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Strahlenbelastung von Satelliten und Raumsonden

Einleitung

Raumsonden sind höheren Strahlungsmengen ausgesetzt als wir hier auf der Erde. Der folgende Artikel informiert über die Belastungen und die Möglichkeiten sich dagegen zu schützen.

In der Raumfahrt wird fast ausschließlich die Nicht-SI Einheit rad, bzw. wegen der hohen Dosen meistens das krad verwendet. Ich habe dies übernommen, da sie spätestens beim Studium weiterführender Dokumente über das krad stolpern werden und es wenig Sinn macht dann hier die SI Einheit Gray zu verwenden, welche in der Fachliteratur unüblich ist. Definiert ist die Dosis krad (SI) wie folgt:

Die Dosis die ein Siliziumdetektor unter einem 2.2 cm dicken halkugelförmigen Schutzschild empfängt. Es ist eine gemessene Größe die abhängig von der Art der Teilchen, ihrer Energie abhängt. Eine Totaldosis von 150 krad heißt z.b. Das die Hardware spezifiziert ist diese Dosis zu überleben. Natürlich ist die Dosis in Gray oder anderen SI Einheiten in der Raumsonde stark abhängig von der Abschirmung und den Teilchen. Die SI Einheiten für die Dosis sind dagegen Gray oder Rad.

Zum Umrechnen:

1 Gray = 1 J / kg = 100 Rad

Bei der Wirkung auf Organe muss man zwischen den einzelnen Strahlungsarten differenteren, da sie unterschiedlich stark eindringen können. Vergleicht man die Strahlungsbelastung für den Menschen von verschiedenen Quellen so benutzt man als Einheit das Sievert. Das Gray ist auch durch die starke Abschirmung als Dosis für den Menschen unüblich, da der Tod schon bei unter einem Gray eintritt.

1 Sievert (Sv) entspricht in SI Einheiten einem Gray, jedoch enthält es Korrekturfaktoren für den Vergleich verschiedener Strahlungsraten, so dass man verschiedene Strahlungsbelastungen z.B. durch Röntgenstrahlen und Protonen vergleichen kann. Photonen und Elektronen haben z.B. den Korrekturfaktor 1, während Alphateilchen den Korrekturfaktor 20 haben. Bei Neutronen hängt er von der Energie ab, doch kommen diese wegen ihrer Halbwertszeit von etwas über 9 Minuten kaum in der kosmischen Strahlung, vor von der wir hier sprechen. (aber durchaus bei irischen Strahlungsquellen wie Kernreaktoren).

Quellen der Strahlungsbelastung

Die Hauptquelle der Strahlenbelastung ist die Sonne. Sie sendet einen konstanten Strom von Teilchen aus, den Sonnenwind. Er besteht hauptsächlich aus Elektronen und Protonen und zu einem kleinen Prozentsatz auch aus Heliumkernen, also Alpha Teilchen. Die Teilchen haben je nach Sonnenaktivität eine unterschiedliche Geschwindigkeit. Sie liegt bei Protonen im Durchschnitt bei 400-500 km/s. Sie kann bei "Sonnenstürmen" aber auch auf 1000 km/s ansteigen.

Da Protonen 1800 mal schwerer als Elektronen sind tragen sie den Hauptanteil der Strahlenbelastung. Heliumkerne sind noch energiereicher, aber seltener. Schwere Elemente als Helium sind sehr selten. Bei der Galileo Raumsonde wurde nach schweren Kernen mittels eines Experimentes, dem Heavy Ion Counter gesucht, da diese Teilchen so massereich sind, dass sie eine dauerhafte Schädigung der Elektronik zur Folge haben können. Man vermutete als Quelle die galaktische Strahlung, konnte jedoch kein einziges während der 6 Jahre zu Jupiter nachweisen.

Aus dem Kosmos, sowohl aus unserer Galaxis wie auch von extragalaktischen Quellen kommt die kosmische Strahlung. Sie besteht vor allem aus hochenergetischer Röntgen- und Gammastrahlung und nur zu einem kleinen Teil aus hochenergetischen Teilchen. Die Sonne ist auch eine starke Röntgenquelle, doch strahlt sie vor allem im weichen Röntgenbereich und sendet fast keine Gammastrahlung aus.

Die Sonnenaktivität ist sehr großen Schwankungen unterworfen. Zum einen gibt es einen 11 Jahreszyklus mit höherer und niedriger Sonnenaktivität, der sich visuell in der Zahl der Sonnenflecken äußert. Zum zweiten gibt es immer wieder für einige Stunden Ausbrüche auf der sonne, im sichtbaren verbunden mit Flares, bei denen große Teilchenmengen emittiert werden. Da diese etwa 3-4 Tage zur Erde brauchen, gibt es zumeist eine gewisse Vorwarnzeit, wenn man sie auf der sichtbaren Scheibe sieht. Da die Teilchen aber den Magnetfeldlinien folgen können sie auch von der nicht sichtbaren Seite zu uns gelenkt werden. Eine der Aufgaben von Satelliten die sich zwischen Erde und Sonne befinden (eine besondere Position liegt 1.5 Millionen km von der Erde entfernt in der Linie Erde-Sonne) ist es daher auch diese Teilchen zu detektieren und rechtzeitig zu warnen, bevor sie etwa 1 Stunde später auf der Erde ankommen.

Auf der Erde ist man normalerweise durch das Magnetfeld und die Atmosphäre vor den Teilchen des Sonnenwindes gut geschützt, bei sehr großen Stürmen gibt es aber nicht nur Polarlichter bis in mittlere Breiten, sondern es kam schon durch Überspannungen zu Ausfällen des Stromnetzes in Kanada.

Auch die Sonne selbst verfügt über ein Magnetfeld, zusätzlich hemmt der Fluss von Teilchen von der sonne das Eindringen von intergalaktischen Teilchen. Man vermutet, dass im interstellaren Raum die Strahlungsbelastung erheblich höher ist als im Sonnensystem.

Schutz auf der Erde vor Strahlenbelastung

Magnetfeld der ErdeAuf der Erde ist man durch zweierlei Mechanismen vor der Strahlung geschützt: Zum einen durch das Magnetfeld der Erde und zum zweiten durch die Atmosphäre.

Das Magnetfeld der Erde ist der äußere Schutzgürtel. Protonen und Elektronen sind elektrisch geladene Teilchen die natürlich durch ein Magnetfeld aus ihrer Bahn abgelenkt werden. Sie bewegen sich entlang der Magnetfeldlinien und senden dabei Bemsstrahlung aus. Der Sonnenwind beeinflusst das Magnetfeld jedoch auch, indem er es komprimiert: Es bildet sich auf der sonnenzugewandten Seite eine Schockfront in 60.000-100.000 km Entfernung von der Erde aus, auf der sonnenabgewandten Seite wird es zu einem Schweif auseinander gezogen der sich weit über die Mondbahn in den Raum erstreckt.

Teilchen folgen den Magnetfeldlinien und treten zum Teil mit diesen nahe der Pole in die Atmosphäre ein. Da allerdings die Magnetfeldlinien an den Polen sehr dicht sind und die Teilchen sehr energiereich sind, können sie an den Polen auch leicht die Feldlinien überspringen und gelangen so auf eine Tour in der sie abwechselnd von Nord zu Südpol wandern. Haben sie eine gewisse Energie erreicht, so sammeln sie sich in einem Bereich der ihrer Energie entspricht, bei der dann ein Gleichgewicht zwischen Energieaufnahme durch die Wanderung und Abnahme durch das permanente Umlenken von einer geraden in einer kreisförmigen Bahn erreicht ist.

Diese Gürtel nennt man auf der Erde den Van Allen Strahlungsgürtel, nach dem Physiker James Van Allen, der ihn postulierte, nachdem die Detektoren von Explorer 1 bei größeren Erddistanzen keine Signale mehr lieferten - Er vermutete dass dies nicht bedeutet dass dort keine Teilchen sind, sondern die Detektoren so übersättigt sind, dass kein Signal mehr durchkommen konnte. Spätere Satelliten mit unempfindlicheren Detektoren bestätigten dann diese Hypothese.

PolarlichtAuf der Erde besteht der Van Allen Gürtel aus zwei Segmenten. Einem inneren, beginnend in etwa 1000 km Höhe mit einem Maximum zwischen 3000 und 6000 km Höhe bestehend aus Protonen und einem äußeren beginnend in 20.000 km Höhe bis zu 45.000 km Höhe mit einem Maximum bei 250000 km Höhe, bestehend hauptsächlich aus Elektronen. In diesen Gürteln ist die Strahlenbelastung höher als im freien Weltraum, weil sie praktisch die Teilchen aus einem größeren Gebiet einfangen. Verlassen können die Teilchen die Gürtel wenn sie durch Zusammenstöße soviel Energie erhalten haben, dass es ihnen gelingt die Gürtel wieder zu verlassen oder sie soweit abgebremst werden, dass sie auf die Atmosphäre auftreffen. Das gilt für alle Strahlungsgürtel im Sonnensystem. Es gilt dabei: Je stärker das Magnetfeld des Planeten ist, desto ausgedehnter sind die Gürtel.

