Abschirmungsmöglichkeiten kosmischer Strahlung

Abschirmungsmöglichkeiten kosmischer Strahlung

Jonas Vogel

Christian Kleifges Niclas Göring

Lehrkraft: Britta Grau

Gymnasium Karlsbad Am Schelmenbusch 14-16 76307 Karlsbad

Deutschland/Germany

Inhalt

Die kosmische Strahlung ... 1

Ursprung der kosmischen Strahlung ... 1

Zusammensetzung der kosmischen Strahlung ... 1

Zusammensetzung der primären kosmischen Strahlung ... 2

Zusammensetzung der sekundären kosmischen Strahlung ... 2

Luftschauer der sekundären kosmischen Strahlung ... 3

Auswirkungen kosmischer Strahlung auf Menschen ... 3

Experiment zum Abschirmungseffekt verschiedener Materialien ... 5

Aufbau des Experiments... 5

Funktionsweise ... 6

Funktionsweise eines Photomultipliers ... 6

Die Čerenkov-Strahlung ... 8

Auswertung der Messergebnisse ... 9

Probleme und Fehlerquellen ... 11

Vermutungen über den Strahlungsanstieg bei Erde ... 11

Erklärung des schützenden Effektes ... 12

Schlussfolgerungen und Nutzen des Projektes ... 14

Quellen ... 15

Bildquellen ... 15

Textquellen ... 15

1

Die kosmische Strahlung

Ursprung der kosmischen Strahlung

Im Universum gibt es viele Strahlenquellen unterschiedlichster Art. Dazu zählen beispielsweise Sterne, Supernovae oder Neutronensterne, die jeweils Teilchen unterschiedlicher Energien ausstrahlen.

Teilchen unter 500 MeV¹ sind überwiegend Protonen und Alpha-Teilchen des Sonnenwindes. Die durchschnittliche Energie liegt bei 10 MeV. Im Normalfall hat dieser Sonnenwind eine Teilchendichte von 5 Teilchen/cm³, bei Sonneneruptionen kann die Teilchendichte aber auch auf das Zehnfache ansteigen.

Bei Energien von einigen GeV sind die Teilchen galaktischen Ursprungs. Die Teilchendichte ist sehr gering.

Bei Kosmischer Strahlung mit Energien bis zu 10¹⁵ eV wird davon ausgegangen, dass die Teilchen durch Schockfronten beschleunigt werden, wie sie z.B. bei Supernovae entstehen. Dabei werden die Teilchen von der Schockfront mehrfach reflektiert und durchqueren diese dadurch mehrmals.

Dadurch nehmen die Teilchen Energie auf, die proportional zur Geschwindigkeit der Schockfront ist.

Die Energie ist dabei von der Verweildauer innerhalb der Schockfront und der Geschwindigkeit derselben abhängig. Für diese Art der Beschleunigung braucht das Teilchen jedoch schon eine gewisse Ausgangsgeschwindigkeit. Die Energie für eine effektive Beschleunigung liegt im MeV- Bereich.

Des Weiteren können Teilchen durch die galaktische Stoßfront beschleunigt werden. Diese Stoßfront entsteht, wenn der galaktische Wind auf das intergalaktische Medium trifft.

Einige Teilchen der kosmischen Strahlung weisen jedoch auf Energien von mehr als 10¹⁸ eV auf. Der Ursprung dieser Teilchen ist aufgrund der hohen Energien unklar, jedoch wird angenommen, dass er außerhalb unserer Galaxie zu suchen ist.([ⁱ])

Zusammensetzung der kosmischen Strahlung

Die kosmische Strahlung wird in Primär- und Sekundärstrahlung unterteilt. Die Primärstrahlung bezeichnet die Strahlung, die direkt von den Strahlungsquellen kommt und sich im freien Weltraum befindet. Sobald diese Primärstrahlung jedoch auf eine Atmosphäre trifft, wechselwirken deren Teilchen mit den Teilchen der Atmosphäre. Die dabei entstandenen Teilchen nennt man Sekundärstrahlung. Damit die Strahlung die Erdoberfläche erreicht, muss das verantwortliche Primärteilchen eine Energie von mindestens 100 TeV besitzen.

Da diese dementsprechend eine andere Zusammensetzung hat als die Primärstrahlung, muss man Primär- und Sekundärstrahlung getrennt voneinander betrachten.([ⁱⁱ])

1 eV, Elektronenvolt: Die Energie, die ein Elektron erhält, wenn es in einem elektrischen Feld mit der Beschleunigungsspannung 1 Volt beschleunigt wird.

