos límites no se consideren como "valores de tolerancia". ALARA es especialmente importante para las misiones espaciales en vista de las grandes incertidumbres en los modelos de proyección de riesgos de cáncer y otros riesgos. Los programas de misión y los procedimientos ocupacionales terrestres que resulten en exposiciones a la radiación de los astronautas deben encontrar enfoques rentables para implementar ALARA. ^[20]

Evaluación de los límites de la carrera profesional

El riesgo de cáncer se calcula utilizando métodos de física y dosimetría de radiación . ^[20]

Para determinar los límites de exposición a la radiación en la NASA, la probabilidad de cáncer mortal se calcula como se muestra a continuación:

1. El cuerpo se divide en un conjunto de tejidos sensibles, y a cada tejido, T , se le asigna un peso, w _T , según su contribución estimada al riesgo de cáncer. ^[20]
2. La dosis absorbida, D _γ , que se administra a cada tejido se determina a partir de la dosimetría medida. Para estimar el riesgo de radiación para un órgano, la cantidad que caracteriza la densidad de ionización es la LET (keV/μm). ^[20]
3. Para un intervalo dado de LET, entre L y ΔL, el riesgo equivalente a dosis (en unidades de sievert ) para un tejido, T , H _γ (L) se calcula como donde el factor de calidad, Q(L), se obtiene de acuerdo con la Comisión Internacional de Protección Radiológica (CIPR). ^[20]
   ${\displaystyle H_{\gamma }(L)=Q(L)D_{\gamma }(L)}$
   
4. El riesgo promedio para un tejido, T , debido a todos los tipos de radiación que contribuyen a la dosis está dado por ^[20] o, ya que , donde F _γ (L) es la fluencia de partículas con LET=L , que atraviesan el órgano,
   ${\displaystyle H_{\gamma }=\int D_{\gamma }(L)Q(L)dL}$
   ${\displaystyle D_{\gamma }(L)=LF_{\gamma }(L)}$
   ${\displaystyle H_{\gamma }=\int dLQ(L)F_{\gamma }(L)L}$
5. La dosis efectiva se utiliza como una suma sobre el tipo de radiación y el tejido utilizando los factores de ponderación del tejido, w _γ ^[20]
   ${\displaystyle E=\sum _{\gamma }w_{\gamma }H_{\gamma }}$
6. Para una misión de duración t , la dosis efectiva será una función del tiempo, E(t) , y la dosis efectiva para la misión i será ^[20]
   ${\displaystyle E_{i}=\int E(t)dt}$
7. La dosis efectiva se utiliza para escalar la tasa de mortalidad por muerte inducida por radiación a partir de los datos de sobrevivientes japoneses, aplicando el promedio de los modelos de transferencia multiplicativa y aditiva para cánceres sólidos y el modelo de transferencia aditiva para leucemia mediante la aplicación de metodologías de tabla de mortalidad que se basan en datos de población de EE. UU. para cáncer de base y tasas de mortalidad por todas las causas de muerte. Se supone un factor de efectividad dosis-tasa (DDREF) de 2. ^[20]

Evaluación de los riesgos de radiación acumulativos

El riesgo acumulado de mortalidad por cáncer (%REID) para un astronauta por exposición a radiación ocupacional, N , se obtiene aplicando metodologías de tabla de vida que pueden aproximarse a valores pequeños de %REID sumando la dosis efectiva ponderada por tejido, E _i , como

${\displaystyle Risk=\sum _{i=1}^{N}E_{i}R_{0}(age_{i},sex)}$

donde R ₀ son las tasas de mortalidad por radiación específicas por edad y sexo por unidad de dosis. ^[20]

Para los cálculos de dosis en los órganos, la NASA utiliza el modelo de Billings et al. ^[23] para representar el autoprotector del cuerpo humano en una aproximación de masa equivalente al agua. Se debe tener en cuenta la orientación del cuerpo humano en relación con el blindaje del vehículo si se conoce, especialmente para los SPE ^[24].