Die Atmosphäre schützt uns als zweite Barriere vor Teilchen und energiereicher Strahlung. Teilchen treffen auf die obere Atmosphäre und werden dort recht effektiv absorbiert. Dies geschieht schon in großen Höhen von 100-200 km. Sie bewirken durch die Zusammenstöße mit den Atomen der Hochatmosphäre, dass diese schneller werden und sich so die Atmosphäre ins All ausdehnt. Das bewirkt eine größere Abbremsung von Satelliten und hatte z.B. das vorzeitige Verglühen von Skylab als Folge. Ein Nebeneffekt sind die Polarlichter. Die linke Aufnahme vom Shuttle aus zeigt das diese in großer Höhe entstehen.

die Atmosphäre schützt uns auch vor energiereicher kosmischer Strahlung, die ja aus energiereichen Photonen und nicht aus geladenen Teilchen besteht. Gegen Gamma und Röntgenstrahlung kann ein Magnetfeld keinen Schutz bilden, da diese Strahlung nicht durch Magnetfelder zu beeinflussen ist.

Strahlungsbelastung im Erdorbit

Van Allen GürtelNiedrig fliegende Satelliten wie Erdbeobachtungssatelliten, aber auch die ISS und andere bemannte Missionen bewegen sich unterhalb des Van Allen Strahlungsgürtels. Sie profitieren von dem Schutz durch das Erdmagnetfeld. Trotzdem ist die Strahlenbelastung deutlich höher als auf dem Erdboden, da zum die Erdatmosphäre fehlt, welche zusätzlich Teilchen absorbiert und vor allem die kosmische Strahlung absorbiert.

Sowohl in einem niedrigeren Orbit wie auch im Van Allen Gürtel unterliegt die Strahlung sehr großen Schwankungen. Bedingt durch die langfristige und kurzfristige Veränderung der Sonnenaktivität. im Van Allen Strahlungsgürtel kann es durch seine Akkumulationswirkung Spitzenwerte von bis zum 1000 fachen Normalwert geben, die jedoch nur über wenige Stunden erreicht werden.

Beim Vergleich von Strahlenbelastungen muss man Dauer, Schwankungen und mögliche Abschirmungen berücksichtigen. Nicht abgeschirmt kann man sich an folgende Richtwerte halten:

Ort Dosis
Erdboden, Meereshöhe 0.8-2,3 mSv
10 km Höhe (Flugzeug) 30 mSv
300 km (Space Shuttle) 100-200 mSv bei ruhiger Sonne
300 km (unabgeschirmt) 400-500 mSv bei ruhiger Sonne
Van Allen Gürtel (abgeschirmt) 250-600 mSv
Mond 100 mSv
Interplanetare Bahn 200 mSv
Feuerwehr, Maximaldosis bei regulärem Einsatz 15 mSv
Feuerwehr, Maximaldosis bei Menschenrettung 100 mSv
Feuerwehr, Maximaldosis einmal pro Leben 250 mSv
Lebenslang unbedenklich nach Arbeitsschutzverordnung 400 mSv
Tod nach kurzer Zeit 80.000 mSv

Die lebenslange beruflich bedingte Strahlenbelastung in Deutschland sollte nach den Arbeitsschutzverordnungen bei 400 mSv liegen. Es sind aber Ausnahmegenehmigungen möglich. Der Tod in kurzer Zeit tritt bei einer Strahlung von 80.000 mSv ein. Ein Astronaut an Bord des Space Shuttles bekommt in einer Woche  in etwa dieselbe Strahlendosis ab, wie ein Pilot eines Verkehrsflugzeuges in 3 Monaten, wenn er täglich 7 Stunden lang in 10 km Höhe ist.

Strahlungsbelastungen um die Erde

An diesen Zahlen wird deutlich, dass zwar das Risiko durch Strahlenbelastung für Langzeitflüge auf der ISS höher ist als auf der Erde, jedoch selbst 1 Jahr Aufenthalt, noch nicht die 400 mSv Belastung ergeben, die man nach Arbeitsschutzverordnung lebenslang ausgesetzt sein sollte. Dabei ist der obige Wert von 100-200 mSv bezogen auf das Space Shuttle. Die ISS ist etwas besser abgeschirmt als das Space Shuttle, auch zum Schutz vor Mikrometeoriten.