2 Zusammensetzung der primären kosmischen Strahlung

Die kosmische Primärstrahlung besteht größtenteils aus Protonen (ca. 85 - 88%) und Alpha-Teilchen² (ca. 10 - 12%). Außerdem enthält sie ca. 1% schwere Kerne, wobei das Verhältnis der Elemente derer im Sonnensystem ähnelt. Des Weiteren besteht die primäre kosmische Strahlung aus Elektronen und Positronen.([ⁱⁱⁱ])

Zusammensetzung der sekundären kosmischen Strahlung

Durch Wechselwirkungen der Primärteilchen mit der Atmosphäre (siehe unten „Luftschauer der sekundären kosmischen Strahlung") entstehen verschiedenen Sekundärteilchen. Diese lassen sich in Hadronen, Myonen und eine elektromagnetische Komponente unterteilen. Letztere besteht aus Elektronen und Positronen sowie sogenannte Gammaquanten, Photonen mit einer Energie über 10 - 100 keV, aus welcher die Gammastrahlung besteht. Auf Meeresniveau besteht diese Strahlung großteils aus Myonen.

Hadronen sind keine Elementarteilchen wie Myonen, Elektronen, Positronen oder Photonen, sondern bestehen aus Quarks.

Die Hadronen lassen sich in Baryonen und Mesonen unterteilen. Zu ersteren gehören u.a.

auch das Proton, welches sich aus zwei up-Quarks und einem down-Quark zusammensetzt, und das Neutron. Die Mesonen setzen sich aus einem Quark und einem Antiquark zusammen, was eine sehr kurze Lebensdauer zur Folge hat, da sich Teilchen-Antiteilchen-Paare unter Ausstrahlung von Energie gegenseitig vernichten. Mesonen, die in der sekundären kosmischen Strahlung vorkommen, sind Pionen und Kaonen.

Durch den Zerfall der Mesonen entstehen außerdem Neutrinos, welche aber keinen Einfluss mehr auf die Sekundärstrahlung nehmen, da Neutrinos nur extrem geringfügig wechselwirken.([^iv])

2 Alpha-Teilchen: Heliumkerne, d.h. 2 Protonen und 2 Neutronen

Abb. 1: Die Elementarteilchen

3

Luftschauer der sekundären kosmischen Strahlung

Wenn die Primärteilchen auf die Atmosphäre treffen, wechselwirken sie zur Sekundärstrahlung, welche wir in unserem Experiment registrieren können.

Die Protonen der Primärstrahlung und damit auch die aus Protonen und Neutronen bestehenden Alpha-Teilchen wechselwirken dabei zu Pionen, Kaonen und Neutronen. Die Pionen und Kaonen entstehen dabei im Verhältnis 9:1. Da beide aus einem Quark-Antiquark-Paar bestehen, zerfallen sie oft bevor sie wechselwirken können. Dabei entstehen Photonen.

Die Pionen und Kaonen zerfallen außerdem in Myonen. Diese haben eine Reichweite von ca. 12km, bis sie aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer zu einem Elektron bzw. einem Positron und einem Myonneutrino bzw. einem Myonantineutrino zerfallen.

50% der Myonen erreichen den Erdboden.

Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Luftschauer, der je nach Energie des Primärteilchens eine horizontale Ausbreitung von einigen hundert Metern haben kann, die vertikale Ausdehnung beträgt jedoch nur einige wenige Meter.([^v])

Auswirkungen kosmischer Strahlung auf Menschen

Die Abschirmung kosmischer Strahlung ist für die Raumfahrt von großer Relevanz. Da die Zusammensetzung der Strahlung im Weltall nicht mit der bei uns auf der Erde ankommenden Strahlung zu vergleichen ist, laufen zurzeit auch Experimente zur Bestimmung von Strahlungsdosen im Weltall und ihren Auswirkungen auf Lebewesen. An dieser Stelle seien zwei Experimente im Zusammenhang mit der Messung von Strahlung im Weltraum erwähnt ([^vi]):

Das DOSIS 3D Experiment besteht aus insgesamt 13 Sensoren auf der ISS, die kosmische Strahlung erfassen und speichern. Durch die räumliche Anordnung der Sensoren können die Forscher dann unter anderem Rückschlüsse auf den Ursprung der Strahlung oder die „Lücken“ in der Abschirmung des Moduls ziehen, aber auch Zusammenhänge mit der Flughöhe der ISS und der Sonnenaktivität aufzeigen ([^vii]). Da diese Sensoren allerdings nur die Energiedosis messen und nicht die Äquivalentdosis, die die Wirkung der Strahlung auf den Menschen beschreibt, lassen sich diese Versuche nur bedingt mit der Auswirkung der Strahlung auf den Menschen in Verbindung setzen.