Los niveles de confianza para los riesgos de cáncer profesional se evalúan utilizando métodos especificados por el NPRC en el Informe N.° 126 Archivado el 8 de marzo de 2014 en Wayback Machine . ^[20] Estos niveles se modificaron para tener en cuenta la incertidumbre en los factores de calidad y la dosimetría espacial. ^{[1] [20] [25]}

Las incertidumbres que se consideraron al evaluar los niveles de confianza del 95% son las incertidumbres en:

• Datos de epidemiología humana, incluidas las incertidumbres en
  • Limitaciones estadísticas de los datos epidemiológicos
  • Dosimetría de cohortes expuestas
  • sesgo, incluida la clasificación errónea de las muertes por cáncer, y
  • La transferencia de riesgos entre poblaciones.
• El factor DDREF que se utiliza para escalar los datos de exposición a la radiación aguda a exposiciones a la radiación de dosis baja y de tasa de dosis baja.
• El factor de calidad de la radiación (Q) en función de LET.
• Dosimetría espacial

La NASA ignora las llamadas "incertidumbres desconocidas" del informe NCRP nº 126 ^{[26] .}

Modelos de riesgos e incertidumbres del cáncer

Metodología de tablas de vida

El método de la tabla de mortalidad de doble detrimento es el que recomienda el NPRC ^[10] para medir los riesgos de mortalidad por cáncer de radiación. Se hace un seguimiento de la mortalidad específica por edad de una población a lo largo de toda su vida, describiendo los riesgos competitivos de la radiación y todas las demás causas de muerte. ^{[27] [28]}

Para una población homogénea que recibe una dosis efectiva E a la edad a _E , la probabilidad de morir en el intervalo de edad de a a a+1 se describe por la tasa de mortalidad de fondo para todas las causas de muerte, M(a) , y la tasa de mortalidad por cáncer por radiación, m(E,a _E ,a) , como: ^[28]

${\displaystyle q(E,a_{E},a)={\frac {M(a)+m(E,a_{E},a)}{1+{\frac {1}{2}}\left[M(a)+m(E,a_{E},a)\right]}}}$

La probabilidad de supervivencia hasta la edad a después de una exposición E a la edad a _E es: ^[28]

${\displaystyle S(E,a_{E},a)=\prod _{u=a_{E}}^{a-1}\left[1-q(E,a_{E},u)\right]}$

El riesgo excesivo a lo largo de la vida (ELR, la mayor probabilidad de que un individuo expuesto muera de cáncer) se define por la diferencia en las probabilidades de supervivencia condicional para los grupos expuestos y no expuestos como: ^[28]

${\displaystyle ELR=\sum _{a=a_{E}}^{\infty }\left[M(a)+m(E,a_{E},a)\right]S(E,a_{E},a)-\sum _{a=a_{E}}^{\infty }M(a)S(0,a_{E},a)}$

A menudo se utiliza un tiempo de latencia mínimo de 10 años para la radiación de baja LET. ^[10] Se deben considerar supuestos alternativos para la radiación de alta LET. El REID (el riesgo de por vida de que un individuo de la población muera de cáncer causado por la exposición a la radiación) se define por: ^[28]

${\displaystyle REID=\sum _{a=a_{E}}^{\infty }m(E,a_{E},a)S(E,a_{E},a)}$

Generalmente, el valor del REID excede el valor del ELR en un 10-20%.

La pérdida media de esperanza de vida, LLE, en la población se define por: ^[28]

${\displaystyle LLE=\sum _{a=a_{E}}^{\infty }S(0,a_{E},a)-\sum _{a=a_{E}}^{\infty }S(E,a_{E},a)}$

La pérdida de esperanza de vida entre muertes inducidas por exposición (LLE-REID) se define por: ^{[28] [29]}

${\displaystyle LLE-REID={\frac {LLE}{REID}}}$

Incertidumbres en los datos epidemiológicos de baja LET

La tasa de mortalidad por sievert, m _i, de baja LET se escribe

${\displaystyle m(E,a_{x},a)={\frac {m_{0}(E,a_{x},a)}{DDREF}}{\frac {x_{D}x_{s}x_{T}x_{B}}{x_{Dr}}}}$

donde m ₀ es la tasa de mortalidad de referencia por sievert y x _α son cuantiles (variables aleatorias) cuyos valores se toman de funciones de distribución de probabilidad (PDF) asociadas, P(X _a ) . ^[30]

El NCRP, en el Informe N.º 126, define las siguientes PDF subjetivas, P(X _a ) , para cada factor que contribuye a la proyección de riesgo agudo de LET bajo: ^{[30] [31]}

1. _{La dosimetría} P son los errores aleatorios y sistemáticos en la estimación de las dosis recibidas por los sobrevivientes de la explosión de una bomba atómica.
2. P _estadística es la distribución de la incertidumbre en la estimación puntual del coeficiente de riesgo, r ₀ .
3. _{El sesgo} P es cualquier sesgo que resulta de un informe excesivo o insuficiente de las muertes por cáncer.
4. _{La transferencia} P es la incertidumbre en la transferencia del riesgo de cáncer luego de la exposición a la radiación de la población japonesa a la población estadounidense.
5. P _Dr es la incertidumbre en el conocimiento de la extrapolación de riesgos a dosis bajas y tasas de dosis, que están incorporadas en el DDREF.

Riesgo en el contexto de escenarios operacionales de misiones de exploración

La precisión de los modelos ambientales de rayos cósmicos galácticos, los códigos de transporte y las secciones transversales de interacción nuclear permiten a la NASA predecir los entornos espaciales y la exposición de los órganos que pueden encontrarse en misiones espaciales de larga duración. La falta de conocimiento de los efectos biológicos de la exposición a la radiación plantea importantes interrogantes sobre la predicción de riesgos. ^[32]

La proyección del riesgo de cáncer para las misiones espaciales se encuentra en ^[32]

${\displaystyle m_{J}(E,a_{E},a)_{lJ}(E,a_{E},a)\int dL{\frac {dF}{dL}}LQ_{trial-J}(L)X_{L-J}}$

donde representa el plegamiento de las predicciones de los espectros LET ponderados por el tejido detrás del blindaje de la nave espacial con la tasa de mortalidad por radiación para formar una tasa para el ensayo J. ${\displaystyle {\frac {dF}{dL}}}$

Alternativamente, se pueden utilizar espectros de energía específicos de partículas, F _j (E) , para cada ion, j , ^[32]

${\displaystyle m_{J}(E,a_{E},a)=m_{lJ}(E,a_{E},a)\sum _{j}(E)L(E)Q_{trial-J}(L(E))x_{L-J}}$.

El resultado de cualquiera de estas ecuaciones se inserta en la expresión del REID. ^[32]

Las funciones de distribución de probabilidad relacionadas (PDF) se agrupan en una función de distribución de probabilidad combinada, P _cmb (x) . Estas PDF están relacionadas con el coeficiente de riesgo de la forma normal (dosimetría, sesgo e incertidumbres estadísticas). Una vez que se ha completado un número suficiente de ensayos (aproximadamente 10 ⁵ ), los resultados para el REID estimado se agrupan y se encuentran los valores medianos y los intervalos de confianza. ^[32]

La prueba de chi-cuadrado (χ ² ) se utiliza para determinar si dos PDF separadas son significativamente diferentes (denominadas p ₁ (R _i ) y p ₂ (R _i ) , respectivamente). Cada p(R _i ) sigue una distribución de Poisson con varianza . ^[32] ${\displaystyle {\sqrt {p(R_{i})}}}$

La prueba χ ² para n grados de libertad que caracteriza la dispersión entre las dos distribuciones es ^[32]

${\displaystyle \chi ^{2}=\sum _{n}{\frac {\left[p_{1}(R_{n})-p_{2}(R_{n})\right]^{2}}{\sqrt {p_{1}^{2}(R_{n})+p_{2}^{2}(R_{n})}}}}$.

La probabilidad, P(ņχ ² ) , de que las dos distribuciones sean iguales se calcula una vez que se determina χ ^{2. [32]}

Tasas de mortalidad por carcinogénesis por radiación

La tasa de mortalidad por unidad de dosis, dependiente de la edad y el sexo, multiplicada por el factor de calidad de la radiación y reducida por el factor de calidad de la radiación (DREF), se utiliza para proyectar los riesgos de mortalidad por cáncer a lo largo de la vida. Se estiman las exposiciones agudas a los rayos gamma. ^[10] También se supone la aditividad de los efectos de cada componente en un campo de radiación.

Las tasas se calculan de forma aproximada a partir de datos recopilados de los supervivientes japoneses de la bomba atómica. Hay dos modelos diferentes que se tienen en cuenta a la hora de transferir el riesgo de la población japonesa a la estadounidense.