Die erdnahe Bahn der ISS bewirkt auch, dass die Schwankungen durch Sonneneruptionen relativ gering sind. Trotzdem kam es in der Vergangenheit auch zu Ausfällen von Satelliten in erdnahen Bahnen.

Geostationäre Satelliten befinden sich in der äußeren Zone des Van Allen Gürtels und oberhalb der Zone wo das Magnetfeld sehr stark ist. Die Feldstärke beträgt hier 100 nT. Dagegen ist das Magnetfeld auf der Erdoberfläche zwischen 33000 und 48000 nT stark. Die Strahlungsbelastung ist daher höher, vor allem aber schwanken sie hier durch die Aktivität der Sonne viel stärker. So gab es in der Vergangenheit immer wieder Ausfälle von Kommunikationssatelliten durch Sonnenstürme. Prominentestes Opfer war der europäische Kommunikationssatellit Olympus.

Man kann die Strahlung recht gut abschirmen, indem man Elektronik mit dünnen Metallbleche umgibt. Die folgende Grafik zeigt die Abnahme der Dosis von Elektronenstrahlung (dunkelblau) und Bremsstrahlung im geostationären Orbit durch Abschirmung mittels Aluminiumblechen.

Problematischer sind die elektrischen Entladungen die dann zum Ausfall von Kommunikationssatelliten führen. Diese haben sehr große Solarpanel, bei großen Satelliten mit Spannweiten von über 20 m. Diese sammeln geladene Teilchen auf und dies führt dann zu einer elektrostatischen Entladung. Die hochenergetischen Teilchen sind auch mit dafür verantwortlich, dass Solarzellen im All schneller altern und an Leistung verlieren als auf der Erde. Durch dünne Glasschichten hat man aber diesen Effekt in den letzten Jahrzehnten minimieren können. Die Entladungen kann man durch Isolation minimieren oder indem man den Satelliten dreht, wenn man von dem Ereignis rechtzeitig Kenntnis bekommt.

Dauernde Aufenthalte im inneren Van Allen Strahlungsgürtel gelten heute noch als problematisch und sind sicher ein Grund dafür, dass man Ionentriebwerke noch nicht nutzt um Satelliten von einem erdnahen Orbit über Monate hinweg in den geostationären Orbit langsam anhebt. Andererseits hat der europäische Satellit Hipparcos, der in einem Orbit strandete der ihn täglich 2-3 mal durch den Van Allen Gürtel führte über 5 Jahre gearbeitet - länger als er es im geostationären Orbit sollte. Allerdings war dann die Ausfallursache ein Versagen der Elektronik durch Strahlungsschäden.

Astronauten die zum Mond fliegen oder ins äußere Sonnensystem passieren den Van Allen Gürtel recht rasch, so dass die Strahlungsbelastung hier sehr gering ist. Die Gesamtdosis beim Apollo 11 Flug betrug 6.1 mS. Armstrong und Aldrin hätten also trotz dem weitgehend ungeschützten Spaziergang über Stunden in Raumanzügen etwa 60 Flüge durchführen können um an die Grenze zu kommen die unsere Strahlungsschutzverordnung für ein Arbeitsleben vorsieht.

Strahlungsbelastung im Sonnensystem

Der Wert im interplanetaren Raum ist sogar etwas geringer als nahe der Erde, da ohne ein Magnetfeld es zu keiner Akkumulation kommt. Sie ist etwa vergleichbar der im geostationären Orbit. Allerdings kann sie bei Sonnenstürmen sehr stark ansteigen, auf viel höhere Werte über einige Minuten bis Stunden. Astronauten sind dann gefährdet, da sie in dieser kurzen Zeit durchaus eine Dos empfangen können, die zwar nicht tödlich ist, jedoch mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit zu dauerhaften Strahlungsschäden und Krebs führt.

Die durchschnittliche Belastung durch Strahlung im Sonnensystem ist nicht wesentlich höher als bei der ISS. Das Experiment MARIE, welches an Bord der Raumsonde Mars Odyssee 2001 die Strahlungsbelastung beim Mars im Durschnitt 2.5 mal höher als auf der ISS, allerdings mit großen Schwankungen von 1000-3000 mS. Andererseits zeigt das Experiment MARIE auch die Folgen eines Sonnensturmes, denn es fiel am 28.10.2003 bei einem Sonnensturm aus.