Dieses Problem besteht nicht beim zweiten Experiment, das hier erwähnt werden soll. Der Rover Curiosity, der im Rahmen des Mars Science Laboratory (MSL) zum Mars geflogen wurde, war mit Geräten zur Erfassung und Analyse von Strahlung ausgestattet. Das Team, das die durch den Rover gelieferten Daten analysierte, schätzt, dass bei einer Hin- und Rückreise vom Mars bereits ohne Aufenthalt auf dem Mars eine Strahlenäquivalentdosis von 662 ± 108 mSv³ auf die Astronauten wirkt. Weiterhin stellen die Forscher dar, dass dieser Wert stark von verschiedenen Faktoren wie der

3 Sv, Sievert: Einheit für die Strahlendosis ionisierender Strahlung. 1Sv = 1 J/kg

Abb. 2: Darstellung der Entstehung eines Luftschauers aus

einem Proton

4 Sonnenaktivität oder der genauen Wirkung von schwereren Ionen („high (H) atomicnumber (Z) and high energy (E)“, [^viii]), die ebenfalls noch nicht genau erforscht ist, abhängt. Das würde bedeuten, dass ein Astronaut nach einer Reise zum Mars das von den meisten Raumfahrtorganisationen festgelegte Karrierelimit von 1 Sv beinahe erreicht haben könnte. ([^ix])

Auch das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) hat für Berufsfelder, deren Tätigkeit mit ionisierender Strahlung zu tun hat, ein Berufslebensmaximum von 400 mSv festgelegt ([^x]). Die Strahlung die auf dem Weg zum Mars auf den Menschen wirkt, würde zwar keine direkten Schäden wie bei einer großen Strahlenexposition in einem kurzen Zeitraum bewirken, jedoch sogenannte stochastische Schäden, also erhöhte Wahrscheinlichkeiten, bestimmte Krankheiten wie Krebs zu bekommen, hervorrufen ([^xi]). So treten beispielsweise laut BfS bei einer Strahlenexposition von einem Sievert „in einer Bevölkerungsgruppe etwa 10% zusätzliche Krebs- und Leukämiefälle auf“ ([^xii]).

Für das Szenario einer Kolonisation des Mars oder einer deutlichen Magnetfeldschwächung der Erde bedeuten diese Ergebnisse, dass die von uns untersuchten Möglichkeiten zum Schutz vor (kosmischer) Strahlung von großer Bedeutung sind, da gerade Krebs und Leukämie, die nach dem aktuellen Stand der Medizin nur schwer erfolgreich behandelbar sind, eine ständige Gefahr bei Strahlenexposition darstellen.

5

Experiment zum Abschirmungseffekt verschiedener Materialien Aufbau des Experiments

Abb. 3: Schema des Aufbaus des Experimentes

Das Experiment bestand aus zwei wassergefüllten Thermoskannen, in deren Deckel sich ein Photomultiplier befand. Eine Kanne (Kanne 1) befindet sich in einem kleinen Fass, welches sich wiederum in einem großen Fass befindet. Dazwischen ergibt sich ein fünf Zentimeter breiter Zwischenraum, welchen wir während unserer Versuchsreihe mit den Versuchsmaterialien (Wasser, Erde, Sand) befüllten. Zum Vergleich befand sich außerhalb, aber direkt neben dem Fass, eine zweite Kanne (Kanne 2), um Schwankungen in der Intensität der kosmischen Sekundärstrahlung zu erfassen.

Beide Photomultiplier werden über mit einer Hochspannung von ca. 1700 V versorgt. Die Stromimpulse der Photomultiplier werden von je einer Zählerbox gezählt und in Form von digitalen Dezimalzahlen ausgegeben.

Die Messungen dauerten (mit Ausnahme der Leermessung) jeweils dreißig Minuten. Pro Messreihe führten wir fünf Messungen à dreißig Minuten durch.

Da es uns nicht möglich war, die Triggerschwelle der Spannung, ab welcher ein Impuls gezählt werden soll, exakt gleich einzustellen, berechneten wir das Verhältnis der Pulszahlen und verglichen diese.

Hochspannungs- versorgung (≈1700V DC)

großes Fass kleines Fass Zählerboxen

2

1

12V DC

-

+

wassergefüllte Thermoskannen

Photomultiplier

Zwischenraum gefüllt mit Testmaterial

6

Funktionsweise

Unser Detektor besteht aus einer wassergefüllten Thermoskanne, in welcher die Teilchen der kosmischen Strahlung durch den Čerenkov-Effekt die sogenannte Čerenkov-Strahlung erzeugen.

Diese Strahlung wird mithilfe eines Photomultipliers in elektrischen Strom umgewandelt und von einer Messelektronik ausgewertet. Die genaue physikalische Funktionsweisewird im Folgenden erläutert:

Funktionsweise eines Photomultipliers

Ein Photomultiplier besteht grundsätzlich aus einem luftleeren Zylinder. An einem Ende dieses Zylinders befindet sich eine Photokathode, die aus den ankommenden Photonen ein elektrisches Signal generiert. Dieses wird auf die Kathode folgende Dynoden verstärkt, bis es bei der Anode ankommt.

An dieser kann dann ein elektrischer Strom gemessen werden. Im Folgenden werden die Funktionsweisen der verschiedenen Prozesse im PM genauer erläutert.

Die Photokathode, die typischerweise aus halbleitenden Verbindungen mit Alkalimetallen([^xiii]) besteht, nutzt den sogenannten Photoeffekt.

Photonen haben eine Energie E, die mit dem Produkt des Planckschen Wirkungsquantums und der Frequenz f des Lichts berechnet werden kann:

Abb. 4: Eine Thermoskanne mit

Photomultiplier (grau).

Abb. 5: Das kleine Fass im großen Fass, welches mit Wasser gefüllt ist.

Abb. 6: Schema der Funktionsweise eines Photomultipliers

7 Wenn nun ein solches Photon auf die Photokathode trifft, wird die gesamte Energie des Photons an ein Elektron der Kathode weitergegeben. Dieses Elektron kann dann, unter der Bedingung, dass diese Energie größer ist als die benötigte Austrittsenergie φ, die Kathode verlassen. Die restliche Energie wird dann in kinetische Energie umgewandelt.

Das Austreten der Elektronen aus der Kathode ist also nicht von der Intensität des einfallenden Lichts, sondern lediglich von seiner Frequenz abhängig. Die Hersteller von Photomultipliern wählen die Materialien ihrer Photokathoden deshalb nach der benötigten Austrittsarbeit aus, da so beeinflusst werden kann, welcher Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums gemessen wird. Weiterhin folgt aus dem Photoeffekt, dass bereits einzelne Photonen ein elektrisches Signal erzeugen. Deshalb eignet sich der Photomultiplier für Versuchsaufbauten, bei denen sehr kleine Lichtintensitäten nachgewiesen werden müssen. ([^xiv])

Die Photokathode eines Photomultipliers wird von einem Glas geschützt, das wieder je nach benötigtem Spektrum und weiteren Faktoren aus verschiedenen Materialien besteht. Üblich sind in der Branche beispielsweise Magnesiumfluorid- oder Aluminiumoxidkristalle, sowie sogenanntes Borosilikatglas.([^xv])

Da einzelne Elektronen jedoch nicht von gewöhnlichen Amperemetern gemessen werden können, muss das entstandene Signal noch verstärkt werden. Dazu werden die aus der Kathode gelösten Elektronen zunächst von einer weiteren Kathode gebündelt und dann von positiv geladenen Dynoden beschleunigt.

Trifft nun ein Elektron auf die erste Dynode, so werden aus dieser sogenannte Sekundärelektronen herausgelöst. Diese haben eine deutlich geringere Geschwindigkeit als das Primärelektron, sind aber dafür in größerer Anzahl vorhanden. ([^xvi])Auch hier muss das Material der Dynoden optimiert werden.

Die Hersteller können mittlerweile bei einer Beschleunigungsspannung von 100 V ein Verhältnis von austretenden zu einfallenden Elektronen von 5:1 erreichen. Jedes dieser Elektronen wird daraufhin auf eine zweite Dynode beschleunigt, wo es wieder 5 Elektronen herauslöst. Der Zusammenhang zwischen erreichter Signalverstärkung und Anzahl an Dynoden ist also offensichtlich exponentiell. In einem handelsüblichen Photomultiplier werden zwischen 10 und 20 solcher Dynoden verbaut, bis die Elektronen schließlich die die Anode erreichen. ([^xvii])Dort können die Elektronen als elektrischer Strom gemessen werden. Die Stromstärke lässt dabei Rückschlüsse auf die Intensität des einfallenden Lichts zu. Leider kann mit einem Photomultiplier nicht die Wellenlänge des gemessenen Lichts ermittelt werden.

Zu erwähnen ist noch, dass die Messgenauigkeit des Photomultipliers von vielen weiteren Faktoren, wie zum Beispiel der Position der Dynoden oder dem Hintergrundrauschen durch eigene Strahlung, abhängt, die an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden. Deshalb ist die Wahl des Photomultipliers stark von vielen verschiedenen Anforderungen an ihn abhängig, was bei unserem Projekt zu starken Verzögerungen führte.

