Δίνοντας στα κτίρια μια κοσμική αξονική τομογραφία

Τα υποατομικά σωματίδια που βομβαρδίζουν φυσικά τη Γη θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία τρισδιάστατων εικόνων βιομηχανικού εξοπλισμού παρόμοια με ιατρικές αξονικές τομογραφίες που γίνονται με ακτίνες Χ, προτείνει μια νέα μελέτη. Η τεχνική θα μπορούσε να αποκαλύψει τη διάβρωση των σωλήνων ή την υποβάθμιση μέσα σε παχιά στρώματα σκυροδέματος. Θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει τις τακτικές επιθεωρήσεις σωλήνων και βαλβίδων που είναι θαμμένοι, τυλιγμένοι με μόνωση ή με άλλο τρόπο απρόσιτες, ακόμη και όταν ο εξοπλισμός χρησιμοποιείται—ακόμα και αν βρίσκεται βαθιά μέσα σε έναν βαριά θωρακισμένο πυρηνικό αντιδραστήρα, λένε οι επιστήμονες.

Τα σωματίδια που καθιστούν δυνατούς τέτοιους ανιχνευτές είναι μιόνια, βαρύτερα βραχύβια ξαδέρφια ηλεκτρονίων. Στη Γη, τα περισσότερα μιόνια σχηματίζονται όταν οι κοσμικές ακτίνες - υποατομικά σωματίδια υψηλής ενέργειας που συνήθως προέρχονται από το ηλιακό μας σύστημα - συντρίβονται στην ατμόσφαιρα, προκαλώντας έναν καταρράκτη σωματιδίων χαμηλότερης ενέργειας. Ένα μιόνιο φέρει το ίδιο αρνητικό φορτίο με ένα ηλεκτρόνιο, αλλά έχει 207 φορές μεγαλύτερη μάζα και διαρκεί μόνο μερικά μικροδευτερόλεπτα πριν διασπαστεί σε ένα ηλεκτρόνιο και σε σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα. Κατά μέσο όρο, περίπου ένα μιόνιο διέρχεται από κάθε τετραγωνικό εκατοστό της επιφάνειας της Γης κάθε λεπτό.

Επειδή τα μιόνια είναι τεράστια, αλλά δεν αλληλεπιδρούν πολύ έντονα με άλλα υλικά, μπορούν να διαπεράσουν εκατοντάδες μέτρα βράχου και χώματος, λέει ο Matt Durham, πυρηνικός φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος στο Νέο Μεξικό και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. Συγκριτικά, τα ελαφρύτερα ηλεκτρόνια σταματούν στο υλικό σχεδόν αμέσως, όπου τα βαρύτερα πρωτόνια και οι ατομικοί πυρήνες αλληλεπιδρούν μαζί τους τόσο έντονα που αποσυντίθενται σε βροχές σωματιδίων. Η ικανότητα των μιονίων να διεισδύουν τα καθιστά ιδανικά για να κοιτάζουν μέσα σε αντικείμενα. Όσο πιο πυκνό είναι το υλικό από το οποίο περνούν τα μιόνια, τόσο περισσότερο διασκορπίζονται και εκτρέπονται από την αρχική τους διαδρομή.

Στη μελέτη, οι ερευνητές τοποθέτησαν ανιχνευτές μιονίων σε κάθε πλευρά του αντικειμένου που ήθελαν να απεικονίσουν. Στη συνέχεια παρακολούθησαν τις διαδρομές των μιονίων καθώς περνούσαν από ένα σύνολο ανιχνευτών, μετά από το αντικείμενο και, τέλος, από το δεύτερο σύνολο ανιχνευτών. Χαρτογραφώντας τις τροχιές "πριν" και "μετά" ενός μιονίου, οι ερευνητές μπορούν να προσδιορίσουν πόσο εκτρέπεται η διαδρομή του. Και αναλύοντας τις εκτροπές πολλών μιονίων που περνούν από διαφορετικά μέρη του αντικειμένου, οι ερευνητές μπορούν να συμπεράνουν μαθηματικά την τρισδιάστατη κατανομή της μάζας στο χώρο μεταξύ των συστοιχιών ανιχνευτών, λέει ο Durham. Η τεχνική είναι κάτι σαν ένα υβρίδιο μεταξύ της παραδοσιακής ιατρικής ακτινογραφίας, η οποία χρησιμοποιεί την ικανότητα ενός υλικού να μπλοκάρει τις ακτίνες Χ για να κάνει απευθείας μια 2D εικόνα της κατανομής μάζας και της περίθλασης ακτίνων Χ, η οποία χρησιμοποιεί μόνο γωνίες για να ανιχνεύσει τις 3D δομές των κρυστάλλων. Ο Durham και οι συνάδελφοί του περιγράφουν την τεχνική τους απεικόνισης, που ονομάζεται τομογραφία μιονίου, στο διαδίκτυο σήμερα στο AIP Advances .

