宇宙飛行における電離放射線の影響

出典：^{[ 6 ]}

• 宇宙放射線とX線の違いが生物学的損傷に及ぼす影響
• 宇宙空間における線量率に対するリスクの依存性は、DNA修復、細胞制御、組織反応の生物学と関連している。
• 太陽粒子現象（SPE）の予測
• 実験データから人間への外挿、および人間集団間の外挿
• 個々の放射線感受性因子（遺伝的、エピジェネティック、食事、または「健康な労働者」の影響）

出典：^{[ 6 ]}

• 銀河宇宙線環境に関するデータ
• 材料や組織を介した放射線の透過特性に関連する遮蔽評価の物理学
• 微小重力が放射線に対する生物学的反応に及ぼす影響
• 人間のデータにおけるエラー（統計的、線量測定的、または記録上の不正確さ）

がんリスク推定に寄与する不確実性を伝播するための定量的手法が開発されてきた。微小重力の影響が宇宙放射線に及ぼす影響はまだ推定されていないが、小さいと予想される。しかし、微小重力ががんの進行を調節することが示されているため、微小重力と放射線の複合的な発がんへの影響について、さらなる研究が必要である。^{[ 8 ]}酸素レベルの変化や免疫機能障害ががんリスクに 及ぼす影響はほとんど不明であり、宇宙飛行中は大きな懸念事項である。^{[ 6 ]}

宇宙飛行士の放射線被ばく限度は、そのキャリアを通じて致命的な癌による被ばく誘発死亡リスク（REID）の3%を超えないことである。NASAの方針は、この限度を超えないことを95%の信頼水準（CL）で保証することである。これらの限度は、低地球軌道（LEO）でのすべてのミッション、および期間が180日未満の月ミッションに適用される。^{[ 20 ]}米国では、成人労働者の法的職業被ばく限度は、年間実効線量50mSvに設定されている。^{[ 21 ]}

放射線被ばくとリスクの関係は、潜伏効果や男女間の組織の種類、感受性、寿命の違いにより、年齢と性別によって異なる。これらの関係は、NCRP ^{[ 10 ]}が推奨する方法や、より最近の放射線疫学情報^{[ 1 ] [ 20 ] [ 22 ]を使用して推定される。}

合理的に達成可能な限り低く抑える（ALARA）原則は、宇宙飛行士の安全を確保することを目的とした法的要件です。ALARAの重要な機能は、宇宙飛行士が放射線限度に近づかないようにし、そのような限度が「許容値」とみなされないようにすることです。がんやその他のリスク予測モデルに大きな不確実性があることを考えると、ALARAは宇宙ミッションにとって特に重要です。宇宙飛行士の放射線被ばくにつながるミッションプログラムや地上での職業手順では、ALARAを実施するための費用対効果の高いアプローチを見つける必要があります。^{[ 20 ]}

職業上の放射線被ばくによる宇宙飛行士の累積がん死亡リスク（%REID）Nは、生命表法を適用することで求められ、%REIDの値が小さい場合は、組織加重実効線量E _iを合計することで近似できる。

${\displaystyle {\text{リスク}}=\sum _{i=1}^{N}E_{i}R_{0}(\mathrm {年齢} _{i},\mathrm {性別} )}$

ここで、R ₀は単位線量あたりの年齢別および性別放射線死亡率である。^{[ 20 ]}

^{臓器線量計算では、NASA は Billings ら[ 23 ]}のモデルを使用して、水等価質量近似で人体の自己遮蔽を表します。特に SPE ^{[ 24 ]}の場合、車両遮蔽に対する人体の向きがわかっている場合は考慮する必要があります。

職業上の癌リスクの信頼度レベルは、 NPRC がレポート No. 126 ( Wayback Machineに 2014-03-08 でアーカイブ) で規定した方法を使用して評価されます。^{[ 20 ]} これらのレベルは、品質係数と宇宙線量測定の不確実性を考慮して修正されました。^{[ 1 ] [ 20 ] [ 25 ]}