8 Die Čerenkov-Strahlung

Čerenkov-Strahlung entsteht, wenn sich geladene Teilchen in einem Nichtleiter mit einer Geschwindigkeit über der Phasengeschwindigkeit (Geschwindigkeit des Lichts in diesem Medium) bewegen. Bei dieser Strahlung handelt es sich um elektromagnetische Wellen. Die Entstehung dieser Wellen ist eine Folge aus der hohen Teilchengeschwindigkeit. Bewegt sich ein

geladenes Teilchen unter der

Phasengeschwindigkeit des Mediums, polarisiert es die Atome konzentrisch um sich, die dadurch selbst elektromagnetische Strahlung aussenden.

Durch die kugelförmige Polarisation um das sich bewegende Teilchen, interferieren immer

gegenüberliegende Atome destruktiv, sodass es zu keiner Strahlung im makroskopischen Bereich kommt. Bewegt sich das geladene Teilchen jedoch mit Überphasengeschwindigkeit, kann es die Atome vor sich nicht polarisieren, da sich das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, das Photon, selbst nur mit Phasengeschwindigkeit bewegen kann. Das Teilchen polarisiert also nur Atome hinter sich, wodurch die kugelförmige Polarisation und die damit verbundene destruktive Interferenz verschwindet, was zu einer Aussendung von elektromagnetischer Strahlung der polarisierten Atome führt, der Čerenkov-Strahlung.

Die Mindestenergie eines Myons, um Čerenkov-Strahlung in Wasser zu erzeugen, ist:

Dabei ist:

n in Wasser: 1,333

In Wasser emittieren die Myonen bei einer Geschwindigkeit von , die folgende Anzahl Photonen bei einer zurückgelegten Wegstrecke von einem cm:

^xviii

Dabei ist: bzw. die obere und untere Grenze des Wellenlängenbereiches unseres Photomultipliers ([^xix]), ist die Feinstrukturkonstante.

Da ein einzelnes Teilchen auf den ca. 16cm Durchmesser der Kanne rund 2000 Photonen emittiert, könnte ein Teilchen, obwohl nur ein Bruchteil der emittierten Photonen auch tatsächlich registriert werden, mehr als nur einen Impuls auslösen. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Teilchens und der daraus resultierenden sehr kurzen Verweildauer ist das in der Praxis jedoch unwahrscheinlich.

Abb. 7: Polarisation der Atome des Mediums für v < cn^-1 und v > cn^-1

9

Auswertung der Messergebnisse

Luft/Leermessung

Nr. Datum Uhrzeit Dauer (h) Wetter

Kanne 1 (Pulse gesamt)

Kanne 2 (Pulse gesamt)

1 12/13.3.2017 19¹² - 7¹² 12 Klar 56721 37599

2 13.03.2017 18⁵⁵ - 19²⁵ 0,5 Klar 1839 1113

3 13.03.2017 19³⁰ - 20⁰⁰ 0,5 Klar 2359 1615

4 13.03.2017 20⁰⁰ - 20⁴⁵ 0,75 Klar 3605 2239

5 13.03.2017 20⁴⁵ - 21¹⁵ 0,5 Klar 2371 1478

Pulse/0,5h

Nr. Kanne 1 Kanne 2 Verhältnis

1 2363 1567 1,509

2 1839 1113 1,652

3 2359 1615 1,461

4 2403 1493 1,610

5 2371 1478 1,604

Wasser

Nr. Datum Uhrzeit Dauer (h) Wetter

Kanne 1 (Pulse gesamt)

Kanne 2

(Pulse gesamt) Verhältnis

1 14.03.2017 18⁰⁰ - 18³⁰ 0,5 Sonnig 2349 1506 1,560

2 14.03.2017 18³⁰ -19⁰⁰ 0,5 Klar 2275 1599 1,423

3 14.03.2017 19⁰⁰ - 19³⁰ 0,5 Klar 2279 1554 1,467

4 14.03.2017 19³⁰ - 20⁰⁰ 0,5 Klar 2353 1641 1,434

5 14.03.2017 20⁰⁰ - 20³⁰ 0,5 Klar 2312 1610 1,436

Sand

Nr. Datum Uhrzeit Dauer (h) Wetter

Kanne 1 (Pulse gesamt)

Kanne 2

(Pulse gesamt) Verhältnis

1 19.03.2017 11⁴⁵ - 12¹⁵ 0,5 bewölkt 1312 957 1,371

2 19.03.2017 12¹⁵ - 12⁴⁵ 0,5 bewölkt 1405 920 1,527

3 19.03.2017 12⁴⁵ - 13¹⁵ 0,5 bewölkt 1331 944 1,410

4 19.03.2017 13¹⁵ - 13⁴⁵ 0,5 bewölkt 1380 968 1,426

5 19.03.2017 13⁴⁵ - 14¹⁵ 0,5 bewölkt 1423 1035 1,375

Erde

Nr. Datum Uhrzeit Dauer (h) Wetter

Kanne 1 (Pulse gesamt)

