Le Radiazioni Ionizzanti e l'Esplorazione Umana dello Spazio.

Cosa sono le radiazioni ionizzanti.

Nel 1895 Wilhelm Roentgen scoprì che applicando un'elevata differenza di potenziale tra due elettrodi (in genere un filamento e una placchetta metallica), montati in un'ampolla di vetro nella quale venga fatto il vuoto, si generano radiazioni in grado di attraversare un rivestimento a tenuta di luce e attivare uno schermo fluorescente posto a una certa distanza. Scoprì anche che queste radiazioni (che lui stesso chiamò "raggi X") hanno la capacità di attraversare la materia venendo assorbiti in modo diverso a seconda della densità del materiale che attraversano. Sfruttando questa proprietà lo stesso Roentgen fece la prima radiografia, aprendo la strada all'esplorazione "non invasiva" (cioè, senza strumenti chirurgici) degli organismi viventi.

Poco dopo la scoperta di Roentgen, Henri Becquerel, scoprì che "raggi" con le stesse proprietà di quelli scoperti da Roentgen venivano emessi anche da sali di uranio, senza quindi la necessità di apparecchiature per produrli, e i coniugi Pierre e Marie Curie (anche loro in Fig. 1) isolarono dai minerali ai quali si trovano legati in natura altri elementi (radio e polonio), identificandoli come in grado di emettere radiazioni, cioè "radioattivi".

Sappiamo oggi che il fenomeno osservato da Roentgen è provocato dagli elettroni che vengono frenati dal materiale dell'elettrodo e cedono la loro energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche. I minerali radioattivi studiati da Becquerel e dai Curie contengono invece degli elementi con un elevato numero di protoni e di neutroni nel nucleo, che li rende instabili. Cercano quindi di raggiungere la stabilità frantumandosi in elementi più leggeri e in questo processo possono emettere non solo radiazioni elettromagnetiche (che in questo caso si chiamano "raggi g") ma anche particelle a(nuclei di elio, cioè due neutroni e due protoni) e b (+ o - a seconda si tratti di elettroni o positroni). Tutti questi tipi di radiazione hanno in comune la capacità di produrre ionizzazioni nel materiale che attraversano.

I loro effetti biologici: cosa sono e come si producono.

Anche se già pochi anni dopo la loro scoperta le radiazioni vennero impiegate per irradiare tumori (facendo così nascere la radioterapia) si sono dovuti aspettare diversi altri decenni perchè fosse chiaro il meccanismo con il quale le radiazioni ionizzanti interagiscono con i tessuti biologici, quasi sempre portando a modificazioni che rappresentano danni per le strutture coinvolte.

Quando le radiazioni ionizzanti interagiscono con un qualsiasi materiale il primo effetto è la cessione di energia dalle radiazioni alle molecole del materiale irradiato. Queste molecole possono quindi innescare reazioni che producono altri effetti indiretti (come, ad esempio, ionizzazioni secondarie). Se ad essere irradiato è un organismo vivente, il primo livello di organizzazione strutturale ad essere colpito sono le grandi molecole basate sul carbonio che ne costituiscono la base. Queste possono sia venire distrutte che modificate nella forma e quindi nella funzione: queste primissime lesioni possono poi interagire tra loro e portare ad amplificare il danno iniziale prodotto. Gli effetti di questi danni si possono in seguito tradurre in un danno cromosomico, cioè in un danno alle strutture della cellula del tessuto irradiato dove si conserva l'informazione genetica, vale a dire il progetto completo delle caratteristiche che la rendono in grado di svolgere le funzioni che le sono assegnate, espresse come una parte per così dire "attivata" del progetto dell'intero organismo, anch'esso conservato nei cromosomi stessi. Un danno cromosomico può avere per la cellula esiti diversi, che vanno dalla morte della cellula stessa alla sua degenerazione, ad esempio in cellula tumorale; se poi la cellula colpita partecipa alla riproduzione il danno può venire trasmesso anche alla discendenza. Tuttavia, la vita sulla Terra ha dovuto evolversi in un campo di radiazioni e si sono così evoluti dei meccanismi che sono in grado di contrastare il danno, se questo non è troppo grave: la cellula può quindi andare incontro ad una riparazione del danno o a una sua fissazione, cioè al ripristino delle sue funzioni nonostante il danno subito. Se il danno non può venire riparato si sviluppano effetti cellulari che, considerando le cellule come parti di un tessuto, portano a reazioni tissutali, con alterazioni della fisiologia del tessuto coinvolto o una sua degenerazione: uno di questi effetti è ad esempio la dermatite da raggi, un'infiammazione cutanea dovuta all'esposizione a dosi elevate di raggi X, già osservata il 29 gennaio 1896 dal medico francese Grubbè. A questi fanno seguito effetti acuti, cioè lo svilupparsi di tutta una serie di sintomi, che variano a seconda della quantità e della qualità delle radiazioni assorbite, come perdita dei capelli, nausea e vomito, provocati dal sommarsi dei danni in diversi tessuti e dalle conseguenti alterazioni delle funzioni fisiologiche di questi tessuti. A distanza poi di anni dall'irradiazione possono comparire anche effetti tardivi, rappresentati sostanzialmente dallo sviluppo di tumori insorti in seguito ai danni cromosomici avvenuti anche più di un decennio prima.