• Modelo de transferencia multiplicativa: supone que los riesgos de radiación son proporcionales a los riesgos de cáncer espontáneo o de fondo.
• Modelo de transferencia aditiva: supone que el riesgo de radiación actúa independientemente de otros riesgos de cáncer.

El NCRP recomienda utilizar un modelo mixto que contenga contribuciones fraccionarias de ambos métodos. ^[10]

La tasa de mortalidad por radiación se define como:

${\displaystyle m(E,a_{E},a)=\left[ERR(a_{E},a)M_{c}(a)+(1-v)EAR(a_{E},a)\right]{\frac {\sum _{L}Q(L)F(L)L}{DDREF}}}$

Dónde:

• ERR = exceso de riesgo relativo por sievert
• EAR = exceso de riesgo aditivo por sievert
• M _c (a) = tasa de mortalidad por cáncer específica por sexo y edad en la población de EE. UU.
• F = fluencia ponderada por el tejido
• L = el LET
• v = la división fraccionaria entre el supuesto de los modelos de transferencia de riesgo multiplicativo y aditivo. Para el cáncer sólido, se supone que v = 1/2 y para la leucemia, se supone que v = 0.

Contramedidas biológicas y físicas

La identificación de contramedidas eficaces que reduzcan el riesgo de daño biológico sigue siendo un objetivo a largo plazo para los investigadores espaciales. Estas contramedidas probablemente no sean necesarias para misiones lunares de larga duración, ^[3] pero sí lo serán para otras misiones de larga duración a Marte y más allá. ^[32] El 31 de mayo de 2013, los científicos de la NASA informaron que una posible misión humana a Marte podría implicar un gran riesgo de radiación en función de la cantidad de radiación de partículas energéticas detectada por el RAD en el Laboratorio Científico de Marte durante el viaje de la Tierra a Marte en 2011-2012. ^{[15] [16] [17] [18]}

Hay tres formas fundamentales de reducir la exposición a la radiación ionizante: ^[32]

• Aumentar la distancia desde la fuente de radiación.
• reduciendo el tiempo de exposición
• blindaje (es decir: una barrera física)

El blindaje es una opción plausible, pero debido a las restricciones actuales de masa de lanzamiento, es prohibitivamente costoso. Además, las incertidumbres actuales en la proyección de riesgos impiden determinar el beneficio real del blindaje. Se están evaluando estrategias como medicamentos y suplementos dietéticos para reducir los efectos de la radiación, así como la selección de los miembros de la tripulación como opciones viables para reducir la exposición a la radiación y los efectos de la irradiación. El blindaje es una medida de protección eficaz para los eventos de partículas solares. ^[33] En cuanto al blindaje contra los rayos gamma, la radiación de alta energía es muy penetrante y la eficacia del blindaje depende de la composición atómica del material utilizado. ^[32]

Los antioxidantes se utilizan eficazmente para prevenir el daño causado por la radiación y el envenenamiento por oxígeno (la formación de especies reactivas de oxígeno), pero como los antioxidantes funcionan rescatando a las células de una forma particular de muerte celular (apoptosis), es posible que no protejan contra las células dañadas que pueden iniciar el crecimiento del tumor. ^[32]

Blindaje de naves espaciales

El blindaje estándar de las naves espaciales, integrado en el diseño del casco, es una protección sólida contra la mayor parte de la radiación solar. Esta utilidad se ve anulada por los rayos cósmicos de alta energía, que se dividen en lluvias de partículas secundarias. Esta lluvia de partículas secundarias se puede reducir mediante el uso de materiales densos en hidrógeno o elementos ligeros para el blindaje.

El blindaje de materiales puede ser eficaz contra los rayos cósmicos galácticos, pero un blindaje delgado puede empeorar el problema para algunos de los rayos de mayor energía, debido a la mayor cantidad de radiación secundaria . ^[34] Se cree, por ejemplo, que las paredes de aluminio de la ISS producen una reducción neta de la exposición a la radiación. Sin embargo, en el espacio interplanetario, se cree que un blindaje delgado de aluminio daría lugar a un aumento neto de la exposición a la radiación; se necesitaría un blindaje más grueso para bloquear la radiación secundaria. ^{[35] [36]}

