Karakterisering en analyse van de stralingsomgeving van de maan

Ruimtefysica
Er is sinds enkele jaren opnieuw belangstelling voor de verkenning van de maan en de mogelijkheid tot de exploitatie van haar rijkdommen. Het modelleren van de stralingsomgeving van de maan en de effecten ervan is een belangrijk element voor het ontwerpen en beschermen van een eventuele maanbasis. We hebben ESA's SPace ENvironment Information System (SPENVIS), ontwikkeld aan het BIRA, gebruikt bij het ontwerp van een miniatuur röntgenfluorescentie (XRF) spectrometer voor een toekomstige ESA-missie naar de maan.

SPENVIS  biedt interfaces aan voor het gebruik van verschillende modellen en tools die toelaten om de ruimteomgeving en de effecten ervan te onderzoeken.

SPENVIS-gebruikers kunnen met deze tools:

  • de respons van instrumenten en detectoren op straling simuleren
  • hun bescherming optimaliseren
  • de door straling geïnduceerde effecten op allerlei onderdelen van ruimtevaartuigen berekenen

Straling op het maanoppervlak analyseren

Om de ontwikkeling van een miniatuur röntgenfluorescentie (XRF) spectrometer voor een toekomstige ESA-missie naar de maan te ondersteunen, hebben we SPENVIS gebruikt om de straling op het maanoppervlak te analyseren. Deze straling is voornamelijk het gevolg van galactische kosmische stralen (Galactic Cosmic Rays, GCR) en energetische zonnedeeltjes (Solar Energetic Particles, SEP) die het oppervlak van de maan bereiken.

Het is echter belangrijk om ook naar de albedo-deeltjes van de maan te kijken, zoals neutronen, protonen en elektronen. Deze secundaire deeltjes zijn het resultaat van de interactie van de inkomende hoogenergetische deeltjes met het maanoppervlak. We hebben de spectra van deze albedo-deeltjes berekend door het maanoppervlak (samenstelling en geometrie) te modelleren en Monte Carlo Geant4-simulaties uit te voeren met behulp van de tools die beschikbaar zijn in SPENVIS.

Geschatte stralingsomgeving missie op het maanoppervlak

Ten slotte keken we naar de mogelijke invloeden van de geschatte stralingsomgeving van de maan gedurende een missie op het maanoppervlak van één jaar. Daarbij hebben we de spectra voor lineaire energieoverdracht ten gevolge van GCR en SEP berekend. Die zijn nodig om in te schatten hoe frequent de effecten van directe ionisatie door één enkel deeltje optreden en om de jaarlijkse totale ioniserende dosis in een silicium detector, afgedekt met een laag aluminium van variërende dikte, te berekenen.

De resultaten zijn belangrijk in het evalueren van de degradatie van instrumenten/detectoren en hun operationele levensduur op het maanoppervlak.

 

Referentie:

De Donder, E., and Messios,N. Preparation of Enabling Space Technologies and Building Blocks: Lunar XRF Spectrometer. Lunar-XRF-WP13_RP, Issue 1.0, May 2020.

Grafiek jaarlijkse totale ioniserende dosis (TID)
Grafiek van de jaarlijkse totale ioniserende dosis (TID) ten gevolge van primaire protonen, afkomstig van GCR en SEP-gebeurtenissen, en de bijkomende secundaire albedo deeltjes (protonen, neutronen en elektronen) gegenereerd in de maanbodem na interactie (De Donder en Messios, 2020). De stralingsdosis is gegeven als functie van de dikte van de beschermende aluminium laag. Op de achtergrond een foto van de maan genomen door NASA.
SPENVIS Geant4 simulatie GCR protonen maan
SPENVIS Geant4 simulatie van de interactie van GCR protonen met de maan, waarbij werd aangenomen dat de maanbodem bestaat uit vijf lagen regoliet met verschillende diktes en dichtheden.