Kanne 2

(Pulse gesamt) Verhältnis

1 16.03.2017 14⁴⁰ - 18¹⁰ 0,5 Sonnig 1315 743 1,770

2 16.03.2017 18¹⁰ - 18⁴⁰ 0,5 Sonnig 1254 619 2,026

3 16.03.2017 18⁴⁰ - 19¹⁰ 0,5 Klar 1093 603 1,813

4 16.03.2017 19¹⁰ - 19⁴⁰ 0,5 Klar 1129 612 1,845

5 16.03.2017 19⁴⁰ - 20¹⁰ 0,5 Klar 1005 584 1,721

10 Zusammenfassung

Material Ø Pulszahl/h Kanne 1

Ø Pulszahl/h Kanne 2

Ø Verhältnis (Pulszahl Kanne 1/Pulszahl

Kanne 2)

Verhältnis zu leer

Rückgang der Pulsanzahl

Leer 2267 1453 1,567 - -

Wasser 2314 1582 1,464 0,934 6,6%

Sand 1370 965 1,422 0,907 9,3%

Erde 1159 632 1,835 1,171 -17,1%

Die Messungen wurden bei 48.9277695° nördlicher Breite und 8.4725874° östlicher Länge durchgeführt([^xx]). Diese Information ist aufgrund des Erdmagnetfeldes wichtig, das die Teilchen der kosmischen Strahlung ablenkt, weshalb die Strahlungsintensität abhängig von der geographischen Breite ist.([^xxi])

Trotz der geringen Dicke der Materialien lässt sich bei Wasser ein Rückgang der Pulsanzahl von 6,6%

und bei Sand ein Rückgang von 9,3% feststellen.

Auch wenn diese Dicke nicht ausreicht, um bei interplanetaren Flügen oder bei einer extraterrestrischen Kolonie die Astronauten und Kolonisten vor der kosmischen Strahlung zu schützen, bieten Wasser und Sand ab einer gewissen Dicke Schutz davor.

Da auf einem Raumschiff allerdings auch das Gewicht eine sehr große Rolle spielt, ist es sinnvoll, ein Material zu nehmen, welches man sowieso mitführen muss, wie z.B. Wasser. Wasser ist lebenswichtig und muss daher in ausreichend großer Menge auf einem Raumflug mitgeführt werden.

Wenn man die Wassertanks in die Außenhülle des Raumschiffes verlagert, hat man Schutz vor der kosmischen Strahlung völlig ohne zusätzliches Gewicht.

Im Falle einer Kolonie kann man Wasser natürlich ebenfalls verwenden, allerdings hätte man zusätzlich noch die Möglichkeit, Gestein zu nehmen, das, wie man in unserem Experiment sieht, noch besser abschirmt als Wasser. So könnte man die Wohnmodule der Kolonie beispielsweise im Boden versenken oder eine natürliche Höhle ausbauen.

93,4% 90,7%

114,9%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

Wasser Sand Erde

Verhältnis zu leer (in %)

11

Probleme und Fehlerquellen

Der Versuchsaufbau ist in einigen Punkten fehleranfällig, was zu Ungenauigkeiten in der späteren Auswertung führt.

Ein großes Problem ist, dass wir mit unserem Versuchsaufbau die Richtung der Teilchen der

kosmischen Strahlung nicht nachweisen konnten. Aufgrund dieser Tatsache ist es uns nicht möglich zu bestimmen, welche Dicke eines Materials ein Teilchen tatsächlich durchlaufen hat, da es je nach Einfallswinkel eine unterschiedlich lange Strecke im Material zurücklegen muss und

dementsprechend auch unterschiedlich abgebremst wird.

Als weiteres Problem ist zu nennen, dass der von uns benutzte Photomultiplier keine Angaben zur Wellenlänge und damit zur Energie der Čerenkov-Strahlung liefert. Somit konnten wir auch nicht die Energie des einfallenden Teilchens bestimmen, sondern wussten nur, dass das Teilchen genügend kinetische Energie haben musste, um den Čerenkov-Effekt auszulösen.

Vermutungen über den Strahlungsanstieg bei Erde

Bei Erde lässt sich im Gegensatz zu Wasser und Sand und entgegen unserer Vermutungen eine stärkere Strahlung feststellen.

