Piramides (en meer!) scannen met kosmische straling

Spannend nieuws: in de piramide van Cheops (of Khufu, of hoe je hem ook noemen wil) is een nieuwe kamer ontdekt – met behulp van kosmische straling! Lees er meer over op de site van De Ingenieur. (Stukje is niet door mij geschreven, overigens.)

Over deze scanmethode schreef ik begin dit jaar een groot artikel voor het Vlaamse populairwetenschappelijke tijdschrift Eos, waarin ook allerlei andere toepassingen voorbij komen: van het scannen van scheepscontainers op kernbommen tot het doorlichten van vulkanen. Lees het artikel hieronder in zijn geheel!

Voortdurend schieten er deeltjes uit de hoogste regionen van de atmosfeer door ons heen. Niet alleen hebben we daar totaal geen last van, we kunnen ze zelfs handig gebruiken om van alles en nog wat door te lichten, van kernafval tot vulkanen.

Het jaar begon weer goed. In zijn nieuwjaarstoespraak maakte de Noord-Koreaanse leider Kim Jong-un bekend dat zijn land werkt aan een intercontinentale raket waarmee hij een kernbom naar de VS kan sturen. De hele wereld berichtte erover, met de bekende mix van angst en relativering. Ja, van Noord-Korea kun je alles verwachten – maar het ontwikkelen en lanceren van zo’n raket heeft ook nogal wat voeten in aarde. Het was dus maar de vraag of Kim zo’n ding écht binnen afzienbare tijd in handen zou hebben.

Maar de Briljante Kameraad zou het zichzelf ook een stuk makkelijker kunnen maken. Stel dat hij zijn kernbom niet door de lucht, maar over zee naar het Westen stuurt, door hem in een scheepscontainer te stoppen. Dat maakt niet alleen de dure ontwikkeling van een raket overbodig, ook ben je af van een boel onzekerheid. Zo’n container doet weliswaar wat langer over zijn reis, maar je kunt er veel meer dan bij een raket van op aan dat hij zijn plaats van bestemming daadwerkelijk bereikt. En als je snode plan uitlekt? Dan moet je tegenstander de bewuste container nog zien te vinden. Onbegonnen werk, als je bedenkt dat er jaarlijks 500 miljoen stuks worden verscheept.

Toch zijn wetenschappers hard bezig met een systeem dat ons precies die klus uit handen neemt. Het kan in een haven elke container scannen op stoffen als uranium en plutonium, zonder de boel op te houden. En het mooiste is: het cruciale ingrediënt van die detectiemethode komt gratis uit de hemel op ons neerdalen, in de vorm van kosmische straling. Straling die ons niet alleen kan helpen om kernbommen op te sporen, maar ook tal van andere toepassingen heeft: van het in kaart brengen van piramides tot het scannen van de reactoren van Fukushima.

Kosmische straling bereikt de aarde

Kosmische straling bereikt de aarde (illustratie: Asimmetrie/INFN).

Zwabberende deeltjes

Eerst even terug naar de basis: wat is precies die kosmische straling? Dat zijn deeltjes, voornamelijk protonen en heliumkernen, die vanuit het heelal op onze aardatmosfeer neerregenen. Ze zijn, zo denken sterrenkundigen, onder meer afkomstig van supernova-explosies of superzware zwarte gaten die zich in de centra van andere melkwegstelsels volvreten. Eenmaal hier aangekomen, na een reis van vaak miljoenen lichtjaren, botsen ze op de moleculen in onze dampkring, waarbij zogenoemde secundaire deeltjes ontstaan. En om één type secundaire deeltje gaat het hier in het bijzonder: het muon.

Het muon is een deeltje met een negatieve elektrische lading dat zich dankzij zijn hoge massa nauwelijks van zijn koers af laat brengen. Daardoor bereikt niet alleen het merendeel van de hoog in de atmosfeer ontstane muonen het aardoppervlak, ze schieten ook zonder pardon door mensen, gebouwen, scheepscontainers en kernbommen heen.