Vor einem Sonnensturm dieser Größe schützt dann keine normale Abschirmung in Form von einigen Millimetern Aluminium. Bisher geht man davon aus, dass die Astronauten dann eine kleine Kammer aufsuchen, die von Wasser umgeben ist. Wasser hat viele Wasserstoffatome und schützt daher besser bei gleicher Masse als Aluminium oder Blei vor hochenergetischer Strahlung. Glücklicherweise kann man durch die hohe, aber endliche Geschwindigkeit der Protonen und Heliumkerne der Sonne durch Satelliten eine Frühwarnung ermöglichen, so dass die Besatzung rechtzeitig ihren Schutzraum aufsuchen kann. In diesem muss sie dann über einige Stunden bleiben. Was bleibt ist das Zusatzgewicht durch etliche Tonen Wasser oder andere wasserstoffreiche Substanzen (nutzbar wäre auch Hydrazin, ein Bestandteil des Treibstoffs, Kohlenwasserstoffe oder borierter Kunststoff).

Jupiters Strahlengürtel

Jupiters Aurora im UVNun zum Strahlengürtel Jupiters. Ursache dessen ist Jupiters gigantisches Magnetfeld: Es ist durch den großen Kern aus metallischem Wasserstoff und die schnelle Rotation des Planeten riesig. auf der sonnenzugewandten Seite erstreckt es sich 10 Millionen km zur Sonne hin, der Schweif auf der abgewandten Seite reicht bis 25 Millionen km hinter die Saturnbahn, d.h. über 1400 Millionen km Entfernung. es steckt in diesem Magnetfeld die 20.000 fache Energie wie im irdischen Magnetfeld. Galileo kreuzte die Bugwelle des Magnetfeldes am 16.11.1995, mehr als 2 Wochen bevor sie Jupiter erreichte.

Die Strahlungsgürtel haben die gleiche Ursache wie die irdischen: Die Teilchen des Sonnenwindes folgen den Magnetfeldlinien und werden so im Magnetfeld Jupiters gefangen. Sie bewegen sich von Pol zu Pol, wechseln am Pol aber meistens die Magnetfeldlinie, die sich dort zusammendrängen und werden wie bei einem Teilchenbeschleuniger immer schneller und dadurch energiereicher. Aus dem Zyklus kommen sie, wenn die am Pol auf die Hochatmosphäre treffen oder auf Teilchen der Ringe oder die inneren Monde auftreffen.  Alternativ kann ein Teilchen so viel Energie gewinnen, dass es dem Magnetfeld entkommen kann. Bevor dies geschieht muss es bei Jupiter aufgrund der Schwerkraft viel energiereicher werden als ein Teilchen in den Van Allen Strahlungsgürteln auf der Erde. Der gesamte Strahlungsgürtel ist hochkomplex, er ändert sich nicht nur mit der Sonnenaktivität, sondern die Monde rühren auch darin wie Löffel in einem Kochtopf. Das Bild zeigt die Aurora, also die Pollichter von Jupiter, aufgenommen durch das Hubble Space Teleskope im UV Bereich. In dem ringförmigen Bereich treffen hochenergetische Teilchen auf die Hochatmosphäre und bringen sie zum Leuchten. Voyager konnte auf der Nachtseite auch Nordlichter und Blitzentladungen nachweisen.

Pioneer 10 nahm bei der Passage eine Gesamtdosis von 500 krad auf, das ist etwa die tausendfache tödliche Dosis für einen Menschen. Der Spitzenwert waren 1 Milliarde Elektronen und 6 Millionen Protonen pro Quadratzentimeter. 90 % der Elektronen hatten eine Energie von 3-30 Millionen Elektronenvolt. Zum Vergleich: Ein Elektron das bei einer chemischen Reaktion beteiligt ist, hat eine Energie von einige Elektronenvolt. Pioneer 10 näherte sich bis auf 139.000 km an die Wolkenobergrenze. Pioneer 11 sogar bis auf 41.600 km, wodurch der Spitzenwert 20 mal höher als bei Pioneer 10 ist. Die Ringe absorbieren Teilchen, so dass unterhalb der Ringe die Konzentration zurückgeht. Das Intensitätsmaximum für Elektronen liegt bei 64000 km über den Wolken, bei Protonen bei 48000 km.

Strahlungsbelastung bei JupiterEntfernt man sich Jupiter, so nimmt die Intensität schnell stark ab. Galileo kam bis auf 214.000 km an Jupiter heran und bekam beim Einschwenken in die Umlaufbahn 50 % der Strahlendosis von 150 krad für die Galileo ausgelegt war, ab. Allerdings näherte sie sich nun während der Primärmission niemals mehr Jupiter näher als bis zu Europas Orbit in 670.000 km Entfernung. Die erweiterten Missionen steigerten die Strahlungsbelastung durch größere Annäherung dann weiter bis auf 1200 krad, wobei allerdings zum Schluss regelmäßig Systeme ausfielen und die Sonde in einen Sicherheitsmodus zwangen, wobei Daten verloren gingen.

