فهرست مطالب
جهان اطراف ما غرق اتفاقاتی است که در پیرامون ما رخ می‌دهند ولی از بسیاری از آن‌ها بی‌خبر هستیم به‌خصوص اگر در مقیاس مولکولی و اتمی رخ بدهند، در این مقاله سراغ مبحث رادیواکتیو و ارتباط آن با فضا را بررسی می‌کنیم. کاربرد مواد پرتوزا یا رادیواکتیو در فضا چی است؟ و مضرات و فواید پرتوزایی در فضا را بررسی می‌کنیم و همچنین نقش آن در پر کاوش‌های فضایی در آینده را بررسی خواهیم کرد.
رادیواکتیو یا پرتوزا چیست؟
این پدیده‌ای فیزیکی از عناصر مشخصی است که همراه با گسیل انرژی به شکل تابش است. این انرژی از فروپاشی هسته ناپایدار پدید می‌آید به عبارت دیگر خاصیتی که انواع خاصی از ماده با گسیل انرژی و ذرات زیراتمی به‌صورت خودبه‌خودی بروز می‌دهند. در این فرایند هسته ناپایدار به‌طور خودبه‌خودی فرو می‌پاشد و به حالتی پایدار تبدیل می‌شود. مواد پرتوزا به‌صورت طبیعی در زمین یافت می‌شوند (بخشی از گرمای هسته‌ی زمین به این دلیل است) و همچنین به‌طور مداوم توسط پرتوهای کیهانی ایجاد می‌شوند. انسان‌ها هم مواد پرتوزا را با واکنش‌های هسته‌ای در راکتورهای هسته‌ای و شتاب‌دهنده‌های ذرات ایجاد می‌کنند.
تاریخچه کشف رادیواکتیو
همانند کشف الکترون توسط جی.جی توماس، کشف رادیواکتیویته در اورانیوم توسط هنری بکرل در سال 1896 دانشمندان را مجبور به تغییر نگرش‌شان درباره ساختار اتمی اتم‌ها کرد. رادیواکتیویته نشان داد که اتم نه تقسیم‌ناپذیر نه تغییر‌ناپذیر است. به‌جای ماتریکسی ساکن از الکترون‌ها، اتم می‌توانست تغییر شکل بدهند و مقدار فراوانی انرژی آزاد کنند. در ضمن رادیواکتیویته به ابزاری کاربردی در آشکارسازی درون اتم تبدیل شد. فیزیکدان آلمانی ویلم رونتگن در 1895 پرتوی ایکس را کشف کرد و بکرل فکر کرد آن‌ها ممکن است به فلورسنت و شب‌تابی مربوط باشند.
فرایند‌هایی که در آن ماده انرژی را جذب و به صورت نور گسیل می‌کند. در طی تحقیقات او، بکرل چندین صفحات عکاسی و نمک اورانیوم را در کشوی میزتحریر قرار داد و انتظار داشت صفحه‌ها تنها مقداری تیره بشوند اما وقتی تصاویر دقیقی از نمک‌ها را مشاهده کرد، متعجب شد. بعد، بکرل آزمایشاتی را شروع کرد که نشان داد نمک‌های اورانیوم تابش ذراتی جدا از عوامل خارجی دارند.
بکرل همچنین نشان داد که تابش می‌تواند اجسام الکتریکی را تخلیه کند. در این مورد، تخلیه به معنی جابه‌جایی بار الکتریکی هست، و الان بدیهی هست که تابش، با یونیزه کردن مولکول‌های هوا، به هوا اجازه هدایت جریان الکتریکی را می‌دهد. در سال 1898 فیریکدان ماری کوری عناصر با رادیواکتیویته بالا یعنی پلوتونیوم و رادیم را کشف کرد که به صورت طبیعی در مواد معدنی اورانیومی رخ می‌دهند.