Eine Quelle für diese erhöhte Strahlung kann das radioaktive Kaliumisotop Kalium-40 ⁴ sein, welches natürlicherweise auf der Erde vorkommt. Es wurde bei der Entstehung der Erde gebildet und ist aufgrund seiner langen Halbwertszeit von 1,28 Mrd. Jahren noch auf der Erde vorhanden. Dieses Kalium-40 zerfällt mit einer Wahrscheinlichkeit von 89% über den Beta- Zerfall⁵ in Calcium-40, die dabei entstehende Beta- Strahlung, bestehend aus einem Elektron oder Positron, lässt sich mit unserem Experiment nachweisen. Kalium- 40 kann auch unter Aussendung von Gammastrahlung in das stabile Argon-40 zerfallen. Diese Gammastrahlung erzeugt durch Paarerzeugung⁶ ein Elektron-Positron-Paar, welches sich mit unserem Experiment nachweisen lässt.([^xxii])

Neben natürlichen Radionukliden wurde durch den Reaktorunfall von Tschernobyl radioaktives Material freigesetzt, darunter hauptsächlich Cäsium-137 und Cäsium-134. Letzteres spielt aufgrund seiner Halbwertszeit von 2,1 Jahren inzwischen jedoch keine

4 Die Zahl gibt die Anzahl an Nukleonen (Protonen und Neutronen im Kern) an.

5 Beta-Zerfall: Ein Neutron wandelt sich in ein Proton um, wobei ein Elektron und ein Elektronantineutrino entsteht (β^--Zerfall) bzw. ein Proton wandelt sich in ein Neutron um, wobei ein Positron und ein

Elektronneutrino entsteht (β⁺-Zerfall).

6 Paarerzeugung: Aus einem Photon entsteht ein Teilchen-Antiteilchen-Paar.

Abb. 8: Die Bodenkontamination mit Cäsium-137 1986 nach dem Reaktorunfall von Tschernobyl

12 Rolle mehr. Die größte durch Tschernobyl bedingte Strahlenbelastung in Deutschland ist im südlichen Bayern und Baden-Württemberg zu finden. In unserer Gegend war die Kontamination mit 4-6 kBq/m²(⁷) jedoch verhältnismäßig gering.

Cäsium-137 zerfällt über Beta-Zerfall in Barium-137, welches wiederum unter Aussendung von Gammastrahlung zerfällt. Beides lässt sich direkt bzw. indirekt mit unserem Experiment nachweisen.([^xxiii])

Erklärung des schützenden Effektes

Myonen können beim Durchgang durch Materie Atome anregen oder sogar ionisieren, was in der Abbildung (rechts) gezeigt wird. Das oben genannte Myon, das die Minimalenergie zur Erzeugung von Čerenkov-Strahlung besitzt, könnte so 11.733.735 Atome ionisieren. Falls ein Elektronen-Myon- Stoß stark genug ist, und das Elektron selbst schneller als die Phasengeschwindigkeit wird, kann das Elektron durch Aussenden von Čerenkov-Strahlung selbst in unserer Messapparatur nachgewiesen werden.

Durch elastische Streuungen am Kern und bei sehr hohen Energien ebenfalls inelastischen Stößen, verliert das Myon Energie beim Durchqueren von Materie. Die Čerenkov-Strahlung macht nur einen sehr geringen Anteil des Energieverlustes aus, kann also vernachlässigt werden, wie auch Bremsstrahlung mit Sekundärteilchenentwicklung bis zu einer Energie des Myons von einigen 100 GeV. ([^xxiv])

Bethe-Formel

Da sehr viele Wechselwirkungen auftreten, beschreibt man den Durchgang durch Materie statistisch.

Die Bethe-Formel gibt den Energieverlust pro Wegeinheit schneller, schwerer Teilchen an, der durch Anregung bzw. Ionisation der Atome des Materials entsteht. ([^xxv])

([^xxvi]) Geschwindigkeit des Teilchens

Ladungszahl des Teilchens Weglänge

Klassischer Elektronenradius

Mittleres Anregungspotential des Materials, Näherung durch: ( =Ordnungszahl) Ruhemasse des Elektrons

Lichtgeschwindigkeit Energie des Teilchens

Avogadrokonstante

Kernladungszahl

Molare Masse in

7 Bq, Becquerel: 1Bq = ein radioaktiver Zerfall pro Sekunde.

13 In Wasser:

([^xxvii])

In Sand, also vor allem SiO2:

([^xxviii]),die Geschwindigkeit des Myons wird beibehalten

Der Energieverlust pro Wegeinheit eines Myons im Wasser ist also höher als der Energieverlust eines Myons in SiO2. Vergleichswerte geben für Wasser den Wert

und für Siliciumdioxid

an.([^xxix]) Auch hier scheint Siliciumdioxid Myonen schwächer zu bremsen. Unser Experiment hingegen ergab, dass Siliciumdioxid 3% mehr Myonen „aufhalten“

konnte als Wasser. Diese Unstimmigkeit kann man durch die Unreinheit der uns vorliegenden Substanzen erklären. So haben wir normales Wasser und kein destilliertes genommen, die gelösten Ionen tragen somit auch zur Abschirmfähigkeit bei. Auch Sand besteht zwar vorwiegend aus Siliciumdioxid, enthält jedoch ebenfalls viele weitere Verbindungen. Diese Tatsache in Zusammenhang mit dem Fakt, dass der Sand einen relativen Wassergehalt von ca. 15 % hatte, führt zu den Unstimmigkeiten zwischen Theorie und Experiment.