Die Raumsonde Juno wird an der Oberfläche während der Mission von 12 Monaten eine Gesamtdosis von 11 Mrad erhalten. Verschiedene Abschirmungen die insgesamt 7,62 cm Aluminium entsprechen, reduzieren diese auf 25 krad. Alleine die Elektronik wird von einer 157 kg schweren Box aus 1 cm Dickem Titan umgeben.

Eine Raumsonde die 60 Tage Europa umkreisen soll, wird einer Dosis von 5270 krad  ausgesetzt sein: 2100 bei der Europamission, 3170 für die Tour durch Jupiters System um durch mehrfache Vorbeiflüge an den Monden in einen Europa Orbit einschwenken zu können. Ein 10 mm dicker Aluminiumschild senkt diese Dosis auf 770 krad. Galileos Schutzschild betrug maximal 7.5 mm Aluminium. Allerdings eignet sich für zukünftige Sonden Tantal besser, wenn man eine dickere Schicht als 4 mm Aluminium braucht. Denn 1.3 mm Tantal schützen genauso gut wie 10 mm Aluminium. Um einen Kurzschluss nach 10 mm Aluminiumschild auszulösen müssen etwa 10-1000 Milliarden Elektronen pro cm² auftreffen.

Saturn AuroraAbschirmung ist auch heute noch die einzige Möglichkeit dem zu begegnen. Die moderne Elektronik macht Jupitermissionen heute übrigens leichter möglich: Zwar ist prinzipiell modernere Elektronik empfindlicher als diese zu Galileos Zeiten, doch dafür kann man die gesamte Elektronik heute in einem viel kleineren Volumen unterbringen und die Elektronikbox dann besser schützen. Probleme machen weniger die Chips, denn in ihnen kommen Elektronen nicht weit, ohne bald auf eine Isolationsschicht zu stoßen die leitende von nicht leitenden Teilen trennt. Problematisch sind eher größere Flächen in denen die Teilchen akkumuliert einen Stromimpuls und damit einen Kurzschluss auslösen können. Bei der vorgeschlagenen Jupitermission darf z.B. kein Leitungsstück mehr als 25 cm lang sein ohne geerdet zu sein.

Eine bemannte Mission scheidet aufgrund der hohen Strahlenbelastung aus. So reduziert ein 10 mm Aluminiumschild zwar bei der ESA Mission die Belastung von 5270 auf 770 krad - doch tödlich für Menschen sind 0.5-1 krad, also eine 1000-mal geringere Dosis. Astronauten sollten folgende Grenzen nicht überschreiten: 25 rad pro Monat, 50 pro Jahr und 100-400 in der Karriere. Auf der Erde beträgt die mittlere Strahlenbelastung 0.1 rad/Jahr. (Da sich Strahlenschäden akkumulieren ist die tolerierbare Dosis um so größer je kürzer man ihr ausgesetzt ist.)

Andere Planeten haben auch Strahlungsgürtel und man hat auch Polarlichter bei Jupiter, Saturn und Uranus beobachtet, doch keiner ist so stark wie der von Jupiter.

Mission Strahlendosis hinter
Pioneer 10 1.500 krad Oberflache
Pioneer 10 450 krad 3 mm Aluminium (0,81 g/cm²)
Pioneer 11 430 krad Oberfläche
Pioneer 11 120 krad 3 mm Aluminium (0,81 g/cm²)
Voyager 1 500 krad Oberfläche
Galileo 650 krad 2,2 g/cm²
Ulysses 60 krad im inneren, Abschirmung unbekannt
Juno 100.000 krad Oberfläche
Jumo 11.000 krad unter Folie
Juno 3.000 krad 0,3 mm Glas (Solarpaneele)
Juno 600 krad 1,524 mm Aluminium (0,43 g/cm²)
Juno 25 krad 1 cm Titan (45 g/cm²)

Heutiger Stand des Strahlungsschutzes bei Satelliten

Mikroelektronik wird bei Satelliten vor der Strahlung geschützt. Das fängt schon bei der Herstellung an. Mikroprozessoren, Speicherbausteine und andere Teilchen entspringen einer strahlengehärteten Produktlinie. Die Maßnahmen bestehen zum einen in Fertigungsschritten die eine geringe Anfälligkeit gegenüber Strahlung haben. Bei Mikroprozessoren z.B. die Silicon on Insulator (SOI) Technologie. Zum anderen liest man spezielle Bausteine aus, welche nach Tests strahlungsresistenter als normale Typen sind. Von Vorteil ist, dass auch das Militär Interesse an solchen Bausteinen hat, die oftmals auch unter extremeren Temperaturbedingungen arbeiten können.

