bab 3 antariksa - cdn-edunex.itb.ac.id
TRANSCRIPT
1.Sampah Antariksa
2.Perjalanan Antariksa
3.Bahaya Radiasi Antariksa
1
Bab 3
Antariksa
2
3.3. Bahaya Radiasi Antariksa
3
1. Pendahuluan2. Sumber Radiasi Antariksa
1. Matahari2. Galaksi Atau Ekstragalaksi3. Bumi
3. Dampak1. Perjalanan & Bekerja Di Antariksa2. Dampak Biologis3. Dampak Terhadap Instrumentasi
4. Solusi
Outline
4
3.3.1. Pendahuluan
5
November 1895: Roentgen Menemukan Sinar-x
6
1 Bq = 1 disintegration/second
Februari 1896: Becquerel Menemukan Radioaktivitas
7
Sinar- α, β,
8
Radiasi: transmission of energy through space and matter
Ada dua macam tipe utama radiasi:
1. Radiasi elektromagnetik (non-pengion):radiasi yang terdiri dari partikel tak-bermassa yang disebutfoton
2. Radiasi corpuscular (ion):radiasi yang terdiri dari partikel bermassa (partikel atomic dan sub-atomic, seperti partikel alpha, beta, neutron, dsb.)
Tipe Radiasi
9
Tipe Radiasi
Corpuscular/Particulate Electromagneticvs
10
Tipe Radiasi: Radiasi Elektromagnetik
11
Tipe Radiasi: Radiasi Corpuscular
12
Eksplorasi antariksa
Perlindungan bagi manusia atau makhluk hidup yang berada di antariksa
Perlindungan bagi instrumentasi antariksa
Cuaca dan Iklim Antariksa
Integrasi sistem Daratan-Lautan-Atmosfer-Antariksa
Cuaca dan Iklim antariksa terkait dengan cuaca dan iklim di Bumi atau planet lainnya
Mengapa?
13
Radiation
To live and work safely in space with acceptable risks from radiation
NASA Space Radiation Program Goal:
Risk is not measured-It is predicted by a model
14
Goes to the Moon in next decade
Missions to Mars: towards 2030 building on the lunar program
Radiation protection requirements including dose limits for lunar missions are now being formalized
Eksplorasi Antariksa
Cucinotta and Durante, The Lancet- Oncology (06)courtesy of John Frassanito and associates
15
Space Weather, Safeguarding The Journey
Interaction of dust and plasma on the surface of the Moon and in the exosphere
Space weather impacts on robotic and human
productivity
Radiation bombardment on the lunar surface and
subsurface
16
Matahari
17
Aktivitas Matahari
Solar Min
Solar Max
18
Medan magnetik dan atmosfer Bumi adalah perisai alami yang melindungi manusia dari bahaya radiasi dan tumbukan batuan antariksa
Perisai Alami Bumi
19
Radiasi EM Dan Partikel Dari Matahari
Radiasi elektromagnetik dan angin matahari (solar wind) yang merupakan pancaran partikel (proton, elektron dan ion) energi tinggi
sangat mempengaruhi atmosfer dan medan magnet bumi
ENERGETIC PARTICLES
ELECTROMAGNETIC
RADIATION
SOLAR WIND
MAGNETOSPHERE
POLAR CUSP
20
Aktivitas Matahari Dan Pengaruhnya
Aktivitas Matahari berpengaruh besar terhadap lingkungan antariksa Bumi dan semua planet dalam tata surya
Near-EarthEffects
SolarActivity
21
Badai Geomagnetik
SOLAR WIND
MAGNETOSPHERE
POLAR CUSP
POLAR CUSP
22
Radiasi Elektromagnetik Dari Matahari
X-RAY &
EXTREME ULTRA
VIOLET
NEAR
ULTRA
VIOLET
VISIBLE
LIGHT
INFRARED RADIO
PO
WE
R
WAVELENGTH
10-10
41
52710-3
Prosentase
total energi
Matahari
23
Partikel Energetik Dari Matahari
24
Partikel Energetik Dari Matahari
25
Terjadi akibat tumbukan partikel bermuatan dari magnetosfer
atau angin matahari, dengan bagian atas atmosfer Bumi
Terjadi di ketinggian diatas 80 km (termosfer)
Emisi Oksigen
Hijau atau kecoklatan, bergantung jumlah energi yang diserap
Emisi Nitrogen
Biru jika atom menangkap kembali elektron setelah terisonisasi.