14

Schlussfolgerungen und Nutzen des Projektes

Unser Experiment zeigt die Fähigkeit von Materialien, kosmische Strahlung abzuschirmen. Die Materialien, die wir verwendet haben, sind Materialien, die kostengünstig und in großer Zahl vorhanden sind, wodurch sie einfach zu beschaffen sind.

Schutz gegen kosmische Strahlung braucht man in vielen Bereichen. Momentan und in naher Zukunft ist die Raumfahrt der wahrscheinlich größte Bereich. Schon im Erdorbit sind die Astronauten einer deutlich größeren Strahlenbelastung durch Sonnenwind und kosmische Strahlung ausgesetzt. Bei zukünftigen interplanetaren Raumflügen wird die Strahlenbelastung um ein Vielfaches steigen, da sich die Raumschiffe sich dann vollständig außerhalb des schützenden Magnetfeldes der Erde befinden. Dabei muss man andere Methoden nutzen. Da bei einem Raumschiff das Gewicht eine große Rolle spielt, muss man, wie im Kapitel „Auswertung der Messergebnisse“ bereits erwähnt, auf Materialien zurückgreifen, die man sowieso benötigt. Wasser würde sich anbieten.

Bei einer Kolonie auf einem Planeten ohne Magnetfeld, wie beispielsweise dem Mars, müsste man sich ebenfalls schützen. Neben Wasser böte sich dort auch Gestein an, mit dem man entweder die Wohnmodule ummantelt oder die Wohnmodule in der Erde versenkt bzw. sie in eine natürliche Höhle baut.

Neben der Raumfahrt existieren jedoch noch weitere Möglichkeiten, in denen ein Strahlenschutz auch auf der Erde benötigt wird. So lässt sich seit einiger Zeit ein Wandern der geomagnetischen Pole beobachten. Der geomagnetische Südpol, welcher vor zweihundert Jahren in Kanada lokalisiert wurde, wandert inzwischen mit über fünfzig Kilometer pro Jahr in Richtung Sibirien. Außerdem wird das Magnetfeld global schwächer. Im Südatlantik gibt es die sogenannte südatlantische Anomalie, eine Stelle des Erdmagnetfeldes, das dort in den letzten einhundert Jahren um ein Drittel seiner Stärke verloren hat. Das alles könnten Zeichen einer bevorstehenden Magnetfeldumkehr sein, bei der sich die magnetischen Pole der Erde vertauschen. Solch ein Ereignis fand während der Erdgeschichte mehrfach statt. Während einer solchen Magnetfeldumkehr verliert das Magnetfeld 90% seiner Stärke, wodurch die Strahlenbelastung auf der Erde stark ansteigt. Da sich die Wissenschaft noch nicht im Klaren ist, wie lange eine Magnetfeldumkehr dauern wird - die Schätzungen gehen von einigen wenigen Jahren bis hin zu Jahrhunderten - müssen sich die zu diesem Zeitpunkt auf der Erde lebenden Menschen gegen die erhöhte Strahlung schützen. Auch solche Möglichkeiten sollte unser Experiment untersuchen.([^xxx])

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Quellen

Alle Quellen wurden im Zeitraum zwischen dem 10.03.2017 und dem 29.03.2017 aufgerufen.

Bildquellen

Abb. auf Deckblatt: http://scilogs.spektrum.de/kosmo/gallery/16/cobe.jpg

Abb. 1: http://www.kernfragen.de/sites/default/files/media/old_lexicon/Elementarteilchen2013.gif Abb. 2: http://www.biokurs.de/treibhaus/soncos.htm

Abb. 3: Jonas Vogel, 21.03.2017 Abb. 4: Jonas Vogel, 14.03.2017 Abb. 5: Jonas Vogel, 14.03.2017

Abb. 6: https://my.et-enterprises.com/pdf/Understanding%20Pmts.pdf Abb. 7:https://cbm-wiki.gsi.de/foswiki/bin/view/Public/CherenkovStrahlung

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Textquellen

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xxx http://www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=62314