Des weiteren kann man Bauteile wählen die weniger empfindlich sind als normale Bausteine. So bestehen heutige Speicherchips aus CMOS RAM, welches relativ anfällig gegenüber Strahlung ist. Vielfach wird in Raumsonden zumindest der Arbeitsspeicher als SRAM aufgebaut. SRAM hat eine deutlich niedrigere Integrationsdichte. Ein Bit wird nicht in einem Transistor mit einem angeschlossenen Kondensator, sondern in einer Zelle von 6-8 Transistoren gespeichert. SRAM braucht erheblich mehr Platz pro Bit und ist erheblich teurer als CMOS-DRAM. Die Caches von Prozessoren bestehen z.B. aus SRAM. Dafür ist es deutlich strahlungstoleranter als CMOS RAM.

Ein EEPROM ist auch weniger empfindlich. Das Western Digital W28C256 32 KBit x 8 EEPROM hat z.B. eine Strahlungsresistenz von 300 krad. 300 krad gelten für einzelne Bauteile als das Minium um es "Radiation harded" zu bezeichnen 8darunter ist es Radiation tolerant). Strategic Radiation harded nennt man es wenn es mehr als 1 Mrad (SI) überlebt (strategic, weil dieselben Anforderungen wie für den Weltraum natürlich auch an Elektronik gestellt wird, die Kernexplosionen in der Nähe überstehen sollen). Für komplette Systeme, die natürlich aus mehr als einem Baustein bestehen sind die Anforderungen geringer, da die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls mit steigender Bausteinzahl ansteigt.

Darüber hinaus kann man natürlich Bausteine schützen, entweder direkt den Baustein selbst oder die gesamte Elektronik abschirmt, entweder durch Aluminium oder Tantalschilde, oder effektiver zumindest als Strahlenschutz, aber anfälliger gegenüber Erschütterungen, ist boriertes Glas. Bor ist ein sehr guter Strahlungsschutz mit einem sehr effizienten Einfangsquerschnitt für Neutronen.

Eine weitere Möglichkeit ist es mit den Fehlern zu leben und ihre Folgen gering zu halten. RAM kann man mit Fehlerkorrekturinformationen versehen wie z.B. ECC Prüfsummen. Fortgeschrittene ECC Techniken die mehr als 1 Bit pro Byte speichern, können Fehler nicht nur erkennen, sondern auch korrigieren. Man kann ganze Baugruppen redundant auslegen oder bei Speicher Überkapazitäten verbauen. Zuletzt können Überwachungszeitgeber feststellen ob ein Prozessor noch aktiv ist und ihn gegebenenfalls neu starten. Normalerweise wird dann jedoch die gesamte Raumsonde in einen Sicheren Status gebracht, da man nicht weiß ob andere Systeme ebenfalls gelitten haben. 

Folgende Einflüsse werden unterschieden:

Es gibt noch einige weitere Fachbegriffe für Schädigungen, die jedoch dann begrenzt sind auf bestimmte Technologien wie MOSFET oder N-Kanal MOS Transistoren und daher nicht so gängig sind.

Strahlungsgehärtete Elektronik - Ein Überblick

SCS 750 von MaxwellKommerziell verfügbare Technologie ist strahlungsresistent bis zu einer Dosis von 5-10 krad. Das sind immerhin 5-10 mal höhere Dosen als sie für den Menschen tödlich wären. 5-10 krad entsprechen 50-100 Gray oder 50-100 Sievert, also ein vielfaches der Strahlendosis die ein Satellit pro Jahr in einem erdnahen Orbit erhält. Es gibt auch durchaus Satelliten die von Universitäten oder Studenten gebaut wurden und die tadellos mit normaler Hardware arbeiten. Investiert man Millionen in einen Satelliten oder will man mit ihm Geld verdienen, so kann man sich einen Ausfall nicht leisten und verbaut lieber strahlungsresistente oder gehärtete Elektronik die 10-100 mal mehr Strahlung übersteht. Hier einige aktuelle Typen:

Der SC750 von Maxwell (Bild) basiert auf dem Power PC 750 Kern. Er ist 2007 der derzeit leistungsfähigste Mikroprozessor der in einer strahlungsgehärteten Version verfügbar ist. Bei einem Stromverbrauch von 7-25 Watt erreicht eine Leistung von bis zu 1800 MIPS bei 800 MHz Taktfrequenz. Ein Board mit dem kompletten Computer umfasst auch 256 MByte DRAM und 6 MByte EEPROM. Er wird in 0.13 µm Technologie gefertigt.

