Energetische Teilchen, die kurzzeitig entstehen, wenn kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft, könnten dabei helfen, versteckte Schäden an Gebäuden in der Ukraine nach Kriegsende zu ermitteln.
Diese Teilchen – Myonen genannt – sind sehr seltsam. Sie entstehen durch Kollisionen zwischen hochenergetischen Protonen und Atomkernen, aus denen die kosmische Strahlung besteht, und Molekülen in der Erdatmosphäre. Sie existieren nur etwa 2 Mikrosekunden, bevor sie in Elektronen und Anti-Neutrinos zerfallen. Doch da sie sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, legen sie während ihrer flüchtigen Existenz weite Strecken zurück. Pro Sekunde regnen etwa 10.000 Myonen auf einen Quadratmeter Erdoberfläche. Tatsächlich regnen diese seltsamen Partikel nicht nur auf die Oberfläche, sie dringen auch in die Oberfläche ein und graben sich mehrere hundert Meter tief in den Boden ein. Diese Fähigkeit dieser Teilchen, Materie zu durchdringen, brachte Wissenschaftler in den 1940er Jahren auf die Idee, Myonendetektoren zu verwenden, um in riesige, sonst undurchdringliche Strukturen zu blicken. Es dauerte lange, bis die Technologie dieser Aufgabe gewachsen war.
In den 1970er Jahren wurden in einem bahnbrechenden Experiment Myonendetektoren eingesetzt, um nach versteckten Kammern in einer ägyptischen Pyramide zu suchen. Erst 50 Jahre später begann sich die Technologie durchzusetzen. Im letzten Jahrzehnt haben eine Handvoll Unternehmen auf der ganzen Welt Fortschritte bei der Entwicklung tragbarer Myonentomographiegeräte gemacht, die Fahrzeuge nach versteckten Passagieren oder illegalen Gütern durchsuchen oder nach Rissen in Autobahnbrücken oder alternden Kernreaktoren suchen können. Das in Estland ansässige Unternehmen GScan gehört zu den Unternehmen, die Fortschritte bei der Entwicklung gemacht haben und ihre Detektoren bereits bei mehreren Projekten eingesetzt haben, darunter bei der Bewertung des Zustands des britischen Kernkraftwerks Sellafield. Das Unternehmen plant außerdem, die Technologie in die Ukraine zu bringen, um bei der Untersuchung versteckter Risse und Brüche in Gebäuden und Brücken zu helfen, die in Zukunft zum Einsturz der Bauwerke führen könnten.
„Derzeit gibt es keine andere Technologie, die in einen Betonblock sehen kann“, sagte Andi Hektor, Chief Strategy Officer und Mitbegründer von GScan, gegenüber Space.com. „Das leistungsstärkste Röntgensystem konnte nur etwa 10 bis 20 Zentimeter (4 bis 8 Zoll) tief sehen. Aber mit Myonendetektoren können wir mehrere Dutzend Meter tief sehen.“
Myonendetektoren können nicht nur in undurchdringliche Strukturen hineinschauen, sondern auch beurteilen, was sich in ihnen befindet. Vor diesen kosmischen Teilchenaugen stechen beispielsweise korrodierte Metallstäbe hervor, aber auch unsichtbare Risse und verborgene, mit Flüssigkeit gefüllte Gewölbe.
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Wie es funktioniert
Wenn sich Myonen einem Objekt nähern, erkennt ein Sensor aus einer speziellen Kunststofffaser ihren Durchgang. Durch das Stapeln mehrerer Schichten dieser Faserschichten können Forscher die Flugbahnen der Myonen rekonstruieren, wenn sie an verschiedenen Orten durch jede Schicht hindurchgehen. Ein weiterer Detektor auf der anderen Seite der Betonstruktur misst dann, wie sich die Bahn der Myonen veränderte, als die subatomaren Teilchen an den Unregelmäßigkeiten im Inneren der Struktur zerstreuten.
„Wir verfolgen Hunderttausende oder sogar Millionen vorbeiziehender Teilchen“, sagte Hektor. „Anhand dieser Informationen können wir verstehen, wie sich die Flugbahn durch das Objekt im Durchschnitt ändert. Auf dieser Grundlage können wir Annahmen über das Material und den Zustand des Materials im Inneren des Objekts treffen.“
Die ordnungsgemäße Beurteilung eines großen, potenziell gefährlichen Bauwerks wie einer beschädigten Brücke ist ein langer und mühsamer Prozess. Die Detektoren, sagte Hektor, scannen einen einzelnen Schlüsselpunkt der Struktur bis zu einer Woche lang. Die Beurteilung einer durchschnittlichen Autobahnbrücke kann bis zu einem Monat dauern und bis zu 125.000 US-Dollar kosten.
GScan befindet sich in Gesprächen mit ukrainischen Behörden, um die Technologie möglicherweise an der Paton-Brücke in Kiew zu testen, einem 70 Jahre alten, 5.000 Fuß (1.543 Meter) langen Bauwerk, das bereits vor Kriegsbeginn als stark baufällig galt.
„Sie haben jetzt offensichtlich andere Sorgen“, sagte Hektor. „Das könnten wir tun, wenn die Bedingungen besser geeignet sind und sie mit dem Wiederaufbau beginnen.“
Besser als Röntgenaufnahmen
Myonendetektoren sehen nicht nur viel tiefer als die bekannteren Röntgenstrahlen, sie sind auch viel sicherer. Myonen sind natürlicherweise in der Umwelt vorhanden und schädigen weder Zellen noch DNA, wie dies selbst bei geringen Dosen von Röntgenstrahlen der Fall ist. Im Gegensatz zu Röntgengeräten erhöhen die Detektoren daher nicht das Krebsrisiko für ihre Bediener.
GScan entwickelt seine Technologie seit 2016. Letztes Jahr untersuchten sie mit den Detektoren stillgelegte Kernreaktoren im Atom-U-Boot-Ausbildungszentrum Paldiski in Estland, einem 60 Jahre alten Komplex, der von der Sowjetunion gebaut und verwaltet wurde. Bei der Analyse der Myonenstreuung suchten die Forscher nach Taschen mit radioaktivem Abfall und beurteilten den Zustand der Reaktoren, die seit den 1990er Jahren in Betonschichten vergraben waren.