Merah jika kembali ke ground state setelah tereksitasi
Aurora
26
Aurora
27
Aurora Dari Badai Matahari 22 Januari 2012
28
Aurora Australis Diamati Dari ISS
29
Memancarkan radiasi EM mulai dari EUV sampai radio
Aurora
Citra dalam Visual Citra dalam EUV - AURORAL OVAL
30
Aurora
31
3.3.2. Sumber Radiasi Antariksa
32
1. Matahari
Gelombang Elektromagnetik
Partikel Energi Tinggi Angin Matahari
Sinar kosmik → energi keV-MeV
2. Galaksi atau ekstragalaksi
Sinar kosmik → energi MeV-GeV
3. Magnetosfer Bumi → partikel yg terjebak magnetosfer
Sabuk van Allen
Southern Atlantic Anomaly (SAA)
Sumber Radiasi Antariksa
33
Matahari
34
Siklus Matahari 11 Tahun
solar minimum
solar maximum solar maximum
35
Diagram kupu-kupu:
diagram yang menggambarkan siklus Matahari dalam waktudan posisi lintang bintik Matahari;
Siklus berawal (siklus minimum) dari bintik Matahari di lintangtinggi kemudian muncul di sekitar ekuator atau saat siklusmaksimum
Diagram Kupu-kupu
36
Diagram Kupu-kupu
37
Prediksi Siklus Matahari ke-24
Maksimum siklus Matahari
ke-24 diprediksi terjadi pada
bulan Mei 2013, dengan
jumlah bilangan bintik
Matahari sekitar 90. Jumlah
tsb sama dengan jumlah
bintik di awal abad 19. Siklus
ke-24 adalah siklus minimum
perioda 100 tahunanSiklus ke-23: 1996 – 2008
Siklus ke-24: 2008 – 2020Siklus ke-1: 1755
38
Terdiri dari proton, elektron, ion energi tinggi
Berasal dari ledakan Matahari, lontaran massa korona (CME), lubang korona, dll.
Bahaya radiasi terbesar partikel energi tinggi, jika berada dalam siklus Mataharimaksimum
Sebaliknya intensitas maksimum sinar kosmik terjadi saat siklus Matahariminimum
Intensitas dan komposisi bergantung siklus Matahari
Upaya prediksi akurat sangat penting
Partikel Energetik Matahari
39
Partikel Energetik Matahari
Climate Timeline (10 000 tahun)
40
1. Medan Magnet Bumi (Magnetosfer)
2. Atmosfer Bumi
Pelindung Bumi Dari Radiasi Matahari
41
Ledakan Matahari, angin Matahari, badai geomagnetik, pemanasan/pendinginan Bumi …
Cuaca Antariksa
42
Energi tinggi Solar Flares dan CME dapat merusak satelit dan menganggu orbitnya
Komunikasi radio terganggu
Partikel energi tinggi menganggu astronot dan pesawat antariksa
CME menguatkan intensitas aurora (Northern and Southern Lights)
CME meningkatkan aliran listrik di tanah, yang bisa berujung memutuskan jaringan pembangkit listrik
Cuaca Antariksa dan Bumi
43
Galaksi Atau Ekstragalaksi
(Sinar Kosmik)
44
45
85% proton, 14% partikel alpha, 1% inti berat.
Energi dalam MeV-GeV
Dinyatakan dalam Linear Energy Transfer (LET) untuk gambaran efek radiasi
Puncak sekitar 0,2 keV/μm: relativistic protons
GCR: Galactic Cosmic Ray
Komposisi Sinar Kosmik
Matahari
Luar
Matahari
46
Partikel proton, elektron, dan
ion dengan energi sangat tinggi
Bergerak dengan kecepatan
mendekati kecepatan cahaya
Berasal dari ledakan bintang,
inti galaksi, galaksi aktif, dll
Jika memasuki atmosfer Bumi,
maka terjadi hujan sinar kosmik
atau “cosmic-ray air-shower”
Sinar Kosmik
47
Hujan Sinar Kosmik
48
Dosis radiasi sinar kosmik 0,3 Sv/tahun (solar max.) - 1
Sv/tahun (solar min.)
Kuat radiasi bervariasi bergantung siklus Matahari
Radiasi sinar kosmik terkuat saat siklus Matahari minimum
Anti korelasi
Peran radiasi ion energi tinggi belum banyak diketahui
Sinar Kosmik Dan Siklus Matahari
49
Sinar Kosmik Dan Siklus Matahari: Anti korelasi
Siklus Matahari
minimum
50
1. Heliosfer
2. Medan Magnet Bumi (Magnetosfer)
3. Atmosfer Bumi
Pelindung Bumi Dari Radiasi Sinar Kosmis
51
Heliosfer
52
Sinar Kosmik Memicu Pembentukan Awan
(Shaviv 2005)
Sinar kosmik dapat memicu pembentukan awan melalui proses ionisasi sampai lapisan troposfer
53
Sangat berbahaya untuk perjalanan antariksa tanpa proteksi yang memadai
Merusak DNA dan menyebabkan kanker
Detil efek sinar kosmik terhadap manusia masih dalam tahap riset (cosmic-ray intensity vs. radiation dosage, respons DNA untuk perbaikan diri, dll.)
Dampak Sinar Kosmik
54
Bumi
55
Sebelum era ruang angkasa, kemungkinan keberadaan partikelbermuatan yang terperangkap dalam medan magnetik Bumi telahditeliti oleh Kristian Birkeland, Carl Stormer, dan Nicholas Christofilos.
Pada awal 1958, Explorer 1 (kemudian juga oleh Explorer 3) mendeteksi& mengkonfirmasi keberadaan sabuk radiasi yang kelak dinamakansabuk radiasi van Allen. Nama tersebut diambil sebagai penghormatanpada Dr. James van Allen dari University of Iowa yang memimpin misitersebut.
Atmosfer Bumi membatasi wilayah sabuk radiasi di atas 200-1.000 km, dan merentang sampai sekitar 7 radius Bumi. Sabuk radiasi terbataspada area yang merentang sekitar 65° dari ekuator langit.
Penemuan
56
Radiasi yang terperangkap tersebut pertama kali dipetakan oleh
Explorer 4, Pioneer 3 dan Luna 1.
Istilah sabuk van Allen merujuk secara khusus pada sabuk
radiasi yang menyelubungi Bumi, meskipun sabuk radiasi yang
serupa ditemukan juga menyelubungi planet-planet lain.
Keadaan Matahari tidak mendukung sabuk radiasi jangka-
panjang, karena ketidakberadaan medan magnet dipol yang
bersifat global dan stabil.
Penemuan
57
Partikel elektron (7 MeV) dan proton (100 MeV) dan sedikition-ion berat yang terjebak dalam medan magnetik Bumi→sabuk radiasi van Allen
Harus dipertimbangkan untuk wahana yang keluar masukmagnetosfer, misalkan program Apollo
Peta dinamika radiasi sabuk van Allen penting diketahuiuntuk estimasi dosis kuat radiasi bagi keselamatan astronot
Magnetosfer
58
Perisai Magnetosfer
59
Perisai Magnetosfer
60
Merupakan partikel energi tinggi yang terjebak dalam medanmagnetik Bumi
Radiasi Dari Sabuk van Allen
GEOSYNCHRONOUS
ORBITHALF-GEOSYNCHRONOUS
ORBIT (NAVSTAR GPS)
OUTER VAN ALLEN BELT INNER VAN ALLEN BELT
61
Sabuk Radiasi van Allen
62
Merentang dari 3 Re sampai ketinggianGEO, bahkan lebih pada saat aktif (7-9 Re)
Berisi elektron dengan energi ~200 keV– 15 MeV (sebagian besar di bawah 10 MeV)
Sumber utama: angin Matahari danionosfer
Bervariasi mulai dari menit-hari (badaimagnetik, angin Matahari kecepatantinggi) dan hari-tahun (rotasi Matahari, musim, dan siklus Matahari)
Sabuk Elektron: Outer Belt
63
Sumber utama: By-product darisinar kosmis yang memasukimagnetosfer Bumi
Cosmic Ray Albedo Neutron Decay (CRAND)
Populasi proton relatif stabil, tapiberpotensi sesekali mendapatgangguan dari badai geomagnetik, dan bervariasi sesuai dengan siklus11-tahun Matahari
Sabuk Proton: Inner Belt
64
Akibat distorsi medan magnetik Bumi, maka sabuk proton bergerak di ketinggian rendah (sampai 25o km) di daerahAmerika Selatan
Satelit LEO (Low Earth Orbiting) akan terganggu. Satelitbiasanya “dimatikan” saat melewati SAA
South Atlantic Anomaly (SAA)
65
South Atlantic Anomaly (SAA)
66
Effects:• The SAA is of great significance to astronomical satellites and other spacecraft that orbit the
Earth at several hundred kilometers altitude; these orbits take satellites through the anomaly periodically, exposing them to several minutes of strong radiation, caused by the trapped protons in the inner Van Allen belt.