Come si misurano le radiazioni ionizzanti.

Tra le diverse grandezze che caratterizzano le radiazioni ionizzanti ve ne sono tre, collegate tra loro, di particolare interesse per una descrizione dei loro effetti sugli organismi viventi: la dose assorbita, la dose equivalente e il LET (trasferimento lineare di energia).

La dose assorbita è definita come la quantità di energia che viene liberata dalle radiazioni ionizzanti per unità di massa, ed è la grandezza che misurano gli appositi strumenti chiamati dosimetri. Il suo significato è del tutto generale, e non legato specificamente all'interazione delle radiazioni con tessuti biologici: è solo una grandezza che dà conto, per così dire, della "quantità" di radiazioni che hanno colpito il tessuto, indipendentemente dalla loro "qualità". Tuttavia l'effetto delle radiazioni non dipende solo dalla quantità di energia che rilasciano nei tessuti, ma anche da tutta una serie di altri fattori, di carattere chimico, fisico e biologico. Tra questi uno dei più importanti è il "trasferimento lineare di energia" (abbreviato con LET) che è definito come la quantità di ionizzazioni che la radiazione provoca lungo la traccia, divisa per la lunghezza della traccia. Questa grandezza permette di "qualificare" le radiazioni sulla base delle ionizzazioni prodotte rendendo così possibile inviduarle genericamente come "ad alto LET" oppure "a basso LET". Alcuni esempi, mostrano come passando dai protoni, alle particelle,a agli ioni il LET aumenti, cioè intorno alla traiettoria della particella (la cosiddetta "traccia") si formino sempre più ionizzazioni. L'importanza di queste differenze è messa in evidenza nella stessa figura, dove si confrontano le possibili ionizzazioni provocate da elettroni e da particellea su una molecola di DNA: si può osservare facilmente che più il LET è elevato e maggiore è la probabilità che la radiazione provochi un danno alla molecola con la quale interagisce. Il principio generale che se ne ricava è quindi che più è elevato il LET e più la radiazione è dannosa, a parità di altre condizioni. Tra queste vi possono essere ad esempio un fattore chimico (dovuto alla presenza o meno nei tessuti di molecole che possano schermare l'effetto delle radiazioni) o un fattore specie (un uguale tipo di radiazioni non ha lo stesso effetto su tutte le specie viventi). Per tener conto di tutti questi possibili fattori la misura di dose dev'essere normalizzata in modo tale da poter confrontare l'effetto di diverse tipi di irradiazione, moltiplicandola per un "fattore di qualità". Il fattore di qualità della radiazione può assumere valori che vanno da 1 (per X e g) a 20 (per le particelle a), cioè la stessa dose assorbita può avere effetti che sono 20 volte maggiori a seconda della qualità della radiazione che l'ha provocata. Un'apposita commissione internazionale, la ICRP (International Commission for Radiation Protection) stabilisce periodicamente delle tabelle dove, per ogni tipo di radiazione, sono riportati i relativi fattori di qualità. Va poi tenuto conto della differenza esistente tra la dose che può venire rilasciata in un singolo organo, definita dose equivalente, e la dose rilasciata nell'intero organismo, definita dose efficace. Entrambe queste grandezze si misurano in Sievert (abbreviato con Sv), e sono di importanza fondamentale per l'utilizzo pratico delle radiazioni ionizzanti: ad esempio i limiti di esposizione alle radiazioni ionizzanti vengono stabiliti dalla ICRP sulla base di valori massimi di dose efficace o di dose equivalente che possono venire assorbite prima che la probabilità che si sviluppino danni irreversibili divenga intollerabilmente elevata. Lo stesso principio, come vedremo, si applica anche ai viaggi spaziali e, ad esempio, le schermature necessarie vengono calcolate sulla base della dose equivalente totale che l'equipaggio potrebbe assorbire durante la sua permanenza nello spazio.