Los estudios de protección contra la radiación espacial deben incluir protección equivalente a la de los tejidos o al agua, junto con el material de protección en estudio. Esta observación se entiende fácilmente si se tiene en cuenta que la autoprotección tisular media de los órganos sensibles es de unos 10 cm, y que la radiación secundaria producida en los tejidos, como los protones de baja energía, el helio y los iones pesados, tiene una alta transferencia de energía lineal (LET) y contribuye de forma significativa (>25%) al daño biológico general causado por los rayos gamma. Los estudios sobre aluminio, polietileno, hidrógeno líquido u otros materiales de protección deben incluir sus efectos combinados contra la radiación primaria y secundaria, además de su capacidad para limitar la radiación secundaria producida en los tejidos.

Se están estudiando varias estrategias para mejorar los efectos de este peligro de radiación para los vuelos espaciales interplanetarios tripulados planificados:

• Las naves espaciales pueden construirse con plásticos ricos en hidrógeno, en lugar de aluminio. ^[37]
• Blindaje de masa y material:
  • El hidrógeno líquido, que se utiliza a menudo como combustible, suele proporcionar un blindaje relativamente bueno, al tiempo que produce niveles relativamente bajos de radiación secundaria. Por lo tanto, el combustible podría colocarse de forma que actúe como una forma de blindaje alrededor de la tripulación. Sin embargo, a medida que la nave consume combustible, el blindaje de la tripulación disminuye.
  • El agua dulce o residual puede contribuir al blindaje. ^[38]
  • Los asteroides podrían servir para proporcionar protección. ^{[39] [40]}
• Escudos de radiación activa basados ​​en grafeno cargado contra rayos gamma, donde los parámetros de absorción se pueden controlar mediante la acumulación de carga negativa. ^[41]
• La desviación magnética de partículas de radiación cargadas y/o la repulsión electrostática es una alternativa hipotética al blindaje de masa convencional puro que se está investigando. En teoría, los requisitos de potencia para un toro de 5 metros caen de unos excesivos 10 GW para un simple blindaje electrostático puro (demasiado descargado por los electrones espaciales) a unos moderados 10  kilovatios (kW) utilizando un diseño híbrido. ^[35] Sin embargo, este blindaje activo complejo no se ha probado, y su viabilidad y sus aspectos prácticos son más inciertos que los del blindaje material. ^[35]

También serían necesarias disposiciones especiales para protegerse contra un evento de protones solares, que podría aumentar los flujos a niveles que matarían a una tripulación en horas o días en lugar de meses o años. Las posibles estrategias de mitigación incluyen proporcionar un pequeño espacio habitable detrás del suministro de agua de una nave espacial o con paredes particularmente gruesas o brindar una opción para abortar hacia el entorno protector proporcionado por la magnetosfera de la Tierra. La misión Apolo utilizó una combinación de ambas estrategias. Al recibir la confirmación de un SPE, los astronautas se trasladarían al Módulo de Comando, que tenía paredes de aluminio más gruesas que el Módulo Lunar, y luego regresarían a la Tierra. Más tarde se determinó a partir de mediciones tomadas por instrumentos volados en Apolo que el Módulo de Comando habría proporcionado suficiente protección para evitar daños significativos a la tripulación. ^{[ cita requerida ]}

Ninguna de estas estrategias proporciona actualmente un método de protección que se considere suficiente ^[42] y que se ajuste a las probables limitaciones de la masa de la carga útil en los precios de lanzamiento actuales (alrededor de 10.000 dólares/kg). Científicos como el profesor emérito de la Universidad de Chicago Eugene Parker no son optimistas de que se pueda resolver en un futuro próximo. ^[42] Para el blindaje pasivo de masa, la cantidad requerida podría ser demasiado pesada para ser transportada al espacio de manera asequible sin cambios en la economía (como un hipotético lanzamiento espacial sin cohetes o el uso de recursos extraterrestres): muchos cientos de toneladas métricas para un compartimento de tripulación de tamaño razonable. Por ejemplo, un estudio de diseño de la NASA para una ambiciosa estación espacial de gran tamaño previó 4 toneladas métricas por metro cuadrado de blindaje para reducir la exposición a la radiación a 2,5 mSv anualmente (± un factor de incertidumbre de 2), menos que las decenas de milisieverts o más en algunas áreas pobladas de alta radiación natural de fondo en la Tierra, pero la masa pura para ese nivel de mitigación se consideró práctica solo porque implicaba construir primero un impulsor de masa lunar para lanzar material. ^[34]