• The ISS, orbiting with an inclination of 51.6°, requires extra shielding to deal with this problem.• The Hubble Space Telescope (HST) does not take observations while passing through the SAA.• Astronauts are also affected by this region which is said to be the cause of peculiar 'shooting
stars' seen in the visual field of astronauts.• Passing through the SAA is thought to be the reason for the early failures of the Globalstar
network's satellites.• The PAMELA experiment, while passing through the SAA, detected antiproton levels that were
orders of magnitude higher than expected. This suggests the Van Allen belt confines antiparticles produced by the interaction of the Earth's upper atmosphere with cosmic rays.
• NASA has reported that modern laptops have crashed when space shuttle flights passed through the anomaly.
• In October 2012, the SpaceX CRS-1 Dragon spacecraft attached to the ISS experienced a transient problem as it passed through the anomaly.
67
3.3.3. Dampak
68
Perjalanan & Bekerja Di Antariksa
69
Near term focus development of Crew Exploration Vehicle replacing Space Shuttle for missions to the ISS and onto moon
Human Exploration Missions
70
Bekerja Di Antariksa
71
Keluar dari perisai alami atmosfer dan medan magnetik
Radiasi elektromagnetik (EM), partikel energi tinggi, sinar kosmik;
bahaya paparan radiasi terhadap manusia dan peralatan
Pancaran partikel, gelombang EM, dll. belum dapat diprediksi
Gravitasi sangat kecil (mikro)
Perlindungan potensi bahaya di atas mengakibatkan tambahan
beban, baik perlindungan pesawat atau baju antariksa
Problema Perjalanan Antariksa
Gangguan kesehatan Sirkulasi darah Otot Tulang
Radiasi Antariksa
Stres, kelelahan Pemulihan
Perjalanan antariksa
Dampak perjalanan antariksa jangka panjang belum diketahui
72
Dampak Fisiologi Perjalanan Antariksa
73
1. Radiasi angkasa luar (Space Radiation)
2. Faktor manusia (Human Factors)
3. Microgravity
Resiko Perjalanan Antariksa
74
1. Space Radiation
Harmful Radiation Effects
Cancer
Tissue degenerative effects (CNS, cardiovascular diseases, cataracts,…..)
Acute radiation sickness
Hereditary effects
Resiko Perjalanan Antariksa
75
2. Human Factors
Behavioral Problems
Disorientation
Sleep problems
Psychosocial problems
Acute Medical Problems
Toxicity
Ambulatory health problems
Resiko Perjalanan Antariksa
Concordia
Mars-500
76
3. Microgravity
Physiological Changes
Cardiac arrhythmia
Osteoporosis
Fluid redistribution (puffy face, shrinked legs….)
Loss of blood plasma, anemia
Muscle loss
Kidney stones
Resiko Perjalanan Antariksa
77
Dampak Biologis
Space Radiation Environment
Bahaya Radiasi Antariksa
Radiation Shielding
Initial Cellular and Tissue DamageDNA breaks, tissue microlesions
DNA repair, Recombination,
Cell cycle checkpoint, Apoptosis, Mutation,
Persistent oxidative damage, & Genomic Instability
Tissue and Immune Responses
Risks:Acute Radiation Syndromes
Cancer
Cataracts
Neurological Disorders
Mitigation:
- Shielding materials
- Radioprotectants
-Pharmaceuticals
Riskj(age,sex,mission)
Risk Assessment:
-Dosimetry
-Biomarkers
-Uncertainties
-Space Validation
Risks:Chronic: Cancer, Cataracts,
Central Nervous System,
Heart Disease
Acute: Lethality, Sickness,
Performance78
79
Partikel energi tinggi dengan z>2, (HZE particles), misalkan ion carbon, nitrogen, oxygen dan besi dalam GCR (galactic cosmic ray), lebih efektifmemberi dampak biologis daripada proton energi tinggi
Absorbed dose is the energy actually deposited in a certain mass of tissue. It does not take into account either the differing biological effects of the different radiation types or the differing responses of different tissue types.
The international unit (SI) is the gray (Gy), which is equivalent to the absorption of 1 Joule of energy per kilogram of mass.
An older unit is the rad. One Gy equals 100 rad.
Kuantitas Radiasi Dan Satuan
80
Equivalent dose accounts for the different
effects the various types of radiation have on
biological tissue. It is calculated by multiplying the
absorbed dose by a radiation-specific weighting
factor (wR) or quality factor determined by the
International Commission on Radiological
Protection (ICRP). The SI unit of equivalent dose is
the sievert (Sv)
The older unit is the rem. One Sv equals 100 rem.
Kuantitas Radiasi Dan Satuan
81
Effective dose accounts for the varying sensitivity to
radiation of different tissue types (skin, bone, brain, etc). It
is a composite whole body dose calculated by multiplying
each tissue type by an ICRP tissue weighting factor (wT) and
summing the weighted equivalent doses. This composite
dose is proportional to the increased risk from cancer and
genetic effects.
The SI unit of effective dose is Sv.
Kuantitas Radiasi Dan Satuan
82
Untuk akut (diterima dalam waktu relatif singkat, sampaisekitar satu jam) full body equivalent dose:
1 Sv menyebabkan mual-mual
2-5 Sv menyebabkan kerontokan rambut, pendarahan, danakan menyebabkan kematian pada kebanyakan kasus
Lebih dari 3 Sv akan berujung pada LD 50/30 (lethal dose, kematian 50% dalam waktu 30 hari)
Di atas 6 Sv kemungkinan sangat kecil bisa selamat.
Dosis Radiasi
83
Bom Atom (mean dose) 200
Wahana antariksa - per tahun 170
Pekerja reaktor - per tahun (max) 20
Radiasi alami - per tahun 2 – 4
Limit radiasi (EU) - per tahun 1
Foto sinar-X 0.05
Kuat Radiasi (mSv)
Radiasi yang diterima astronot per hari ~ 10 kali foto Rontgen
mean Effective Dose (whole-body)
1 Sv = 1 J/kg
10 mSv = 1 rem
84
Bahaya Radiasi
utama
SEP: sporadic, high dose. Shielding generally effective. Acute (deterministic) effects
GCR: chronic, low dose. Shielding poorly effective. Late (stochastic) effects
SEP: solar energetic particle
GCR: galactic cosmic rayAnnual dose on Earth
Daily dose in LEO
CT abdomen/pelvis
Annual dose limit for
radiation workers
AzoospermiaLymphopenia
NauseaVomiting
Haematopoietic syndrome
Chest X-ray film
GI syndrome
CNS syndrome
Pelvis X-ray film
Fibrosis
Skin desquamation
Annual dose in Kerala (India)
Annual cosmic rays at sea level
1
10
100
1000
10000
0.1
100000
85
Berpengaruh pada jaringan sistemsaraf, jantung, mata, pencernaan, dll.
Menyebabkan kemandulan, katarakdan kanker
Perjalanan antariksa menerimaradiasi lebih banyak, tapi perluwaktu beberapa tahun untuktumbuhnya tumor
Bahaya Radiasi Bagi Manusia
86
Kasus kanker kulit yang dipicu radiasipertama kali dilaporkan tahun 1902
Kasus leukemia yang dipicu radiasipertama kali terdengar tahun 1911
1920-an: kanker tulang diantara radium dial painters
1930-an: kanker hati dan leukemia disebabkan pemakaian throtrast
1940-an: ekses leukemia di antararadiologist generasi awal
Bahaya Radiasi
87
The high atomic number-high energy particle component (HZE
particles) of galactic cosmic radiation was discovered in 1948.
Soon after discovery of the HZE particles, C. A. Tobias in 1952
predicted that a visual light flash sensation could be experienced
by individuals exposed to these particles.
Brain injury studies were attempted by Yagoda and co-workers
(1963) and by Haymakerband co-workers (1970) in balloon-
borne mice and monkeys, respectively.
Bahaya Radiasi
88
Tidak ada laporan gangguan radiasi dalam misi Apollo
Astronauts mengalami kilatan cahaya semu, seperti diprediksi C. A. Tobias (1952)
Disebabkan oleh partikel energi tinggi (atau sinar kosmik, z>2) yang masuk retina
Bahaya Radiasi
A human can be killed by exposure to less than 500 rad radiation. However, Deinococcus radiodurans is a bacterium, which can survive exposure to up to 3.000.000 rad of ionizing radiation.
89
Sampel 295 astronauts, berpotensi menderita katarak saat menerima radiasi lebih dari 8 mSv, setelah 4-10 tahun setelah misi
Disebabkan oleh partikel energi tinggi dan sinar kosmik
Katarak
Sumber: Cucinotta et al., Radiat. Res. 156, 460–466 (2001)
90
Perjalanan antariksa jangka panjang, misalkan misi ke Mars selama 3 tahun, dapat menyebabkan kerusakan DNA dan akibat lain yang belum diketahui
Kerusakan DNA
91
Dampak Terhadap Instrumentasi
92
Top: The connected Sun-Earth system. A large coronal mass ejection propagates from the Sun toward Earth and its magnetosphere.Bottom: Space-weather-induced effects on an Earth-orbiting spacecraft: (A) single-event upsets due to energetic ions, (B) deep-dielectric charging due to relativistic electrons, and (C) surface charging due to moderate-energy electrons.
[Sumber: Space Radiation Hazards and the Vision for Space Exploration]
Dampak Space Weather Pada Instrumen
93
Mekanisme:
Pembangkitan muatan baru dan terjebak dalam lapisan elektronik
Sebab:
elektron, proton.
Dampak:
Noise yang tinggi akibat muatan listrik yang tinggi, berakibat gagal fungsi alat
Ionisasi
94
Mekanisme:
Gangguan susunan atom material elektronik
Sebab:
Proton
Dampak:
Mengurangi efisiensi, misal CCD, LED
Kerusakan Material
95
Mekanisme:
Tabrakan partikel energi sangat tinggi menghasilkan ionisasi yang terlokalisasi
Sebab:
Sinar kosmik, partikel (proton) energi tinggi
Dampak:
Lonjakan arus transien, dapat menyebabkan kerusakan permanen
Tabrakan Partikel Tunggal (Single Event)
96
3.3.4. Solusi
97
Prediksi variasi temporal dan spasial partikel energi tinggi dan sinar
kosmis (spektrum, komposisi, propagasi, formasi,dll.)
Peta variasi temporal spasial partikel energi tinggi di magnetosfer
Kadar radiasi
Penyebab kanker/karsinogen
Dampak terhadap sistem saraf
Dampak terhadap katarak, kemandulan, dll.
Mengembangkan obat
Shielding: pesawat dan baju antariksa
Estimasi Kadar Radiasi Dan Shielding
98
Shielding from Huge Solar Particle Events
This as an enormous solar superstorm that
occurred in 1859
Based on Wilson (1997), Townsend (2003), Kim et al. (2005), and Turner (2006)
99
Siklus Matahari Maximum lebih baik & aman
Sinar kosmik berkurang
Partikel energi tinggi bertambah, tapi astronot masih dapatdilindungi
Siklus Matahari Minimum lebih beresiko
Intensitas sinar kosmik tinggi
Aktivitas Matahari dapat secara tiba-tiba meningkat
Strategi Dan Siklus Matahari
100
Universe is for everyone’s dream
and great work