Il campo di radiazioni terrestre.

Il grafico in Fig. 3 riporta la distribuzione percentuale delle diverse sorgenti di radiazioni, naturali e artificiali, che costituiscono il campo di radiazioni terrestre. Come si è visto, fin da subito dopo la loro scoperta le radiazioni ionizzanti prodotte artificialmente sono state utilizzate a scopo medico, e sono oggi impiegate anche in ambito industriale. Queste diverse applicazioni contribuiscono per un 30% al fondo ambientale sotto forma di sorgenti artificiali. Le sorgenti di radiazione naturali, invece, costituiscono oggi il 70% del fondo ambientale, contribuendo al totale con un 40% di radiazione esterna (le radiazioni provengono cioè da suolo, acque e aria dove sono presenti sostanze radioattive naturali come, ad esempio, il Radon 222 o il Potassio 40) e un 15% di radiazione interna (dovuta all'inalazione o all'ingestione di elementi radioattivi naturali, ad esempio il Radon 222 è un gas e può quindi essere anche inalato mentre il Potassio 40 si può anche ingerire coi cibi). Il restante 15% è costituito dalle radiazioni che V.F. Hess scoprì tra il 1909 e il 1912 venire dallo spazio (i cosiddetti "raggi cosmici"). Di questi fanno parte radiazioni cosmiche primarie (protoni, particelle a), radiazioni solari (ancora protoni e particelle a, ma anche elettroni, neutroni e fotoni infrarossi, ultravioletti, X e g) e radiazioni secondarie atmosferiche, prodotte dall'interazione delle radiazioni cosmiche primarie con le particelle incontrate nell'atmosfera.

Il campo di radiazioni spaziale.

