Sternengeschichten Folge 318: Die kosmische Strahlung und der Mensch

Das ist die Transkription einer Folge meines Sternengeschichten-Podcasts. Die Folge gibt es auch als MP3-Download und YouTube-Video.

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Sternengeschichten Folge 318: Die kosmische Strahlung und der Mensch

In der letzten Folge der Sternengeschichten habe ich über die kosmische Strahlung gesprochen. Also über geladene Teilchen, die aus verschiedenen Quellen überall im Universum auf die Erde treffen. Diese Teilchen sind Atomkerne und Elektronen und sie stammen von Sternen, von Supernova-Explosionen oder der Umgebung schwarzer Löcher.

Ihre Entdeckung und Erforschung hat uns sehr viel über das Universum verraten. Aber die kosmische Strahlung hat auch einen sehr großen Einfluss auf uns Menschen und unseren Alltag. Fangen wir mal mit der Wissenschaft an. Wenn die Teilchen der kosmischen Strahlung auf die Atome der Lufthülle der Erde treffen, dann kommt es zu Kollisionen. Teilchen prallen mit extrem hohen Geschwindigkeiten und Energien aufeinander und das ist eigentlich nichts anderes, als das was wir heute absichtlich und künstlich in unseren Teilchenbeschleunigern tun.

Gabs in den 1920er Jahren noch nicht…

Nur gab es damals, als man die kosmische Strahlung zu Beginn des 20. Jahrhunderts entdeckt hatte, noch keine Teilchenbeschleuniger. Man hatte keine Möglichkeit, Teilchen künstlich auf hohe Energien zu beschleunigen. Aber man konnte die natürliche Quelle der kosmischen Strahlung nutzen. Viele Jahre lang war die kosmische Strahlung daher die wichtigste Informationsquelle der Teilchenphysiker bei ihren Versuchen, den Aufbau der Materie zu verstehen. Man baute Experimente auf den Gipfeln hoher Berge auf oder flog sie Ballonen in den Himmel – und war erfolgreich. Man konnte in der kosmischen Strahlung viele Teilchen das erste Mal nachweisen. Darunter vor allem sogenannte “Mesonen”, also Teilchen die aus einem Quark und einem Antiquark aufgebaut sind. Solche Teilchen sind instabil; sie existieren nur für Bruchteile von Sekunden bevor sie sich in andere Teilchen umwandeln.

Wenn kosmische Strahlung auf die Atome der Atmosphäre trifft, können bei den Kollisionen solche Mesonen entstehen. Wir merken aber nichts davon, weil sie sofort wieder verschwinden. In Teilchenbeschleunigern kann man dafür sorgen, dass die Kollisionen in unmittelbarer Nähe von entsprechenden Detektoren stattfinden und die Mesonen nachweisen. Und wenn man keine Beschleuniger hat, muss man die Detektoren eben dorthin bringen, wo die Kollisionen stattfinden. Genau das machte man früher und entdeckte dort Mesonen wie zum Beispiel das Kaon oder das Pion. All die neu entdeckten Teilchen waren zuerst ein wenig verwirrend für die Wissenschaftler – führten aber letzen Endes zu einem viel besseren Verständnis der subatomaren Welt.

Aber auch eine ganz andere Disziplin profitiert von der kosmischen Höhenstrahlung. Wenn Archäologinnen und Archäologen zum Beispiel herausfinden wollen, wie alt irgendeines der Dinge ist, die sie aus der Erde graben, nutzen sie dabei die sogenannte “C-14-Methode”. “C-14” steht für “Kohlenstoff-14” und das wiederum bezeichnet ein Isotop des Kohlenstoffs. Also ein Atom des Kohlenstoffs, das nicht 12 Kernteilchen hat wie normalerweise sondern 14. Der schwerere Atomkern macht den Kohlenstoff instabil, er ist also radioaktiv und zerfällt im Laufe der Zeit. Von einer bestimmten Menge C-14 ist nach 5730 Jahre die Hälfte verschwunden; nach weiteren 5730 nochmal die Hälfte der verbleibenden Hälfte, und so weiter.

Wenn man das weiß und wenn man weiß, wie viel C-14 in einem Knochen, einem Stück Holz oder einem anderen Material enthalten ist, das zumindest ein wenig Kohlenstoff enthält, dann kann man daraus berechnen, wie alt es ist. Denn jedes Lebewesen, ob Pflanze oder Tier, braucht Kohlenstoff und besteht aus Kohlenstoff. Und nicht nur aus dem normalen Kohlenstoff sondern immer auch aus ein ganz klein wenig C-14. Der radioaktive Kohlenstoff zerfällt zwar, aber solange etwas lebendig ist, nimmt es immer wieder neuen Kohlenstoff und damit auch neuen C-14 aus der Umgebung auf. Erst nach dem Tod wird nichts mehr nachgeliefert und die Menge an C-14 wird immer weniger. Und aus der Menge die bei der Entdeckung eines archäologischen Fundstücks noch vorhanden ist, kann man berechnen, wie lange es schon tot ist.

Nur: Wieso ist das überhaupt noch C-14? Die Erde ist 4,5 Milliarden Jahre alt. Das ist mehr als genug Zeit damit jedes C-14-Atom das vielleicht irgendwann mal da war, zerfallen konnte. Es muss also einen Prozess geben, der immer wieder neues C-14 erzeugt. Und genau das erledigt die kosmische Strahlung. Sie macht ständig Atome der Erdatmosphäre kaputt, spaltet also Atomkerne auf. Dabei werden die Bausteine der Atomkerne freigesetzt, wozu auch Neutronen gehören. Nun kann so ein Neutron auf Stickstoff treffen, der ja der Hauptbestandteil unserer Atmosphäre ist. Und das Resultat dieser Kollision ist Kohlenstoff-14!

Die kosmische Strahlung ist aber nicht nur für Teilchenphysik und Archäologie interessant. Sondern auch für alle anderen Menschen. Unten am Erdboden müssen wir uns nicht sonderlich darum kümmern, dass da jede Menge hochenergetische Teilchen auf die Erde treffen und radioaktive Atome erzeugen. Die Atmosphäre hält sie auf, lange bevor sie in ausreichend großer Menge am Boden ankommen können. Aber seit einiger Zeit haben wir aufgehört, nur auf dem Erdboden zu leben. Wir steigen zum Beispiel regelmäßig in Flugzeuge die genau dort herumfliegen, wo auch die kosmische Strahlung und die Resultate der von ihr erzeugten Kernreaktionen herumfliegen. Oder anders gesagt: Je weiter man sich vom Erdboden entfernt, desto stärker ist man ionisierender und radioaktiver Strahlung ausgesetzt.

Einmal kurz nach Luxemburg fliegen ist nicht so schlimm…

Ionisierende Strahlung ist ein Problem für uns, denn sie heißt so, weil sie Elektronen aus der Hülle von Atomen entfernen kann. Dann können Moleküle nicht mehr so gut zusammenhalten und auseinanderbrechen. Wir merken das zum Beispiel jedes Mal, wenn wir vergessen uns vor der Sonne schützen und einen Sonnenbrand bekommen, der von der ionisierenden UV-Strahlung verursacht wird. Ein Sonnenbrand ist unangenehm, aber nicht dramatisch. Aber zu viel ionisierende Strahlung kann auch direkt die Zellen im Körper und auch die DNA schädigen. Das Resultat sind Zelltod, Zellmutationen, Krankheiten und im schlimmsten Fall Krebs. Bis zu einem gewissen Grad kann der Körper solche Schäden selbst reparieren. Mit der natürlichen radioaktiven und ionisierenden Strahlung am Erdboden kommen wir normalerweise klar, denn wir haben uns ja auch in genau dieser Umgebung entwickelt.

Aber weiter oben in der Atmosphäre sieht es anders aus. Wer nur ab und zu Mal mit dem Flugzeug durch die Gegend fliegt, muss sich keine großen Sorgen machen. Aber Leute die in solchen Flugzeugen arbeiten und täglich den Erdboden verlassen, sollten vielleicht darauf achten. Ganz besonders gilt das für die, die nicht nur den Erdboden sondern gleich die ganze Erde verlassen: Die Astronautinnen und Astronauten. Sie sind der kosmischen Strahlung direkt ausgesetzt und tatsächlich hat man bei ihnen eine erhöhte Mutationsrate von Zellen nachgewiesen. Die meisten Menschen im All haben sich aber noch nicht sehr weit entfernt. Sie sind immer noch im Bereich in dem sie vom Erdmagnetfeld ein wenig geschützt werden. Denn auch das hält ein bisschen von dem ab, was da aus dem All kommt.

Sollten wir Menschen aber einmal anfangen, länger als ein paar Monate oder vielleicht sogar dauerhaft im All zu leben, müssen wir eine Lösung für das Problem der kosmischen Strahlung finden. Wer dauerhaft auf einer Raumstation lebt, muss damit rechnen, sehr viel wahrscheinlicher und früher an Krebs und anderen durch Zellschädigungen ausgelösten Krankheiten zu leiden bzw. sogar zu sterben. Und auf jeden Fall gilt das für lange Flüge durch den interplanetaren Raum und die Besiedelung anderer Himmelskörper. Im freien Weltall und auf der Oberfläche von Himmelskörpern ohne Atmosphäre oder Magnetfeld wie etwa Mond oder Mars sind wir der kosmischen Strahlung völlig ungeschützt ausgesetzt.

…aber am Mars wohnen kann knifflig werden (Bild: NASA)

Wenn zukünftige Mars-Siedler keine Vorkehrungen treffen, werden sie auf dem Nachbarplaneten nicht lange gesund bleiben beziehungsweise nach der Monatelangen Reise durchs All schon krank dort ankommen. Man müsste sich auf dem Mars tief in den Boden eingraben um eine schützende Gesteinsschicht zwischen sich und die kosmische Strahlung zu bringen. Und wie man sich im Weltall vor kosmischer Strahlung schützen kann, ist derzeit noch unklar. Raumschiffe mit einer ausreichend starken Abschirmung wären viel zu schwer um sie von der Erde ins All zu bringen. Und wie man künstliche Magnetfelder in ausreichend großer Stärke erzeugt, das sie auch schützen und das noch dazu mit Geräten die klein und leicht genug für ein Raumschiff sind, weiß momentan niemand.

Wenn wir irgendwann eine Zukunft im Weltall haben wollen, werden wir uns davor auf jeden Fall noch sehr intensiv mit der kosmischen Strahlung beschäftigen müssen!