95%信頼水準の評価において考慮された不確実性は、以下の不確実性である。

• 人間の疫学データには、不確実性も含まれる。
  • 疫学データの統計的限界
  • 被ばくコホートの線量測定
  • がんによる死亡の誤分類を含むバイアス、
  • 集団間におけるリスクの移転。
• DDREF係数は、急性放射線被ばくデータを低線量および線量率放射線被ばくにスケーリングするために使用される係数です。
• LETの関数としての放射線品質係数（Q ）。
• 宇宙線量測定

^{NCRPレポートNo.126 [ 26 ]}のいわゆる「未知の不確実性」はNASAによって無視されている。

NPRC ^{[ 10 ]}は、放射線がん死亡リスクを測定するために、二重有害生命表アプローチを推奨しています。人口の年齢別死亡率は、放射線と他のすべての死因による競合リスクを記述しながら、その生涯にわたって追跡されます。^{[ 27 ] [ 28 ]}

年齢a _Eで有効線量Eを受けた均質な集団の場合、年齢区間aからa + 1 での死亡確率は、すべての死因の背景死亡率M ( a ) と放射線がん死亡率m(E,a _E ,a)によって次のように表されます。 ^{[ 28 ]}

${\displaystyle q(E,a_{E},a)={\frac {M(a)+m(E,a_{E},a)}{1+{\frac {1}{2}}\left[M(a)+m(E,a_{E},a)\right]}}}$

年齢aでの曝露E後の年齢aまでの生存確率は次の_とおりである。^{[ 28 ]}

${\displaystyle S(E,a_{E},a)=\prod _{u=a_{E}}^{a-1}\left[1-q(E,a_{E},u)\right]}$

生涯過剰リスク（ELR - 被ばくした個人が癌で死亡する確率の増加）は、被ばく群と非被ばく群の条件付き生存確率の差によって次のように定義されます。^{[ 28 ]}

${\displaystyle \mathrm {ELR} =\sum _{a=a_{E}}^{\infty }\left[M(a)+m(E,a_{E},a)\right]S(E,a_{E},a)-\sum _{a=a_{E}}^{\infty }M(a)S(0,a_{E},a)}$

低LET放射線の場合、最低潜伏期間は10年とされることが多い。^{[ 10 ]} 高LET放射線の場合は、別の仮定を検討する必要がある。REID（集団内の個人が放射線被ばくによる癌で死亡する生涯リスク）は次のように定義される。^{[ 28 ]}

${\displaystyle \mathrm {REID} =\sum _{a=a_{E}}^{\infty }m(E,a_{E},a)S(E,a_{E},a)}$

一般的に、REIDの値はELRの値より10～20%高い。

人口の平均余命損失 LLE は次のように定義されます。^{[ 28 ]}

${\displaystyle \mathrm {LLE} =\sum _{a=a_{E}}^{\infty }S(0,a_{E},a)-\sum _{a=a_{E}}^{\infty }S(E,a_{E},a)}$

曝露による死亡者の平均余命の損失（LLE − REID）は次のように定義されます。^{[ 28 ] [ 29 ]}

${\displaystyle \mathrm {LLE} -\mathrm {REID} ={\frac {\mathrm {LLE} }{\mathrm {REID} }}}$

低LET死亡率（シーベルトm _iあたり）は次のように表される。

${\displaystyle m(E,a_{x},a)={\frac {m_{0}(E,a_{x},a)}{\mathrm {DDREF} }}{\frac {x_{D}x_{s}x_{T}x_{B}}{x_{Dr}}}}$

ここで、m ₀はシーベルトあたりの基準死亡率であり、x _αは関連する確率分布関数 (PDF) P ( X _a )からサンプリングされた値を持つ分位数(確率変数)である。 ^{[ 30 ]}

NCRPは、レポートNo.126で、急性低LETリスク予測に寄与する各因子について、以下の主観的PDF、P(Xa)_を定義しています。 ^{[ 30 ] [ 31 ]}

1. P_{線量測定と}は、原子爆弾の爆発被爆生存者が受けた線量の推定における、ランダム誤差と系統誤差のことである。
2. P_統計は、リスク係数r0の点推定値の不確実性の分布です。
3. P_バイアスとは、がんによる死亡者数の過剰報告または過少報告によって生じるあらゆるバイアスを指す。
4. P_{トランスファーと}は、放射線被ばく後の癌リスクが日本人から米国人へ移転する際の不確実性のことである。
5. P _{Dr は}、DDREF に具体化されている、低線量および低線量率へのリスクの外挿に関する知識の不確実性です。