Diverse regioni dello spazio hanno in genere campi di radiazioni molto diversi, e anche diverse traiettorie intorno alla Terra possono incontrare campi di radiazioni assai diversi. Questo perchè, come riportato in Fig. 4, il campo di radiazioni spaziale varia molto in composizione e intensità in funzione della distanza dalla Terra, a causa del campo magnetico terrestre che svolge un'importante funzione di schermo nei confronti delle radiazioni che provengono dal Sole e dallo spazio esterno, deflettendone la maggior parte e intrappolando le rimanenti nelle cosiddette fasce di Van Allen. Questo comporta che missioni spaziali che si svolgano su orbite diverse e a diverse distanze dalla Terra incontrino radiazioni ionizzanti con caratteristiche del tutto differenti. Le più sfavorite da questo punto di vista, cioè quelle che comportano una dose totale più significativa rispetto ad altre, sono le orbite polari, che si svolgono in punti dove il campo magnetico non ha la sua azione di schermo ma presenta, viceversa, delle zone di accumulo delle particelle deflesse dovute alla forma delle sue linee di forza. In generale le orbite più basse (LEO, fino a circa 500 km) incontrano soprattutto protoni intrappolati nelle fasce di Van Allen: queste particelle coprono un grande spettro di energie, LET e contributi alla dose, sono però globalmente non molto penetranti e danno quindi un piccolo contributo alla dose totale. Salendo di quota, tra 3 e 12 raggi terrestri (il raggio della Terra è di circa 6400 km) si incontrano gli elettroni intrappolati nelle fasce di Van Allen: questi hanno basso LET, non sono molto penetranti e quindi facilmente schermabili, hanno intensità non costante e forniscono anch'essi un piccolo contributo alla dose totale. Lo stesso tipo di radiazione si incontra anche nelle orbite geostazionarie (GEO), che si svolgono a circa 36000 km di distanza dalla Terra, dove però il maggiore contributo alla dose è dato da particelle di origine solare (SPE) e raggi cosmici. Questi ultimi sono costituiti da protoni, particelle a e ioni più pesanti, hanno grande varietà in energia e LET, sono molto penetranti e danno un contributo alla dose significativo, hanno però il vantaggio di essere distribuiti uniformemente e di essere stabili nel tempo, e di permettere quindi di approntare le contromisure più appropriate una volta note le loro caratteristiche. Oltre che nelle orbite geostazionarie i raggi cosmici si incontrano in traiettorie al di fuori della magnetosfera, sulla luna e nello spazio interplanetario. Un discorso a parte meritano invece le particelle di origine solare, che, anche se con composizione simile a quella dei raggi cosmici (sono infatti principalmente protoni, insieme a piccole quantità di particelle a e di ioni più pesanti) forniscono un elevato contributo alla dose totale e portano con loro i problemi legati ad un'elevatissima variabilità nell'intensità. Eventi solari anomali improvvisi (AL SPE) infatti, come i brillamenti solari, possono rilasciare senza preavviso e in brevissimo tempo elevatissime dosi di radiazioni, generando vere e proprie tempeste di radiazioni ionizzanti pressoché impossibili da schermare. Questo, come vedremo, è uno degli aspetti più importanti dei quali tener conto quando si cercano di stimare le dosi assorbite nel corso di diverse possibili missioni.

Esperimenti di radiobiologia nello spazio.