آزمایشاتی که توسط فیزیکدان بریتانیایی ارنست راترفورد در سال 1899 نشان داد که عناصر رادیواکتیو بیش از یک نوع تابش را گسیل می‌کنند و مشخص شد که بخشی از تابش صد برابر نفوذپذیرتر از بقیه هست و می‌تواند از فویل آلومینیومی با یک پنجم یک میلیمتر ضخامت، عبور کند. راترفورد آن تابش را تابش آلفا نامید و بقیه تابش‌ها را هم بر اساس حروف الفبای یونانی نام‌گذاری کرد.
انواع تابش رادیواکتیویته
سه نوع تابش اصلی رادیواکتیو وجود دارد: آلفا، بتا و گاما. این تابش‌ها در جرم، انرژی و چگونگی رخنه در اجسام و… فرق دارند البته واپاشی‌های دیگری هم داریم مثل تابش پوزیترون، گسیل نوترون و…
۱) ذرات آلفا: این ذرات شامل دو پروتون و دو نوترون هستند و سنگین‌ترین ذره تابشی به‌حساب می‌آید. بسیاری از مواد رادیواکتیو(پرتوزا) که به صورت طبیعی رخ می‌دهند ذرات آلفا را گسیل می‌کنند، مثل اورانیوم و توریوم. مثالی که بیشتر مردم با آن آشنا هستند لامپ‌های رادونی در خانه‌های مان است.
۲) ذرات بتا: این ذره، یک الکترون است که به اتمی متصل نشده است و دارای جرم کوچک و بار منفی است. تریتیوم که توسط تابش کیهانی(پرتوهای کیهانی) در اتمسفر ایجاد می‌شود و دورتادور ما هم وجود دارد تابش ذرات بتا را به همراه دارد. کربن۱۴ که برای قدمت‌سنجی فسیل‌ها و چیزهای دیگر استفاده می‌شود هم ذرات بتا گسیل می‌کند. قدمت‌سنجی کربنی از این واقعیت که کربن۱۴ رادیواکتیو است، استفاده می‌کند. اگر ذرات بتا را اندازه‌گیری کنید، متوجه می‌شوید که چه مقدار کربن۱۴ در فسیل باقی‌مانده است که این امکان را می‌دهد تا مدت زمانی که ارگانیسم می‌زیسته است را محاسبه کنید.
۳) پرتوهای گاما: پرتوهای گاما کوتاه‌ترین طول موج و پرانرژی‌ترین موج در طیف الکترومغناطیسی به‌شمار می‌رود. این پرتوها توسط داغ‌ترین و پرانرژی‌ترین اجرام در کیهان ایجاد می‌شوند، مثل ستارگان نوترونی و پالسارها(تپ‌اخترها) انفجارهای ،سوپرنواها و مناطق اطراف سیاهچاله‌ها. روی سیاره زمین در انفجارهای هسته‌ای، رعدوبرق و فعالیت‌های فروپاشی رادیواکتیوی تولید می‌شوند.
۴) تابش پوریترون: پوزیترون معادل پادماده الکترون به شمار می‌رود که جرم یکسانی با الکترون ولی بار مخالف با آن را دارد. پوزیترون‌ها از چند ایزوتوپ ناپایدار که نوترون‌های بسیار کمی برای پایداری دارند گسیل می‌شود.
کاربرد و فواید رادیواکتیو در فضا
راکتورهای گداخت هسته‌ای برای اهداف فضایی، بیشتر توسط روسیه استفاده می‌شده اما الان طراحی‌های نوین و قدرتمندی در هر دو کشور آمریکا و روسیه تحت توسعه هستند: راکتورهای انرژی هسته‌ای از گداخت هسته‌ای کنترل شده در واکنشی زنجیره‌ای استفاده می‌کنند. با به کارگیری جاذب‌های نوترونی، میزان واکنش، کنترل‌شده است، بنابراین انرژی به میزان تقاضا وابسته است.
منبع‌های انرژی رادیوایزوتوپ‌ها، از سال ۱۹۶۱ منبعی حیاتی برای تأمین انرژی در فضا به شمار می‌رود: ژنراتورهای(مبدل‌ها) ترموالکتریکی رادیوایزوتوپ یا RTGs، منبع جایگزین انرژی در فضا است. ولی این‌جا با واکنش‌های زنجیره‌ای روبه‌رو نیستیم. انرژی به مقدار اولیه رادیوایزوتوپ که به عنوان سوخت استفاده شده، بستگی دارد و انرژی با تبدیل گرمای تولید‌شده توسط واپاشی رادیواکتیو رادیوایزوتوپ‌ها به الکتریسیته(برق) و با استفاده از ترموکوپل‌ها تأمین می‌شود. بیشتر RTGs ها از پلوتونیوم-238 استفاده می‌کنند (پلوتونیوم-238 منبع انرژی حیاتی برای مأموریت‌های دور فضایی به شمار می‌رود).
هنگام استفاده از RTGs ها، انرژی تولید شده را نمی‌توان کم‌وزیاد یا قطع کرد. به همین‌دلیل، باید برای زمان اوج مصرف، استفاده از باتری‌های کمکی را نیز درنظر داشت. RTGs ها هنگامی که سفینه فضایی به توان کمتر از 100KW نیاز دارد، مورد استفاده قرار می‌گیرند. مهم‌تر این‌که سیستم‌های گداختی بسیار به‌صرفه تر از RTGs ها هستند.
انواع تابش و مضرات رادیواکتیویته در فضا
در سال 2011-2012 کاوشگر کنجکاوی در مسیر حرکتش یه سوی مریخ، میزان تابش را اندازه‌گیری کرد. کاوشگر در معرض تشعشع میانگین 1.8mSv در روز برای 36 هفته قرار داشت. این یعنی که فضانوردان در یک سفر رفت‌وبرگشت به سیاره مریخ متحمل 660mSv تشعشع یا تابش می‌شوند (برای مقایسه میزان طبیعی تابش برای انسان‌ها در زمین 2 تا 3 میلی سیوِرت(mSv) در سال است). دو نوع تابش خطر بالقوه‌ای برای سلامتی فضانوردان در فضا به شمار می‌روند، یکی پرتوهای کیهانی کهکشانی (GCRs) هستند، ذراتی که توسط انفجارهای سوپرنواها و ذرات پرانرژی و خشن دیگر کیهانی ورای سامانه خورشیدی ناشی می‌شوند.
تابش دیگر، با سطح خطر کمتر، ذرات پرانرژی خورشیدی (SEPs) هستند که ناشی از شعله‌های خورشیدی و خروج‌های جرم از تاج خورشیدی (CME) هستند. یک راه برای کاهش در معرض تابش قرارگرفتن خدمه، استفاده از پیش‌رانش هسته‌ای هست، تا مدت زمان گذر را به‌طور قابل‌توجهی کم کرد. شدت تابش در ایستگاه بین‌المللی فضایی 100mSv در شش ماه است.
تابش می‌تواند به‌صورت غیریونیزه (کم‌انرژی) و یا یونیزه (پرانرژی) باشد. تابش یونیزه شامل ذراتی هست که انرژی کافی برای جداکردن الکترون از مدارش را داراست، بنابراین یک اتم با بار مثبت بیشتر ایجاد می‌کند. تابش کم‌انرژی‌تر غیریونیزه برعکس تابش یونیزه انرژی کافی برای خارج کردن الکترون‌ها از مدارشان را ندارند. تابش‌های یونیزه شامل ذرات آلفا، بتا، پرتوهای گاما، پرتوهای ایکس و تابش کهکشانی کیهانی هست و برای تابش غیریونیزه، فرکانس‌های رادیویی، مایکروویو، فروسرخ، نور مرئی و نور فرابنفش را داریم. در حالی‌که اشکال زیادی از تابش یونیزه و غیریونیزه برای زندگی روزمره ما ضروری هستند، هر نوع از تابش می‌تواند به چیزهای زنده و غیرزنده آسیب وارد کند.
در ورای مدار نزدیک به زمین، تابش فضایی ممکن است فضانوردان را در معرض خطر بیماری‌های ناشی از تابش، افزایش خطر سرطان، تأثیر بر سیستم عصبی مرکزی و بیماری‌های تحلیل‌رونده (مثل آلزایمر) قرار دهد. مطالعات درباره قرارگیری در شدت‌ها و مقدارهای متنوع تابش، شواهد محکمی را نشان می‌دهد که سرطان و بیماری‌های تحلیل‌رونده وقتی در معرض پرتوهای کهکشانی کیهانی و رویدادهای ذرات خورشیدی (SPE) قرار می‌گیریم، محتمل است.
رادیواکتیویته و آینده انسان در فضا
عناصر رادیواکتیو در پزشکی هم کاربرد دارند و می‌توانند درمان‌های نوین و جدیدی را در آینده به ارمغان بیاورند. تولید داروهایی که دقیقا با مکانیسم بدن هر شخص همخوانی دارند، یکی از کاربردهای جذاب رادیواکتیو در صنعت پزشکی می‌تواند باشد. در آینده ممکن است پزشک‌ها از ردیاب‌های رادیواکتیو و آنالیز جفت ژنتیکی (Genetic Mate) استفاده کنند تا درمان‌ها و مراقبت‌های مختص به هر شخص را ایجاد کنند.
در سفرهای فضایی، انسان با تابش‌های مضر و مخرب کیهانی روبه‌رو می‌شود بنابراین به کمک تکنولوژی و پزشکی می‌توان این مسئله بسیار حیاتی در کاوش جهان هستی را حل کرد. دانشمندان می‌توانند از تکنولوژی پیشرفته شناسایی تابش Advanced radiation detection technology استفاده کنند تا محیط فضا را ارزیابی و روش‌هایی برای محافظت از فضانوردان در طول مأموریت‌های فضایی، توسعه دهند. به علاوه، آشکارسازی مقدار و سطوح تابش در نمونه‌های جمع‌آوری شده بینش گرانبهایی درباره محیط کیهانی اطراف‌مان در اکتشاف ورای زمین می‌دهد:
مطالعه آب‌وهوای فضا: آب‌وهوای فضایی به شرایطی در فضا اشاره دارد که روی ایمنی سفینه فضایی و فضانوردان تأثیر می‌گذارند. تابش یا تشعشع، عنصری مهم از آب‌وهوای فضایی است و تکنولوژی پیشرفته شناسایی تابش، دانشمندان را قادر می‌سازد تا شرایط آب‌وهوایی در فضا را ارزیابی و مطالعه کنند. این دانش به دانشمندان کمک می‌کند تا راه‌کارهای بهتری برای پیش‌بینی و کاهش اثرات آب‌وهوای فضا روی سفینه و فضانوردان را توسعه دهند.
کاوش محیط‌های سیاره‌ای: تکنولوژی پیشرفته شناسایی تابش برای بررسی محیط‌های سیاره‌ای حیاتی است، دانشمندان می‌توانند توزیع عناصر رادیواکتیو در سطح جهان‌های بیگانه یعنی سیارات و قمرهای فراخورشیدی را ترسیم کنند و درک و بینش خارق‌العاده‌ای درباره ساختار زمین‌شناختی و احتمال زیست‌پذیری آن‌ها بدست بیاورند.
نویسنده: مهران عظیمی
آکادمی اخترزیست‌شناسی ایران
منابع:
- https://www.nasa.gov/missions/analog-field-testing/why-space-radiation-matters/
- https://www.britannica.com/science/atom/Discovery-of-radioactivity
- https://www.mirion.com/solutions/research-education/protecting-astronauts-in-space
- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4206856/
- https://world-nuclear.org/information-library/non-power-nuclear-applications/transport/nuclear-reactors-for-space.aspx
- https://www.arpansa.gov.au/understanding-radiation/what-is-radiation/ionising-radiation/radiation-decay
- https://science.nasa.gov/ems/12_gammarays/
- https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/science-101/what-are-different-types-of-radiation.html
