Entwicklung und Einsatz eines neuen multifunktionalen Teilchendetektors zur Strahlungsüberwachung im Weltraum

• Antragsteller: Professor Dr. Stephan Paul
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 414049180

Strahlungsüberwachung und Strahlenschutz sind zentrale Themen der Medizinphysik mit hoher Relevanz für die bemannte Raumfahrt. Die Sicherung von Astronauten auf Reisen jenseits der schützenden Erdatmosphäre, wie etwa zum Mond oder Mars, erfordert Daten, die mit aktuell verwendeten Technologien nicht zugänglich sind. Nur mit genauer Kenntnis der spektralen Zusammensetzung der kosmischen Strahlung können wir deren biologische Wirkung simulieren und bessere Abschirmtechnologien entwickeln.Das neuartige Multipurpose Active-target Particle Telescope (MAPT) vereint viele Vorteile aktueller Technologien und überkommt viele bisherige Begrenzungen. Durch den Einsatz moderner Photosensoren und Szintillatoren kann ein leichtes, kompaktes System mit niedrigem Energieverbrauch gebaut werden, mit dem Energie und Richtung einzelner Teilchen quasi richtungsunabhängig gemessen werden können. Mit dem MAPT-Konzept können einlaufende Teilchen mit Energien unter 1 GeV/n zudem besser identifiziert werden als mit herkömmlichen Teilchenteleskopen. Auch wenn das System nicht die Leistungsfähigkeit eines vollständigen Spektrometers erreicht, ist es bedeutend einfacher und kostengünstiger in Bau und Betrieb. Das hat wissenschaftliche und operationelle Vorteile.Gemeinsam mit Partnern aus den USA planen wir ein Technologie-Demonstratorexperiment auf der Internationalen Raumstation (ISS). Langfristig könnte MAPT die meisten fest installierten Strahlungsdetektoren auf der ISS ersetzen und zudem deutlich flexibler eingesetzt werden. Zukünftige Erkundungsmissionen könnten spezifisch angepasste Versionen von MAPT nutzen, die den jeweiligen Missionsanforderungen gerecht werden.Das Experiment auf der ISS soll bisher nicht verfügbare Daten liefern. Dazu gehören die Echtzeitbestimmung der Zusammensetzung kosmischer Strahlung, sowie ihre spektrale und Richtungsabhängigkeit. Der zugängliche Energiebereich von 25 MeV/n bis 1 GeV/n ist dabei teilchenspezifisch. Zudem soll gleichzeitig eine Messung von Sekundärstrahlung, die in Interaktionen der kosmischen Strahlung mit den Wänden der ISS entsteht, durchgeführt werden. Außerdem sollen MAPTs Fähigkeiten mit denen aktuell genutzter Systeme in situ verglichen werden. Die neu gewonnenen Daten können mit Labormessungen zur Wirkung von Strahlung auf zellulärer Ebene kombiniert werden, um den Einfluss auch von hochionisierender Teilchen, beispielsweise hochenergetischer Atomkerne, auf Menschen zu verstehen. Hohe Unsicherheiten gerade in diesem Bereich führen zu einer konservativen Begrenzung der Dauer von bemannten Raummissionen. Das MAPT-Konzept eröffnet viele Anwendungen jenseits der Strahlungsüberwachung. Dazu zählt zum einen die Bestimmung der absoluten Energie eines Teilchenstrahles mit hoher Auflösung durch präzise Bestimmung der Verteilung des spezifischen Energieverlustes für Strahlungstherapie-Anwendungen, zum anderen die Identifizierung von Antimaterie bei sehr niedrigen Energien weit unterhalb der Empfindlichkeit anderer Detektoren

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen