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Der Nachthimmel über Kiew, Ukraine, im Jahr 2020.(Bildnachweis: Getty)

Energetische Partikel, die kurzzeitig auftauchen, wenn kosmische Strahlen auf die Erdatmosphäre treffen, könnten helfen, verborgene Schäden an Gebäuden in der Ukraine nach dem Ende des Krieges zu bewerten.

Diese Teilchen – die so genannten Myonen – sind sehr seltsam. Sie entstehen bei Kollisionen zwischen hochenergetischen Protonen und Atomkernen, aus denen die kosmische Strahlung besteht, und Molekülen in der Erdatmosphäre. Sie existieren nur etwa 2 Mikrosekunden lang, bevor sie in Elektronen und Anti-Neutrinos zerfallen. Da sie sich jedoch mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, legen sie während ihrer flüchtigen Existenz riesige Entfernungen zurück. Jede Sekunde regnen etwa 10.000 Myonen auf einen Quadratmeter der Erdoberfläche. Diese seltsamen Teilchen regnen nicht nur auf die Oberfläche, sie dringen auch in sie ein und graben sich Hunderte von Metern tief in den Boden ein. Diese Fähigkeit dieser Teilchen, Materie zu durchdringen, brachte Wissenschaftler in den 1940er Jahren auf die Idee, mit Hilfe von Myonendetektoren in riesige, ansonsten undurchdringliche Strukturen zu blicken. Es dauerte lange, bis die Technologie dieser Aufgabe gerecht werden konnte.

In den 1970er Jahren wurde in einem bahnbrechenden Experiment mit Hilfe von Myonendetektoren nach verborgenen Kammern in einer ägyptischen Pyramide gesucht. Erst 50 Jahre später begann die Technologie, sich durchzusetzen. In den letzten zehn Jahren haben eine Handvoll Unternehmen weltweit Fortschritte bei der Entwicklung tragbarer Myonen-Tomographen gemacht, mit denen Fahrzeuge auf versteckte Passagiere oder illegale Waren untersucht oder Risse in Autobahnbrücken oder alternden Kernreaktoren aufgespürt werden können. Die in Estland ansässige Firma GScan gehört zu den Unternehmen, die bei der Entwicklung Fortschritte gemacht haben, und hat ihre Detektoren bereits bei mehreren Projekten eingesetzt, u. a. bei der Bewertung des Zustands der britischen Atomstilllegungsanlage Sellafield. Das Unternehmen plant außerdem, die Technologie in der Ukraine einzusetzen, um verborgene Risse und Brüche in Gebäuden und Brücken zu erkennen, die in der Zukunft zum Einsturz der Strukturen führen könnten.

„Es gibt derzeit keine andere Technologie, die in das Innere eines Betonblocks sehen kann“, sagte Andi Hektor, Chief Strategy Officer und Mitbegründer von GScan gegenüber kosmischeweiten.de. „Das leistungsstärkste Röntgensystem konnte nur etwa 10 bis 20 Zentimeter tief sehen. Aber mit Myon-Detektoren können wir Dutzende von Metern tief sehen.“

Muonendetektoren können nicht nur in undurchdringliche Strukturen hineinsehen, sie können auch beurteilen, was sich darin befindet. So fallen korrodierte Metallstangen vor den Augen der kosmischen Teilchen ebenso auf wie unsichtbare Risse und versteckte, mit Flüssigkeit gefüllte Gewölbe.

(Bildnachweis: Tereza Pultarova)

Wie es funktioniert

(Bildnachweis: Tereza Pultarova)

Wenn sich Myonen einem Objekt nähern, erkennt ein Sensor, der aus einer speziellen Art von Kunststofffasern besteht, ihren Durchgang. Durch Stapeln mehrerer Lagen dieser Faserblätter können die Forscher die Flugbahn der Myonen rekonstruieren, wenn sie jedes Blatt an verschiedenen Stellen durchqueren. Ein weiterer Detektor auf der anderen Seite der Betonstruktur misst dann, wie sich der Weg der Myonen durch die Streuung der subatomaren Teilchen an den Unregelmäßigkeiten im Inneren der Struktur verändert.

„Wir verfolgen Hunderttausende oder sogar Millionen von vorbeiziehenden Partikeln“, sagte Hektor. „Auf der Grundlage dieser Informationen können wir uns ein Bild davon machen, wie sich die Flugbahn durch das Objekt im Durchschnitt verändert. Auf dieser Grundlage können wir Annahmen über das Material und den Zustand des Materials im Inneren des Objekts treffen.“

Besser als Röntgenstrahlen