Solarmaximum schützt Marsmissionen vor kosmischer Strahlung

Reisen zum Mars während des solaren Maximums sind deutlich sicherer als während des solaren Minimums, da die verstärkte Sonnenaktivität einen magnetischen „Schutzschild“ erzeugt, der hochenergetische galaktische kosmische Strahlung (GKS) ablenkt. Zwar treten in diesem Zeitraum häufiger Sonneneruptionen auf, gegen diese lässt sich jedoch im Vergleich zu den unermüdlichen, hochenergetischen Teilchen von außerhalb unseres Sonnensystems leichter eine Abschirmung errichten. Eine neue Studie, die am 9. März 2026 in Space Weather veröffentlicht wurde, bestätigt, dass ein Start während eines aktiven Sonnenzyklus die gesamte Strahlenbelastung eines Astronauten um bis zu 50 % reduzieren könnte.

Was ist galaktische kosmische Strahlung und warum ist sie während des solaren Minimums gefährlich?

Galaktische kosmische Strahlung (GKS) besteht aus hochenergetischen Protonen und Schwerionen von außerhalb des Sonnensystems, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Sie ist während des solaren Minimums besonders gefährlich, da der Fluss dieser Teilchen erheblich ansteigt und Werte von 150–300 mGy/Jahr erreicht. Dies setzt Astronauten schweren krebserregenden und neurologischen Risiken aus, die viel schwerer zu mindern sind als die von der Sonne ausgehende Strahlung.

Galaktische kosmische Strahlung stellt ein konstantes Bombardement dar, das aus katastrophalen Ereignissen wie Supernovae stammt. Im Gegensatz zu Sonnenpartikeln, die in Schüben ankommen, ist die GKS ein stetiger Strom „harter“ Strahlung, der Standard-Raumschiffhüllen mit Leichtigkeit durchdringen kann. Während eines solaren Minimums ist der magnetische Einfluss der Sonne am schwächsten, sodass diese interstellaren Teilchen das innere Sonnensystem fluten können. Eine Studie unter der Leitung von Chao Zhang von der University of Science and Technology of China zeigt, dass die GKS-Werte ohne die aktive Interferenz der Sonne bei einer einzigen Mission das von der European Space Agency (ESA) festgelegte Karrierelimit von 1000 Millisievert (mSv) erreichen können.

Wie schützen Sonnenstürme während einer Mars-Mission vor galaktischer kosmischer Strahlung?

Die Sonnenaktivität moduliert die GKS-Exposition, indem sie das heliosphärische Magnetfeld stärkt, das als physikalische Barriere gegen interstellare Teilchen fungiert. Während des solaren Maximums „fegen“ der verstärkte Sonnenwind und magnetische Turbulenzen die eintreffende galaktische kosmische Strahlung weg. Dies reduziert den gesamten Strahlungsfluss, der ein zum Mars fliegendes Raumschiff erreicht, wodurch der Transit trotz der erhöhten Häufigkeit von Sonneneruptionen sicherer wird.

Der Sonnenwind dient als primärer Mechanismus für diesen paradoxen Schutz. Wenn die Sonne den Höhepunkt ihrer Aktivität erreicht, stößt sie enorme Mengen an Plasma und magnetischer Energie aus, welche die Heliosphäre ausdehnen. Diese Expansion schafft eine chaotischere und dichtere magnetische Umgebung, welche die eintreffende galaktische kosmische Strahlung streut. Ein internationales Team, das Daten des ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) der ESA und des Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation (CRaTER) nutzte, fand heraus, dass dieser natürliche Abschirmungseffekt so stark ist, dass er die durch Sonnenstürme verursachten Risiken überwiegt. Laut Anna Fogtman, Leiterin des Strahlenschutzes bei der ESA, ermöglicht die gezielte Auswahl spezifischer Startfenster während dieser Höhepunkte den Missionsplanern, genau zu quantifizieren, wie viel Strahlungs-„Gewinn“ durch die solare Modulation erzielt wird.

Welche Abschirmung wird für solare Teilchenereignisse bei Mars-Missionen benötigt?

Eine effektive Abschirmung für solare Teilchenereignisse (SPEs) umfasst in der Regel wasserstoffreiche Materialien wie Polyethylen oder mit Wasser gefüllte „Sturmbunker“ innerhalb des Raumschiffs. Während dünne Aluminiumwände viele Sonnenprotonen stoppen können, sind sie gegen GKS unwirksam und können sogar schädliche Sekundärstrahlung erzeugen. Während einer Mars-Mission würden sich Astronauten bei unvorhersehbaren Sonneneruptionen in diese verstärkten Bereiche zurückziehen, um die akute Exposition zu minimieren.

