Astronaut exposure to intense Solar Particle Events: radiation biological effectiveness calculations for shielding optimization

Space exploration beyond Low Earth Orbit (LEO) presents significant challenges due to the exposure of astronauts to Galactic Cosmic Rays (GCR) and Solar Particle Events (SPEs). This thesis addresses astronaut exposure to intense SPEs, investigating the radiation doses absorbed by male and female astronauts during the October 2003 and August 1972 SPEs, which are two of the most severe events ever recorded. By exploiting an interface between the FLUKA Monte Carlo radiation transport code and the BIANCA biophysical model, energy- and dose-dependent Relative Biological Effectiveness (RBE) values of space radiation are evaluated. A comparative analysis between male and female doses is carried out, highlighting the gender-specific differences in radiation absorption. Furthermore, the effectiveness of alternative shielding materials to conventional aluminum is assessed. Results show that female astronauts face a higher risk than males during an intense SPE, especially under light shielding conditions. Due to the reduced body self-shielding, doses for the female phantom are found to be generally higher. Regarding shielding materials, hydrogen-rich and composite materials are shown to outperform aluminum in reducing doses, thus in lowering the risk associated with intense SPEs, making them a promising alternative for shielding optimization in future space missions.

L’esplorazione spaziale oltre l’orbita terrestre bassa (Low Earth Orbit, LEO) presenta sfide significative a causa dell’esposizione degli astronauti ai raggi cosmici galattici (Galactic Cosmic Rays, GCR) e agli eventi di particelle solari (Solar Particle Events, SPEs). Questa tesi affronta l’esposizione degli astronauti a SPE intensi, analizzando le dosi di radiazione assorbite da astronauti di sesso maschile e femminile durante gli SPE dell’ottobre 2003 e dell’agosto 1972, tra i più intensi mai registrati. Sfruttando un’interfaccia tra il codice Monte Carlo di trasporto della radiazione FLUKA e il modello biofisico BIANCA, sono calcolati i valori di efficacia biologica relativa (Relative Biological Effectiveness, RBE) per la radiazione spaziale, dipendenti dall’energia delle particelle e dalla dose. È condotta un’analisi comparativa tra le dosi assorbite da uomini e donne, evidenziando le differenze legate al genere nell’assorbimento della radiazione. Inoltre, è valutata l’efficacia di materiali schermanti alternativi al convenzionale alluminio. I risultati mostrano che astronauti di sesso femminile presentano un rischio maggiore durante un intenso SPE, specialmente in condizioni di schermatura leggera. A causa della ridotta auto-schermatura del corpo, le dosi per il fantoccio femminile risultano generalmente più elevate. Per quanto riguarda i materiali schermanti, i materiali ricchi di idrogeno e i compositi superano l’alluminio nella riduzione delle dosi, abbassando il rischio associato a SPE intensi, rappresentando quindi un’alternativa promettente per l’ottimizzazione delle schermature in future missioni spaziali.