Se han considerado varios métodos de protección activa que podrían ser menos masivos que la protección pasiva, pero siguen siendo especulativos. ^{[35] [43] [44]} Dado que el tipo de radiación que penetra más lejos a través del material de protección grueso, en las profundidades del espacio interplanetario, son los núcleos de GeV con carga positiva, se ha propuesto un campo electrostático repulsivo, pero esto tiene problemas, incluidas las inestabilidades del plasma y la energía necesaria para que un acelerador mantenga constantemente la carga sin que los electrones del espacio profundo neutralicen la carga. ^[45] Una propuesta más común es el blindaje magnético generado por superconductores (o corrientes de plasma). Entre las dificultades de esta propuesta está que, para un sistema compacto, podrían requerirse campos magnéticos de hasta 20 teslas alrededor de una nave espacial tripulada, más altos que los varios teslas en las máquinas de resonancia magnética . Campos tan altos pueden producir dolores de cabeza y migrañas en pacientes de resonancia magnética, y no se ha estudiado la exposición prolongada a tales campos. Los diseños de electroimanes opuestos podrían cancelar el campo en las secciones de la tripulación de la nave espacial, pero requerirían más masa. También es posible utilizar una combinación de un campo magnético con un campo electrostático, con lo que la nave espacial tendría una carga total cero. El diseño híbrido, en teoría, mejoraría los problemas, pero sería complejo y posiblemente inviable. ^[35]

Parte de la incertidumbre se debe a que el efecto de la exposición humana a los rayos cósmicos galácticos es poco conocido en términos cuantitativos. El Laboratorio de Radiación Espacial de la NASA está estudiando actualmente los efectos de la radiación en los organismos vivos, así como los escudos protectores.

Blindaje de radiación portátil

Además de los métodos de protección contra la radiación pasiva y activa, que se centran en proteger a las naves espaciales de la radiación espacial dañina, ha habido mucho interés en el diseño de trajes de protección contra la radiación personalizados para los astronautas. La razón detrás de la elección de estos métodos de protección contra la radiación es que en el caso del blindaje pasivo, añadir un cierto espesor a la nave espacial puede aumentar la masa de la nave espacial en varios miles de kilogramos. ^[46] Esta masa puede superar las limitaciones del lanzamiento y cuesta varios millones de dólares.

Por otra parte, los métodos de protección activa contra la radiación son una tecnología emergente que aún está lejos de ser probada e implementada. Incluso con el uso simultáneo de protección activa y pasiva, la protección portátil puede ser útil, especialmente para reducir los efectos sobre la salud de los SPE, que generalmente están compuestos de partículas que tienen una fuerza de penetración menor que las partículas GCR. ^[47] Los materiales sugeridos para este tipo de equipo de protección son a menudo polietileno u otros polímeros ricos en hidrógeno. ^[48] También se ha sugerido el agua como material de protección. La limitación de las soluciones de protección portátiles es que deben ser ergonómicamente compatibles con las necesidades de la tripulación, como el movimiento dentro del volumen de la tripulación. Un intento de crear protección portátil para la radiación espacial fue realizado por la Agencia Espacial Italiana, donde se propuso una prenda que podría llenarse con agua reciclada en la señal de SPE entrante. ^[49]

Un esfuerzo colaborativo entre la Agencia Espacial Israelí , StemRad y Lockheed Martin fue AstroRad , probado a bordo de la ISS. El producto está diseñado como un chaleco protector ergonómicamente adecuado, que puede minimizar la dosis efectiva por SPE en una medida similar a los refugios contra tormentas a bordo. ^[50] También tiene potencial para reducir levemente la dosis efectiva de GCR a través de un uso extensivo durante la misión durante actividades rutinarias como dormir. Esta prenda protectora contra la radiación utiliza métodos de blindaje selectivo para proteger la mayoría de los órganos sensibles a la radiación, como el BFO, el estómago, los pulmones y otros órganos internos, reduciendo así la penalización de masa y el costo del lanzamiento. ^{[ cita requerida ]}