Ein SEU soll im GEO Orbit nur alle 3000 Jahre vorkommen. Er wird in der Silicon on Insulator Technologie gefertigt und verträgt Strahlungsdosen bis zu 100 krad, abhängig vom Orbit. Die Energie für ein SEL Ereignis liegt bei 80 MeV/cm²/mg beim Prozessor und 50 MeV/cm²/mg beim CMOS RAM. Die ältere Version desselben Prozessorkerns wird von BAE gefertigt. In der 0.25 Mikrometertechnologie bei 110-120 MHz Taktfrequenz ist der Prozessor deutlich langsamer, doch er ist mit 200 krad auch doppelt so resistent. Das Komplettsystem mit 256 MByte RAM erreicht allerdings dann auch nur denselben Wert wie die Maxwell Version (100 krad bei 550 MIPS).

Da die Strahlungsempfindlichkeit mit jedem Bauteil ansteigt, geht der Trend auch im Weltraum zu dem System on a Chip. (SoC) Erhältlich sind bisher nur einfache Architekturen in dieser Form, so ein Derivat des 8051 / 8052 Mikrocontrollers, welcher zwar nur 4-7 MIPS bei 16-28 MHZ Taktgeschwindigkeit arbeitet, aber dafür als System 300 krad überlebt. Erstmals wurde bei diesem System von Honeywell auch MRAM eingesetzt, welches die Daten magnetisch und nicht durch Elektronen speichert und so seine Information auch nach dem Ausschalten behält und erheblich unempfindlicher gegenüber Strahlung als CMOS RAM ist. Verfügbar ist dieses RAM derzeit allerdings nur mit 1 MBit Kapazität.

Ab 2008 will Honeywell ein SOC auf Basis des Power PC 440 Kerns vorstellen. Es arbeitet mit bis zu 200 MHz und erreicht 400 MIPS, wird in 0.15 Mikrometertechnologie gefertigt und hat auch alle Schnittstellen auf dem Chip. Das System ist strahlengehärtet bis zu einer Dosis von 100 krad. 2016 wartet man noch immer auf den Chip. Die ESA verwendet sogar noch deutlich weniger leistungsfähige Designs auf Basis des SPARC V7 Prozessors.

100-200 Krad für ein System sind ausreichend für alle Erdorbitmissionen, selbst im Van Allen Gürtel. Wie der Vergleich mit der zu erwartenden Dosis von 5200 krad bei einer Europaorbiter Mission zeigt wird man im Jupitersystem allerdings immer eine Abschirmung brauchen.

Es gab in den letzten Jahren kaum neue Prozessoren. 2011 ist immer noch der RAD750 der schnellste Prozessor. Er wurde schon 2001 vorgestellt. So gibt es auch andere Ansätze mit dem Problem umzugehen. Eine ist das Ausweichen auf FPGA. FPGA sind selbst nach dem Start noch umprogrammierbare Schaltkreise. Anders als bei Prozessoren wird die Verdrahtung nicht bei der Produktion festgelegt, sondern kann geändert werden. Die Technologie ist per se etwas robuster als die in der Prozessoren gefertigt werden. Der Hauptvorteil liegt aber darin, dass man so eine für den Zweck speziell ausgelegte Hardware erhält. Software wird durch Hardware ersetzt und dies kann besonders häufig vorkommende einfache Routinen extrem beschleunigen. Beispiele dafür könnten Kompressionsalgorithmen oder Verarbeitungsroutinen für die Rohdaten sein. Ebenfalls robuster sind direkt bei der Herstellung direktverdrahtete Bausteine, deren Programmierung dann aber nicht geändert werden kann. Sie werden für unveränderliche Algorithmen wie die Datenkompression eingesetzt.

Eine zweite Lösung ist es Commercial On the Shelf (COTS) Komponenten zu verwenden. Dieses "Zauberwort" bedeutet, man setzt das ein was auch woanders eingesetzt wird und keine besonders für die Raumfahrt entwickelte Hardware. Die größere Anfälligkeit soll dann durch parallelen Betrieb mehrerer Computer, Speichermodule etc. kompensiert werden wobei es Abstimmungsmechanismen gibt die feststellen ob alle Computer noch korrekt arbeiten.

Artikel zuletzt geändert am 6.4.2016


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