Nu lijkt dat ze in eerste instantie niet heel nuttig te maken. Met deeltjes die overal recht doorheen ploegen, kun je ook niets meten, zou je zeggen. Maar een muon dat door materie vliegt, wordt wel een beetje afgeleid. Het heeft namelijk een negatieve elektrische lading, waardoor het wordt afgestoten door de eveneens negatieve elektronen, en wordt aangetrokken door de positief geladen atoomkernen. Hierdoor zwabbert het deeltje een beetje in zijn baan – en, heel belangrijk: hoe zwaarder de atoomkernen die het tegenkomt, hoe meer het wordt afgebogen. Dat maakt het muon uitermate geschikt om op zoek te gaan naar uranium en plutonium, cruciale bestanddelen van kernwapens die tot de zwaarste in de natuur voorkomende elementen behoren.

Accu’s en motorblokken

Bij scheepscontainers gebeurt dat zoeken naar zware elementen als volgt. Zowel boven als onder de scheepscontainer wordt een aantal platen neergezet, die registreren wanneer er een muon doorheen schiet. Vervolgens kun je uit de posities waar een muon de platen boven de container passeerde de baan van het inkomende muon reconstrueren, en uit de platen onder de container de baan van het muon als dat de container weer heeft verlaten. Door beide banen als het ware door te trekken naar het midden toe, vind je het punt waar het muon waarschijnlijk zijn grootste opdonder heeft gekregen – en waar zich dus mogelijk uranium of plutonium bevindt.

Om te bepalen waar deze zware elementen zitten, worden de containers meestal ingedeeld in kleine, driedimensionale pixels, ook wel voxels genaamd. Eerst bepaal je dan in welke voxels zich nucleair materiaal bevindt, vervolgens maak je een inschatting van hoe het materiaal over de gehele container is verdeeld. Maar, zo zegt natuurkundige Jaap Velthuis (Universiteit van Bristol): ‘Daar is wel heel intensief rekenwerk en veel computerkracht voor nodig.’ En volgens hem en collega’s is dat nergens voor nodig. ‘Bommen met uranium kun je niet zomaar in kleine stukjes verdelen om die afzonderlijk te smokkelen en ze vervolgens weer samen te voegen.’ Daarom verdelen hij en zijn team de te scannen containers in grotere vakken, wat de hoeveelheid rekenwerk flink verkleint.

Dankzij bovenstaande ‘truc’ kunnen Velthuis en collega’s nu in 60 seconden een kleine scheepscontainer scannen en op basis daarvan 64 procent gelijk als veilig bestempelen. Na 90 seconden is dat zelfs 88 procent. (Bij grote containers zijn de scores nog hoger omdat daar relatief gezien minder in past.) En één tot anderhalve minuut is snel genoeg om de scan uit te voeren terwijl de container van een schip naar een vrachtwagen gaat, dus zonder dat de keten wordt opgehouden. Behoort een container tot de categorie ‘gevaarlijk’, dan zal hij langer moeten worden gescand. ‘Maar zelfs bij een heel lastig te scannen container, die we hadden volgestapeld met accu’s en motorblokken, kregen we binnen vijf minuten het juiste antwoord’, zegt Velthuis.

Het mooie van containers scannen met muonen is dat er geen gebruik wordt gemaakt van straling of deeltjes die het nucleaire materiaal zelf uitzendt. Daardoor heeft het voor smokkelaars ook geen zin om de lading af te schermen met bijvoorbeeld lood of water. Verder wordt bij deze scanmethode geen straling op de lading losgelaten. ‘Scanmethodes die daar gebruik van maken, zijn verboden als een container voedingsmiddelen bevat’, legt Velthuis uit. Bovendien zouden er in een container weleens vluchtelingen kunnen zitten; ook een reden om niet met straling in de weer te gaan. Maar van geen enkele lading kan iemand claimen dat ie niet tegen muonen kan. Die schieten er immers hoe dan ook voortdurend doorheen, of er nu wordt gescand of niet.

Inmiddels is er al één teststation dat gebruikmaakt van muonen om containers te scannen: in Freeport, de op een na grootste stad van de Bahama’s. Een breder uitgerold systeem laat echter nog op zich wachten. ‘Dat wordt opgehouden door de vraag wie ervoor moet betalen’, zegt Velthuis.