«Πρόκειται για μια κομψή τεχνική», λέει ο Cas Milner, φυσικός στο Southern Methodist University στο Ντάλας του Τέξας, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα. Εκτός από τη χρήση ακτινοβολίας υποβάθρου, η οποία δεν εκθέτει τους εργαζόμενους σε πρόσθετες πηγές ακτινοβολίας, η τεχνική είναι μη επεμβατική:Οι ερευνητές δεν χρειάζεται καν να κλείσουν τον εξοπλισμό, να αφαιρέσουν τη μόνωση από έναν σωλήνα ή να εισέλθουν σε ένα πιθανώς επικίνδυνο περιβάλλον, σημειώνει.

Ένα πιθανό μειονέκτημα της τεχνικής, ωστόσο, είναι ότι χρειάζεται πολύς χρόνος για να δημιουργηθεί μια εικόνα. Οι δοκιμές της ομάδας δείχνουν ότι οι φανταστικές, χαμηλής ανάλυσης εικόνες ενός σωλήνα από ανοξείδωτο χάλυβα μπορούν να κατασκευαστούν σε μόλις 15 λεπτά, αλλά η δημιουργία ενός μοντέλου υψηλής ποιότητας του εν λόγω αντικειμένου μπορεί να διαρκέσει ώρες, αν όχι ημέρες, λέει ο Durham. Έτσι, η τομογραφία μιονίου είναι πιθανώς η καταλληλότερη για επιθεωρήσεις ρουτίνας ή εξοπλισμό παρακολούθησης σε συνεχή βάση αντί για γρήγορες αξιολογήσεις μιας καταστροφικής αποτυχίας, σημειώνει.

Η τεχνική είναι μια έκδοση μικρότερης κλίμακας τεχνολογίας που αναπτύχθηκε προηγουμένως στο Los Alamos μετά τις τρομοκρατικές επιθέσεις της 11ης Σεπτεμβρίου 2001 για την αναζήτηση πυρηνικών υλικών ή άλλου λαθρεμπορίου σε εμπορευματοκιβώτια ή οχήματα μεταφοράς. Αυτή η τεχνολογία έχει εμπορευματοποιηθεί και χρησιμοποιείται τώρα σε ορισμένα λιμάνια, λέει ο Konstantin Borozdin, φυσικός στην Decision Sciences International Corporation στο Poway της Καλιφόρνια.

Η εταιρεία του Borozdin εργάζεται τώρα για να κλιμακώσει την τεχνολογία τομογραφίας μιονίων για να αναζητήσει πυρηνικό υλικό σε μια πολύ μεγαλύτερη αρένα—τους πυρηνικούς αντιδραστήρες που καταστράφηκαν από τον σεισμό και το τσουνάμι ένα-δύο γροθιές που έπληξαν τη Φουκουσίμα της Ιαπωνίας τον Μάρτιο του 2011. Κάθε σειρά ανιχνευτών μιονίων θα έχει διαστάσεις 7 μέτρα επί 7 μέτρα και θα τοποθετούνται σε απόσταση περίπου 50 μέτρων μεταξύ τους στις απέναντι πλευρές του κτιρίου του κατεστραμμένου αντιδραστήρα, λέει ο Borozdin. Ο Μίλνερ λέει ότι "η τεχνολογία σίγουρα υπόσχεται, όταν εξετάζετε το πρόβλημα της προσπάθειας προσδιορισμού της εσωτερικής διαμόρφωσης ενός καλά θωρακισμένου αντικειμένου όπως ένας πυρηνικός αντιδραστήρας."