Das Raumschiffdesign für Deep-Space-Reisen muss die unterschiedliche „Härte“ der Strahlungsarten berücksichtigen. Energetische Sonnenpartikel sind zwar intensiv, besitzen aber eine geringere Energie als GKS und können durch mehrere Zentimeter Abschirmung blockiert werden. Die aktuelle Studie nutzte ein geschichtetes Wasserball-Modell, um zu simulieren, wie menschliche Organe Strahlung absorbieren, und stellte fest, dass wasserbasierte Abschirmungen gegen Sonneneruptionen hochwirksam sind. Im Gegensatz dazu ist die galaktische kosmische Strahlung so energiereich, dass sie beim Auftreffen auf die Abschirmung oft Schauer von Sekundärpartikeln auslöst, die für menschliches Gewebe noch schädlicher sein können. Dies macht den von der Sonne selbst bereitgestellten „Solar Maximum Shield“ weitaus effektiver als jede schwere Panzerung, die Menschen derzeit in den Orbit bringen könnten.

Die vergleichenden Risiken interplanetarer Trajektorien

Die Missionslogistik spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der kumulativen Strahlungsdosis, die ein Astronaut während der Reise zum Mars erhält. Das Forschungsteam analysierte Transferorbits der letzten 60 Jahre und verglich energieeffiziente lange Routen mit verbrauchsintensiven schnellen Routen. Sie entdeckten, dass schnellere Transferorbits die Strahlenbelastung um 55 % reduzieren könnten, wenn sie mit dem solaren Maximum synchronisiert werden. Selbst treibstoffsparende Flugbahnen zeigten eine Reduzierung der Strahlungsdosis um 45 % im Vergleich zu ähnlichen Reisen während eines solaren Minimums. Diese Erkenntnisse sind für Organisationen wie die NASA und die ESA von entscheidender Bedeutung, während sie die Moon-to-Mars-Architektur finalisieren, um sicherzustellen, dass die Sicherheit der Besatzung mit den Antriebsbeschränkungen in Einklang gebracht wird.

Strahlungsmessungen des Liulin-MO-Dosimeters an Bord des TGO haben einen 15-jährigen Datensatz geliefert, der diese theoretischen Modelle bestätigt. Die Studie legt nahe, dass eine Mars-Mission zwar ein risikoreiches Unterfangen bleibt, das „Strahlungsparadoxon“ jedoch ein klares Zeitfenster für Gelegenheiten bietet. Koautor Robert Wimmer-Schweingruber von der Universität Kiel betont, dass Missionsplaner diese Fenster sorgfältig anvisieren müssen, um innerhalb der Strahlungslimits für die gesamte Laufbahn zu bleiben. Sobald man sich auf der Marsoberfläche befindet, sinkt das Risiko weiter; die Masse des Planeten bietet einen natürlichen Schutz, der die Exposition im Vergleich zum tiefen Weltraum um 60 % reduziert. Zukünftige Habitate in Lavaröhren oder Höhlen könnten die verbleibende GKS-Bedrohung weiter eliminieren.

Implikationen für die Zukunft der Weltraumforschung

Der Sonnenzyklus 25 und der kommende Zyklus 26 werden nun eher als erstklassige Fenster für die menschliche Exploration betrachtet und nicht mehr als Zeiträume, die man fürchten muss. Die aktuelle Sonnenaktivität der Intensität G1 Moderate, die kürzlich Polarlichter in Fairbanks, Alaska und Stockholm, Schweden (bei einem Kp-Index von 5) verursachte, ist eine sichtbare Erinnerung an die Kraft der Sonne. Dieselbe Energie, die den Nordhimmel erleuchtet, arbeitet derzeit daran, das innere Sonnensystem von der weitaus gefährlicheren interstellaren Strahlung zu befreien. Indem die Menschheit mit den natürlichen Rhythmen unseres Sterns arbeitet, kann sie sich weiter in den Kosmos vorwagen, bei reduziertem Risiko für langfristige gesundheitliche Auswirkungen.

Echtzeit-Sonnenüberwachung wird zum Eckpfeiler der Sicherheit von Astronauten während dieser Spitzenzeiten werden. Während das solare Maximum einen GKS-Schutz bietet, erfordert es eine ausgeklügelte „Wettervorhersage“, um Besatzungen vor eintreffenden solaren Teilchenereignissen zu warnen. Fortschritte in der Dosimetertechnologie und der magnetischen Modellierung verwandeln die Sonne von einer primären Bedrohung in einen strategischen Verbündeten. Während wir uns auf die nächste Ära der Entdeckungen vorbereiten, beweist das Strahlungsparadoxon, dass in der rauen Umgebung des Weltraums die aktivsten Phasen unseres Heimatsterns tatsächlich diejenigen sind, die den sichersten Hafen für Reisende auf dem Weg zum Roten Planeten bieten.

• Hauptergebnis: Das solare Maximum ist für Deep-Space-Reisen sicherer als das solare Minimum.
• Datenquellen: ExoMars TGO der ESA (Liulin-MO) und LRO der NASA (CRaTER).
• Reduktionswert: Bis zu 55 % geringere Strahlungsdosis während der maximalen Sonnenaktivität.
• Hauptrisiko: Galaktische kosmische Strahlung (GKS) ist gefährlicher als Sonneneruptionen.
• Schutz: Sonnenwind lenkt GKS ab; wasserbasierte Schutzräume blockieren Sonnenpartikel.