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