Gatenkaas

Een vergelijkbaar probleem waarbij muonen uitkomst kunnen bieden, is dat van kernafval. In principe heeft natuurlijk elk land met kerncentrales daarmee te maken, maar in Groot-Brittannië speelt het nog meer dan hier, zegt Velthuis. ‘In de jaren vijftig hadden de Amerikanen en de Russen atoombommen, en de Britten nog niet. Daar zijn ze toen heel hard aan gaan werken – en daarbij hebben ze niet zo hard nagedacht over het afvalprobleem.’

Dat afvalprobleem werd simpelweg opgelost door allerhande radioactief geworden materialen – overalls, gereedschappen, enzovoort – in containers te gooien en die met beton af te vullen. Maar inmiddels is niet meer duidelijk wat er precies in welke container zit. Daar komt bij dat uranium in de loop der tijd kan opzwellen, terwijl plutonium een gatenkaas-structuur krijgt. Extra redenen om na een halve eeuw te bekijken hoe het precies met zo’n container is gesteld.

Gelukkig kan precies dezelfde muonentechniek die bij scheepscontainers wordt ingezet ook hier worden toegepast. Enige verschil is dat het hier om kleinere stukjes radioactief materiaal gaat, wat ertoe leidt dat je langer moet scannen om een goed beeld te krijgen. Maar goed, de tijdsdruk waar je mee te maken hebt in een grote haven speelt natuurlijk veel minder bij het bekijken van oud kernafval. En vraag vanuit de nucleaire industrie naar dit soort controles is er zeker, zegt Velthuis. Het wachten is alleen nog op een systematisch proces waarbij ál het oude kernafval onder de loep wordt genomen.

Kernramp

Een iets dringende aangelegenheid in het nucleaire wereldje is het opruimen van de kerncentrale Fukushima. Door de tsunami van 2011 kreeg die te maken met meltdowns, explosies en het vrijkomen van radioactief materiaal. Inmiddels zijn we zes jaar verder en is het zaak de reactoren op een verantwoorde manier te ontmantelen. Om dat te kunnen doen, moet je echter eerst weten hoe het met de reactorkernen is gesteld en waar de radioactieve brandstof zich inmiddels bevindt. En even naar binnen lopen om de boel van dichtbij te bekijken, is geen optie; daarvoor zijn de stralingsniveaus nog te hoog.

Maar ook hier komen muonen to the rescue, want daarmee kun je prima door dikke betonnen muren en reactorwanden heen kijken. Dat is zelfs al gebeurd, zij het op een wat eenvoudigere manier dan hierboven omschreven: Japanse onderzoekers hebben muonen gebruikt om een soort röntgenfoto’s van verschillende reactors te maken. Daaruit zou te concluderen zijn (de resultaten zijn niet heel duidelijk naar buiten gebracht) dat bij reactor 2 de brandstof zich op de bodem van het vat bevindt, terwijl er in reactor 1 niets meer te vinden is.

Christopher Morris van het Los Alamos National Laboratory in New Mexico laat echter weten dat de gebruikte techniek niet erg gevoelig is voor uranium in de reactorkern. Zijn team wil daarom de reactoren op de ‘scheepscontainermanier’ onder de loep nemen, dus met detectors aan weerszijden van de reactors. ‘Maar dat project is een tijdlang stopgezet en komt nu pas weer een beetje op gang.’ Hoe dan ook: de Japanners weten muonen duidelijk op waarde te schatten bij het te boven komen van de grootste kernramp sinds Tsjernobyl.

Verborgen kamers

Ook als we de kernwapens en kerncentrales even achter ons laten, kunnen muonen een handig middel vormen om iets in beeld te brengen. Een klassiek voorbeeld is het scannen van piramides. De beweegredenen mogen duidelijk zijn: archeologen willen maar wat graag weten wat er allemaal voor ruimtes zijn verborgen in de enorme koningsgraven van weleer – maar met een bulldozer de boel openbreken is niet echt een optie. Wat strategisch geplaatste muondetectoren doen echter geen enkel wereldwonder kwaad.