Prima di occuparsi in dettaglio della stima delle dosi totali assorbite nel corso di alcune missioni spaziali occorre però cercare di rispondere ad una domanda: è diverso l'effetto biologico delle radiazioni ionizzanti nello spazio? Tra i molti elementi che differenziano l'ambiente terrestre da quello spaziale due sono le differenze fondamentali che si può pensare influiscano sull'effetto biologico: il peculiare campo di radiazioni spaziale e la condizione di microgravità. Quest'ultima condizione induce infatti tutta una serie di modifiche su diversi sistemi e apparati dell'organismo (cardiovascolare, scheletrico, ecc.) ed è possibile che abbia anche effetto sui danni che le radiazioni ionizzanti inducono. I possibili esperimenti per verificare una tale ipotesi sono sostanzialmente di tre tipi: esperimenti a terra, simulando le condizioni di volo (ad esempio con voli parabolici che riescono a raggiungere condizioni di microgravità per una ventina di secondi per ogni parabola); esperimenti in volo, quindi direttamente nel corso delle missioni spaziali; esperimenti simultanei a terra e in volo con il successivo confronto tra i risultati ottenuti. Le difficoltà che si incontrano nella realizzazione di questi programmi sperimentali sono diverse. Tra queste, il problema posto dall'impiego di una strumentazione complicata (e dei possibili effetti delle radiazioni anche su di essa); la difficoltà di gestire campioni biologici; la possibile difficoltà nel correlare l'effetto alla causa, cioè nello stabilire con certezza che un evento si sia realizzato per effetto delle radiazioni ionizzanti e non per una qualche altra causa concomitante. Le possibili soluzioni che di fatto vengono adottate sono l'utilizzo di una strumentazione il più possibile semplice; l'utilizzo di organismi semplici e quindi con difficoltà di gestione limitata, come semi di piante, piante, insetti e, per ovviare all'ultimo problema, l'impiego di una disposizione sperimentale con rivelatori di radiazioni e contenitore dei campioni strettamente connessi tra loro, come nel BIOSTACK progettato ed impiegato dall'Agenzia Spaziale Europea (ESA). Sulla base di queste osservazioni sono stati svolti finora un gran numero di esperimenti, ad esempio dai satelliti della serie Cosmos (su uno di questi era stata installata una sorgente artificiale di radiazioni gemella di una tenuta a terra in modo da poter confrontare l'effetto di una stessa dose di radiazioni nei due ambienti, spaziale e terrestre) o dal laboratorio spaziale Skylab, e molti ne sono stati svolti nell'ambito, ad esempio, delle attività della stazione spaziale MIR. I risultati di questi esperimenti portano a concludere che gli effetti biologici delle radiazioni ionizzanti nello spazio sono differenti dagli effetti sulla Terra. Infatti, si sono osservati una maggior incidenza di mutazioni (cioè di alterazioni genetiche) sui campioni in volo, una maggior difficoltà delle cellule nel reagire alle radiazioni e, come conseguenza, un aumento del rischio che si sviluppino tumori. Rimangono tuttavia ancora tutta una serie di aspetti da analizzare, come l'interazione tra gli effetti di più radiazioni (gli effetti si sommano semplicemente oppure si ha una sinergia, cioè un effetto di potenziamento del danno dovuto alla presenza di tipi diversi di radiazione?) e l'estensione degli studi a sistemi cellulari più complessi. Gli esperimenti compiuti finora sono comunque stati importanti anche per verificare l'efficienza delle schermature, o per sperimentare nuovi metodi di radioprotezione. Ad esempio, mentre sulla Terra le radiazioni possono venire schermate con materiali come il piombo la sua elevata densità lo rende difficilmente utilizzabile per schermare gli abitacoli delle capsule spaziali. Non volendo tuttavia rinunciare all'impiego di schermi "fisici" (e lasciando per ora al futuro "magnetosfere artificiali" o schermi elettrici) si sono dovuti selezionare materiali relativamente leggeri ma che assorbissero comunque un'elevata quantità di radiazioni. Uno dei più efficienti e maneggevoli di questi schermi è risultata essere la sovrapposizione di due fogli di allumino con spessori diversi opportunamente calibrati: nel primo foglio avviene l'interazione delle radiazioni primarie (che quindi non proseguono verso l'interno dell'abitacolo) e con il secondo interagiscono le eventuali radiazioni secondarie che la prima interazione ha prodotto.

Stima della dose totale assorbita nel corso di missioni spaziali.

I fattori principali che differenziano tra loro le possibili missioni spaziali sono sostanzialmente due: la traiettoria che si deve compiere (se, cioè, sia necessario o meno uscire dall'azione di schermo della magnetosfera terrestre) e la durata della permanenza nello spazio. Il primo di questi fattori influisce, come si è visto, sulla qualità delle radiazioni che si incontrano, mentre il secondo comporta un aumento del rischio di danni dovuto all'accumularsi degli effetti delle radiazioni. Per questo quando si parla di dose massima ammissibile si identifica non solo una dose totale di riferimento da non oltrepassare, ma anche la quantità di tempo in cui questa dose può venire assorbita: questo perché esistono differenze negli effetti non solo di dosi diverse ma anche di stesse dosi assorbite con diverse modalità temporali, dovute ad esempio all'efficienza dei processi di riparazione dei quali si è accennato nella sezione relativa agli effetti biologici delle radiazioni ionizzanti. La stessa Commissione che stabilisce i fattori di qualità per le radiazioni (ICRP) fornisce anche delle indicazioni su quale sia la massima dose totale ammissibile, intesa come la massima dose per cui il rischio di danni irreversibili si mantenga entro limiti considerati tollerabili. Le singole nazioni identificano poi autonomamente dei criteri più o meno restrittivi di queste indicazioni e forniscono le dosi massime ammissibili, in genere suddividendole a seconda che si consideri la normale popolazione (per la quale i limiti sono più stringenti) o le persone che possono più facilmente venire a contatto con radioattivi, ad esempio per ragioni professionali. In quest'ultimo caso (dei cosiddetti "lavoratori esposti per ragioni professionali") il limite di dose assorbita totale è di 0.02 Sv/anno (Sievert per anno), mediata su un periodo di cinque anni, limite che occorrerà tener presente nella valutazione delle stime effettuate.

I possibili scenari di missione spaziale sono sostanzialmente quattro: una missione in orbita geostazionaria, una missione lunare, la permanenza in una stazione spaziale ed una missione interplanetaria (ad esempio su Marte). Nel caso dell'orbita geostazionaria (altezza circa 36000 km, 0° di inclinazione rispetto all'equatore) le radiazioni ionizzanti che forniscono un contributo alla dose totale sono gli elettroni delle fasce di Van Allen e i raggi cosmici di origine galattica: ipotizzando una permanenza di 15 giorni si può stimare una dose totale assorbita di 1.92 Sv/anno. Se però nel corso di questa permanenza si verifica un evento solare anomalo questo da solo può far assorbire all'equipaggio in un breve lasso di tempo una dose totale pari a 1.35 Sv. Nel caso di una missione lunare (con una durata complessiva di 88 giorni) protoni ed elettroni delle fasce di Van Allen, insieme ai raggi cosmici contribuscono per uno 0.30 Sv/anno; se a questi però si sommano ioni pesanti (dovuti ad esempio a periodi di elevata attività solare) e 2 possibili eventi solari con emissione di particelle la dose totale arriva a 1.33 Sv/anno. Particolare interesse rivestono poi le stime relative ad una stazione spaziale (450 km di quota, 28.5° di inclinazione, dati del tutto simili alla stazione spaziale Alfa, in via di realizzazione) e a una possibile missione su Marte. Nel primo caso, ipotizzando una permanenza nella stazione spaziale di 90 giorni, la dose assorbita stimata è di 0.45 Sv/anno, poichè a questa altezza relativamente bassa l'azione di schermo del campo magnetico terrestre è particolarmente efficace e l'unica sorgente di radiazione sono i protoni delle fasce di Van Allen. Ben diverso è il caso del viaggio su Marte (3 anni di durata stimata) dove a protoni, elettroni e raggi cosmici vanno sommati gli effetti dell'irradiazione simultanea da parte di ioni ed eventualmente anche di 3 eventi solari con emissione di particelle: la dose totale in questo caso risulta uguale a 1.61 Sv/anno. In sostanza, i componenti dell’equipaggio di una missione spaziale sono sempre esposti a una dose di radiazioni che è superiore a quella considerata accettabile sulla Terra per i lavoratori esposti per ragioni professionali. Bisogna tuttavia tener conto che queste stime vengono continuamente ridotte seguendo lo sviluppo di sempre migliori schermature con nuovi materiali (non solo per gli abitacoli ma anche per le tute indossate dagli astronauti) e di supporti farmacologici che forniscano una protezione contro gli effetti biologici delle radiazioni ionizzanti.

Conclusioni.

La vita sulla Terra si è evoluta dovendo adattarsi alle condizioni ambientali del nostro pianeta, in alcuni casi del tutto ostili. Tra queste la presenza di radiazioni ionizzanti, in parte provenienti dai minerali radioattivi della crosta terrestre e in parte dallo spazio, che possono seriamente danneggiare le cellule degli organismi viventi. Si sono così evoluti dei meccanismi cellulari che permettono, almeno in parte, di riparare il danno provocato dalle radiazioni. Da quando l'uomo ha cominciato a esplorare lo spazio i progettisti si sono dovuti confrontare con lo stesso problema di convivenza con un elevato livello di radiazioni ionizzanti. Da allora molti progressi sono stati fatti, come lo sviluppo di nuovi materiali per le schermature o la sintesi di nuovi supporti farmacologici. Ma molto ancora rimane da fare, prima di poter dire che la specie umana sia riuscita ad adattarsi completamente anche alle condizioni ambientali che si incontrano nello spazio.

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