年齢と性別に応じた単位線量あたりの死亡率に放射線品質係数を乗じ、DDREFで減算したものが、生涯の癌死亡リスクを予測するために使用されます。急性ガンマ線被ばくが推定されます。^{[ 10 ]} また、放射線場の各成分の影響の加算性も仮定されます。

割合は、日本の原爆被爆者から収集したデータを用いて概算される。日本人から米国人へのリスク移転を検討する際には、2つの異なるモデルが考慮される。

• 乗法伝達モ​​デル – 放射線リスクは自然発生がんまたは背景がんのリスクに比例すると仮定する。
• 加法伝達モデル – 放射線リスクは他の癌リスクとは独立して作用すると仮定する。

NCRPは、両方の方法からの寄与率を含む混合モデルを使用することを推奨しています。^{[ 10 ]}

放射線死亡率は次のように定義される。

${\displaystyle m(E,a_{E},a)=\left[\mathrm {ERR} (a_{E},a)M_{\text{c}}(a)+(1-v)\mathrm {EAR} (a_{E},a)\right]{\frac {\sum _{L}Q(L)F(L)L}{\mathrm {DDREF} }}}$

どこ：

• ERR = シーベルトあたりの過剰相対リスク
• EAR = シーベルトあたりの過剰な追加リスク
• M _c (a) = 米国人口における性別および年齢別の癌死亡率
• F = 組織加重フルエンス
• L = LET
• vは、乗法型リスク移転モデルと加法型リスク移転モデルの仮定間の分数分割を表します。固形がんの場合、v=1/2と仮定され、白血病の場合、v=0と仮定されます。

物質による遮蔽は銀河宇宙線に対して効果的ですが、薄い遮蔽では二次放射線が増加するため、高エネルギーの放射線の一部に対しては問題が悪化する可能性があります。^{[ 34 ]}例えば、ISSのアルミニウムの壁は放射線被ばくの正味減少をもたらすとされています。しかし、惑星間空間では、薄いアルミニウム遮蔽では放射線被ばくの正味増加をもたらすとされており、二次放射線を遮断するにはより厚い遮蔽が必要になります。^{[ 35 ] [ 36 ]}

宇宙放射線遮蔽の研究には、研究対象の遮蔽材に加えて、組織等価または水等価遮蔽も考慮に入れるべきである。このことは、感受性の高い臓器の平均的な組織自己遮蔽が約10cmであること 、そして低エネルギー陽子、ヘリウム、重イオンなど組織内で発生する二次放射線は線エネルギー付与（LET）が高く、銀河宇宙線（GCR）による全体的な生物学的損傷に大きく寄与（25%以上）することから容易に理解できる。アルミニウム、ポリエチレン、液体水素、その他の遮蔽材の研究には、一次放射線と二次放射線に対するそれらの複合効果に加え、組織内で発生する二次放射線を抑制する能力も考慮に入れるべきである。

計画されている有人惑星間宇宙飛行における放射線被ばくの危険性を軽減するためのいくつかの戦略が研究されている。

• 宇宙船はアルミニウムではなく、水素を豊富に含むプラスチックで製造することができる。^{[ 37 ]}
• 質量と物質による遮蔽：
  • 燃料としてよく用いられる液体水素は、比較的良好な遮蔽効果を発揮する一方で、二次放射線の発生量は比較的少ない。そのため、燃料を乗組員の周囲に遮蔽材として配置することが可能である。しかし、機体が燃料を消費するにつれて、乗組員の遮蔽効果は低下していく。
  • 淡水または廃水は遮蔽に寄与する可能性がある。^{[ 38 ]}
  • 小惑星は遮蔽物として機能する可能性がある。^{[ 39 ] [ 40 ]}
• 帯電グラフェンをベースとしたガンマ線に対する光活性放射線遮蔽材では、吸収パラメータは負電荷の蓄積によって制御できる。^{[ 41 ]}
• 荷電放射線粒子の磁気偏向および/または静電反発は、純粋な従来の質量遮蔽に代わる仮説的な方法として研究されている。理論的には、5メートルのトーラスに必要な電力は、単純な純粋な静電遮蔽（宇宙電子によって過剰に放電される）の場合の過剰な10 GWから、ハイブリッド設計を使用することで適度な10キロワット（kW）に低下する。 ^{[ 35 ]}しかし、このような複雑なアクティブ遮蔽は試されておらず、その実現可能性と実用性は、物質遮蔽よりも不確実である。^{[ 35 ]} 

太陽陽子イベントから身を守るための特別な対策も必要となる。太陽陽子イベントが発生すると、陽子のフラックスが数ヶ月や数年ではなく、数時間や数日で乗組員を死に至らしめるレベルまで上昇する可能性がある。潜在的な緩和策としては、宇宙船の給水設備の後ろに小さな居住空間を設けるか、壁を特に厚くするか、あるいは地球の磁気圏によって提供される保護環境へ緊急脱出する選択肢を設けることなどが挙げられる。アポロ計画では、これら両方の戦略を組み合わせた。太陽陽子イベントの発生が確認されると、宇宙飛行士は月着陸船よりも厚いアルミニウムの壁を持つ司令船に移動し、地球へ帰還した。後に、アポロ計画で使用された機器による測定結果から、司令船は乗組員に重大な危害を与えるのを防ぐのに十分な遮蔽効果を発揮したことが判明した。

これらの戦略のいずれも、現在の打ち上げ価格（約10,000ドル/kg）でペイロードの質量に制限されるであろう条件を満たしつつ、十分であることが知られている保護方法を提供するものではありません^{[ 42 ] 。シカゴ大学名誉教授のユージン・パーカーなどの科学者は、すぐに解決できるとは楽観視していません[ 42 ]} 。受動的な質量遮蔽の場合、経済状況の変化（仮説上の非ロケットによる宇宙打ち上げや地球外資源の利用など）なしには、必要な量が重すぎて手頃な価格で宇宙に打ち上げることができない可能性があります。妥当なサイズの乗員区画では、数百トンにもなります。たとえば、NASAの野心的な恒久的な大型宇宙ステーションの設計研究では、放射線被ばくを年間2.5 mSv（±2倍の不確実性）に抑えるために、1平方メートルあたり4トン（441g/cm2）の二酸化ケイ素遮蔽を想定していました。これは、地球上の人口密集地で自然放射線が高い地域 で数十ミリシーベルト以上になるのに比べ、はるかに低い値です。この設計は長期居住を想定しており、そのため低被ばく目標が設定され、理論的には月面から月質量推進器の打ち上げ材料を介して入手できる最適ではない遮蔽材を使用するという前提に基づいていた。 ^{[ 34 ]}水やアルミニウムとポリエチレンの層など、より質量効率の良い遮蔽材を使用することで、NASAは宇宙船の理想的な遮蔽目標を設定しており、それでも少なくとも20g/cm2が必要となる。この種の質量は小型の一時的なシェルターには実現可能だが、現在の打ち上げ経済性では居住区全体には依然としてほとんど実現不可能である。^{[ 43 ]}

受動遮蔽よりも質量が少ない可能性のある能動遮蔽方法がいくつか検討されているが、それらは依然として推測の域を出ない。^{[ 35 ] [ 44 ] [ 45 ]}厚い遮蔽材を最も遠くまで透過する放射線の種類は、惑星間空間の奥深くにある GeV の正に帯電した原子核であるため、反発静電場が提案されているが、これにはプラズマ不安定性や、電荷が深宇宙の電子によって中和されないように常に加速器に必要な電力などの問題がある。^{[ 46 ]}より一般的な提案は、超伝導体（またはプラズマ電流）によって生成される磁気遮蔽である。この提案の難点の 1 つは、コンパクトなシステムの場合、有人宇宙船の周囲に最大 20テスラの磁場が必要になる可能性があり、これはMRI装置の数テスラよりも高い。このような高磁場は MRI 患者に頭痛や片頭痛を引き起こす可能性があり、このような磁場への長時間の曝露は研究されていない。反対向きの電磁石設計は宇宙船の乗員区画内の磁場を打ち消す可能性があるが、より多くの質量が必要となる。また、磁場と静電場の組み合わせを使用することも可能であり、その場合、宇宙船の総電荷はゼロとなる。ハイブリッド設計は理論的には問題を軽減するが、複雑で実現不可能となる可能性がある。^{[ 35 ]}

不確実性の一因は、銀河宇宙線への人体曝露の影響が定量的に十分に解明されていないことにある。NASA宇宙放射線研究所は現在、生物への放射線の影響と防護遮蔽について研究を進めている。

宇宙船を有害な宇宙放射線から保護することに重点を置いた受動的および能動的な放射線遮蔽方法とは別に、宇宙飛行士用の個別化された放射線防護服の設計に大きな関心が寄せられています。このような放射線遮蔽方法を選択する理由は、受動遮蔽では、宇宙船に一定の厚みを加えると、宇宙船の質量が数千キログラム増加する可能性があるためです。^{[ 47 ]}この質量は打ち上げの制約を超え、数百万ドルの費用がかかります。

一方、能動放射線遮蔽法は、試験と実装の面ではまだ遠い新興技術である。能動遮蔽と受動遮蔽を同時に使用しても、ウェアラブル防護遮蔽は、特に、一般的にGCR粒子よりも透過力の低い粒子で構成されるSPEの健康影響を軽減するのに役立つ可能性がある。^{[ 48 ]}この種の防護具に提案されている材料は、ポリエチレンやその他の水素を豊富に含むポリマーであることが多い。^{[ 49 ]}水も遮蔽材として提案されている。ウェアラブル防護ソリューションの限界は、乗員の容積内での動きなど、乗員のニーズと人間工学的に適合する必要があることである。宇宙放射線に対するウェアラブル防護の作成の試みの1つは、イタリア宇宙機関によって行われ、SPEの到来信号でリサイクル水を充填できる衣服が提案された。^{[ 50 ]}

イスラエル宇宙機関、StemRad、Lockheed Martinの共同開発によりAstroRadが開発され、ISSで試験が行われた。この製品は人間工学的に適切な保護ベストとして設計されており、SPEによる実効線量を機内シェルターと同程度に最小限に抑えることができる。^{[ 51 ]}また、睡眠などの日常的な活動中にミッション中に広く使用することで、GCRの実効線量をわずかに低減する可能性もある。この放射線防護服は、BFO、胃、肺、その他の内臓など、放射線に敏感な臓器のほとんどを保護するために選択的遮蔽方法を使用しており、それによって質量ペナルティと打ち上げコストを削減している。

もう一つの研究分野は、放射線によって引き起こされた損傷を修復する身体の自然な能力を高める薬剤の開発です。検討されている薬剤には、抗酸化作用を持つビタミンであるレチノイドや、細胞分裂を遅らせる分子などがあり、有害な突然変異が複製される前に身体が損傷を修復する時間を与えます。

また、人体が宇宙旅行の過酷な環境に耐えられるようになるには、大幅な改良と改造が必要であるという指摘もある。技術的な解決策のように自然の基本法則に制約されるわけではないものの、これは現在の医学の範疇をはるかに超えている。

宇宙飛行士が宇宙線に被曝することによる潜在的な悪影響を考慮すると、太陽活動は将来の宇宙旅行において重要な役割を果たす可能性がある。太陽活動が活発な時期には太陽系内の銀河宇宙線フラックスが低下するため、太陽活動極大期に惑星間旅行を行うことで、宇宙飛行士への平均被曝量を最小限に抑えることができると考えられる。

コロナ質量放出時のフォーブッシュ減少効果は銀河宇宙線のフラックスを一時的に低下させる可能性があるが、その効果の持続時間が短い（1～3日）ことと、CMEが危険な太陽陽子イベントを発生させる確率が約1％であることから、CMEに合わせてタイミングミッションを実施することの有用性は限られている。

地球の放射線帯からの放射線被ばく量は、通常、放射線帯を避ける軌道、あるいは比較的短時間で放射線帯を通過する軌道を選択することによって軽減されます。例えば、軌道傾斜角の小さい低地球軌道は、一般的に内側の放射線帯よりも低い位置にあります。

地球・月系の軌道は、ラグランジュ点L2～L5_{に位置し、}その軌道上の約3分の2の期間は地球の磁気圏の保護圏外にある。

地球・太陽系のラグランジュ点L1およびL3 _～ L5の軌道は_、常に地球の磁気圏の保護範囲外にある_。