Drogas y medicinas

Otra línea de investigación es el desarrollo de fármacos que potencien la capacidad natural del organismo para reparar los daños causados ​​por la radiación. Algunos de los fármacos que se están considerando son los retinoides , que son vitaminas con propiedades antioxidantes , y moléculas que retardan la división celular, lo que da tiempo al organismo para reparar los daños antes de que se puedan reproducir las mutaciones dañinas. ^{[ cita requerida ]}

Transhumanismo

También se ha sugerido que sólo mediante mejoras y modificaciones sustanciales el cuerpo humano podría soportar las condiciones de los viajes espaciales. Si bien no está limitado por las leyes básicas de la naturaleza como lo están las soluciones técnicas, esto está muy fuera del alcance de la ciencia médica actual.

Cronograma de misiones

Debido a los posibles efectos negativos de la exposición de los astronautas a los rayos cósmicos, la actividad solar puede desempeñar un papel en los viajes espaciales futuros. Debido a que los flujos de rayos cósmicos galácticos dentro del Sistema Solar son menores durante los períodos de fuerte actividad solar, los viajes interplanetarios durante el máximo solar deberían minimizar la dosis promedio para los astronautas. ^{[ cita requerida ]}

Aunque el efecto de disminución de Forbush durante las eyecciones de masa coronal puede reducir temporalmente el flujo de rayos cósmicos galácticos, la corta duración del efecto (1 a 3 días) y la probabilidad de aproximadamente el 1 % de que una eyección de masa coronal genere un peligroso evento de protones solares limita la utilidad de cronometrar misiones para que coincidan con las eyecciones de masa coronal. ^{[ cita requerida ]}

Selección orbital

La dosis de radiación de los cinturones de radiación de la Tierra se suele mitigar seleccionando órbitas que eviten los cinturones o los atraviesen con relativa rapidez. Por ejemplo, una órbita terrestre baja , con poca inclinación, estará generalmente por debajo del cinturón interior.

Las órbitas de los puntos de Lagrange L 2 - L 5 del sistema Tierra-Luna los sacan de la protección de la magnetosfera de la Tierra durante aproximadamente dos tercios del tiempo. ^{[ cita requerida ]}

Las órbitas de los puntos de Lagrange L 1 y L 3 - L 5 del sistema Tierra-Sol están siempre fuera de la protección de la magnetosfera de la Tierra.

Subpáginas de evidencia

La evidencia y las actualizaciones de los modelos de proyección del riesgo de cáncer por radiación de baja LET son revisadas periódicamente por varios organismos, entre los que se incluyen las siguientes organizaciones: ^[20]

• Comité de la NAS sobre los efectos biológicos de la radiación ionizante
• El Comité Científico de las Naciones Unidas para el Estudio de los Efectos de las Radiaciones Atómicas (UNSCEAR)
• La CIPR
• El CNRP

Estos comités publican nuevos informes cada 10 años aproximadamente sobre los riesgos de cáncer aplicables a las exposiciones a la radiación de baja LET. En general, las estimaciones de los riesgos de cáncer entre los diferentes informes de estos paneles coincidirán en un factor de dos o menos. Sin embargo, existe una controversia continua para las dosis inferiores a 5 mSv y para la radiación de baja tasa de dosis debido al debate sobre la hipótesis lineal sin umbral que se utiliza a menudo en el análisis estadístico de estos datos. El informe BEIR VII, ^[4] que es el más reciente de los informes principales, se utiliza en las siguientes subpáginas. La evidencia de los efectos del cáncer de baja LET debe complementarse con información sobre protones, neutrones y núcleos HZE que solo está disponible en modelos experimentales. Estos datos han sido revisados ​​​​por la NASA varias veces en el pasado y por el NCRP. ^{[10] [20] [51] [52]}

• Datos epidemiológicos de la radiación de transferencia de energía lineal baja
• Evidencia radiobiológica de protones y núcleos HZE

Véase también

• Efectos de la exposición a la radiación durante los vuelos espaciales sobre el sistema nervioso central
• Dosimetría
• Amenaza para la salud por los rayos cósmicos
• Síndrome de radiación
• Protección radiológica

Referencias

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Enlaces externos

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 Este artículo incorpora material de dominio público de Riesgos para la salud humana y el rendimiento de las misiones de exploración espacial (PDF) . Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio . (NASA SP-2009-3405).