De eerste die op dat idee kwam, was Nobelprijswinnaar natuurkunde Luis Alvarez. In de jaren zestig vroegen egyptologen zich af hoe het kwam dat de enorme piramide van Cheops een complexere binnenkant had dan de ernaast gelegen piramide van Chefren, terwijl die tweede later was gebouwd. Alvarez dacht daarop: misschien is Chefrens piramide in werkelijkheid wel minstens zo complex als die van Cheops, en hebben we alleen allerlei kamers nog niet gevonden.

Daarom plaatsten Alvarez en zijn team een aantal muonendetectoren in een kamer onderin de piramide van Chefren. Ontvingen die uit een bepaalde richting meer muonen dan uit andere richtingen, dan kon dat wijzen op een kamer. Daar zouden muonen immers makkelijker doorheen moeten vliegen dan door het massieve steen waar de rest van de piramide van is gemaakt. Helaas: Alvarez kon met zijn muonendetectoren wel zien waar de hoeken en het karakteristieke ‘kapje’ van de piramide zaten (oftewel: de techniek werkte), maar hij bracht geen onbekende ruimtes aan het licht.

Ontploffende berg

Nu wordt het idee van Alvarez echter met hernieuwd enthousiasme opgepakt. Eerste doelwit van dit ScanPyramids-project was de vier en een half duizend jaar geleden gebouwde knikpiramide van Snofroe. Daarin stelden wetenschappers tachtig tegelvormige muonendetectors veertig dagen lang bloot aan kosmische straling, waardoor ze de structuur van het bouwwerk konden bepalen zonder de boel open te breken. Ook hier kwamen er geen verrassingen aan het licht.

Interessanter werd het toen onderzoekers afgelopen zomer een groter arsenaal aan muonentechnieken loslieten op de Grote Piramide, gebouwd door Snofroe’s opvolger Cheops. Daaruit bleek namelijk dat er een nog onbekende ‘leegte’ achter de noordelijke wand van deze piramide zit. De precieze vorm, grootte en positie hiervan wordt momenteel bepaald. Daarnaast konden wetenschappers dankzij muonen het bestaan van een andere vermoede ruimte bevestigen, ruim 100 meter boven de grond bij de noordoostelijke hoek. Dit voorjaar worden er meer resultaten verwacht.

Het onderzoek naar de piramides borduurt trouwens niet alleen voort op het werk van Alvarez uit de jaren zestig, maar profiteert bovendien van wéér een heel ander vakgebied: het met muonen bestuderen van vulkanen. Ook daarvan wil je graag weten wat er precies in zit – en niet alleen uit nieuwsgierigheid. ‘Je wilt vaststellen hoeveel water er in de rots zit’, legt Jaap Velthuis uit. ‘Als de rots heel droog is en er komt een uitbarsting, dan stroomt de lava relatief langzaam naar beneden en heb je dus tijd om te ontsnappen.’ Zit er juist heel veel water in de rots, dan wordt het een heel ander verhaal. ‘Dan ontstaat er stoom en ontploft de hele berg.’ Met name in Japan, met zijn meer dan honderd actieve vulkanen, is dit om meer dan begrijpelijke reden een springlevend onderzoeksveld.

Het scannen van een vulkaan.

Het scannen van een vulkaan.

Aardse zaken

Het moge duidelijk zijn: kosmische straling – en dan in het bijzonder de muonen die eruit voortkomen – is allesbehalve alleen maar interessant voor sterrenkundigen. Ook wetenschappers wier nieuwsgierigheid zich richt op meer aardse zaken kunnen er op allerlei manieren hun voordeel mee doen. Wat heet, ze kunnen ons er zelfs mee beschermen tegen nucleaire bedreigingen in alle soorten en maten.

Nu maar hopen dat die laatste toepassing een grote vlucht neemt vóórdat Kim Jong-un de Koreaanse vertaling van deze Eos in handen krijgt. Want dan zou de Geweldige Leider zomaar kunnen concluderen dat een scheepscontainer weliswaar een stuk minder spectaculair klinkt dan een intercontinentale raket, maar een stuk praktischere en haalbaardere manier is om de Amerikanen op hun donder te geven.

Dit artikel verscheen eerder in Eos april 2017, onder de titel ‘Kosmische straling als wapen tegen dictators’.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *