Description, simulation and comparison of radiation environments around Venus, Earth and Mars : development and testing of a Geant4-based application

The work presented in this thesis is the fruit of the cooperation between the “Politecnico di Milano” and the “Tomsk Polytechnic University” (Томск Политехник Университет, ТПУ). Such collaboration has been successfully completed thanks to the international exchange programme of the Politecnico di Milano, particularly to its “Extra-EU Bilateral Agreements”. This work has put in contact the Department of Aerospace Science and Technologies of the Politecnico di Milano with the Department of Nuclear Engineering of the Tomsk Polytechnic University. The presented thesis is the natural consequence of this collaboration, a study concerning absorbed radiation doses on human spaceflights. Radiation is a major concern to human space flight, as the first missions in the fifties and sixties of the 20th century already showed. Understanding the composition of space radiation and the way it interacts with the human body are fundamental steps to continue space exploration. Simulations in this field are essential, as an empiric approach is usually costly, both in terms of money and especially of human lives. This thesis has the aim of programming a software based on the “Geant4” toolkit capable of studying the radiation doses absorbed by an astronaut orbiting around Earth, Mars and Venus. The development of this software requires the author to have knowledge of the C++ programming language and of the “Geant4” library itself. Four passages are needed in order to achieve the goal of the thesis: a first general description of the environment found in the space regions close to those planets (Chapter 1), a modelling of the magnetic and radiation environments (Chapter 2), the programming and development of the software, together with the simulation used to test it (Chapter 3), and a final consideration on the radiation effects that the astronaut could experience (Chapter 4). The ending paragraphs of Chapter 3 and Chapter 4 describe the encouraging results achieved by the developed software. General conclusions and prospective for a future development are shown in Chapter 5.

Il lavoro presentato in questa tesi è il frutto della cooperazione tra il “Politecnico di Milano” da una parte, e la “Tomsk Polytechnic University” (Томск Политехник Университет, ТПУ) dall’altra. Tale collaborazione è stata possibile grazie al programma di scambio internazionale del Politecnico di Milano, in particolare grazie agli “Accordi Bilaterali Extra-UE”. Questo lavoro ha messo in contatto il “Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali” del Politecnico di Milano con il “Dipartimento di Ingegneria Nucleare” della Tomsk Polytechnic University. La naturale conseguenza di questa collaborazione è quindi uno studio sulle dosi di radiazioni assorbite dagli esseri umani duranti i voli spaziali. La radiazione è una delle maggiori preoccupazioni per il volo umano nello spazio, come dimostrarono già negli anni Cinquanta e Sessanta le prime missioni volte alla scoperta dello spazio e alla conquista della Luna. Capire la composizione della radiazione spaziale e in che modo interagisce con l’organismo umano sono passi fondamentali per poter continuare l’esplorazione spaziale. Simulazioni computerizzate sono essenziali in questo campo, dato l’enorme prezzo che comporterebbe un approccio empirico, sia in termini di soldi che specialmente in termini di vite umane. Questa tesi ha il fine di programmare un software, basato sul toolkit “Geant4”, che sia in grado di studiare le dosi di radiazioni assorbite da un astronauta che orbiti intorno alla Terra, a Venere e a Marte. La programmazione del software richiede all’autore la conoscenza del linguaggio di programmazione C++ e della libreria di “Geant4”. L’obiettivo è raggiunto attraverso un’iniziale descrizione generale dell’ambiente radiativo nelle regioni di spazio vicine ai suddetti pianeti (Capitolo 1), una modellazione dello stesso (Capitolo 2), la descrizione della programmazione del software e della simulazione che è stata utilizzata per testarlo (Capitolo 3), e un’introduzione sull’interazione tra radiazione e biologia, in particolare applicata allo spazio e ricollegata ai risultati forniti dalla simulazione (Capitolo 4). I risultati raggiunti dal software sviluppato in questa tesi sono incoraggianti. Possibili futuri sviluppi sono presentati nel Capitolo 5.