Study of the properties of sustainable materials for shielding against ionizing radiations

في عالم فيزياء الطاقات العالية، يبني العلماء آلات ضخمة لتحطيم الجسيمات مع بعضها البعض ودراسة اللبنات الأساسية للكون. تنتج هذه التجارب دفعات مكثفة من الإشعاع المؤين، وهو شكل من أشكال الطاقة القوية بما يكفي لإلحاق الضرر بالأنسج الحية والمعدات الإلكترونية. وللحفاظ على سلامة البشر والآلات، يتعين على الباحثين إحاطة هذه التجارب بجدران سميكة مصممة لإيقاف هذا الإشعاع. لعقود من الزمن، كانت المادة القياسية لهذه الجدران هي الخرسانة؛ فهي قوية، ورخيصة، وفعالة، ولكنها تأتي مع ثمن باهظ يدفعه الكوكب. إن إنتاج الخرسانة يطلق كميات هائلة من غازات الاحتباس الحراري ويولد كميات ضخمة من النفايات. وبينما يسعى المجتمع العلمي لبناء مرافق أكثر استدامة، يبرز سؤال حاسم: هل يمكننا استبدال الكتل الخرسانية بمواد أكثر رفقاً بالبيئة دون المساس بالسلامة؟

هذا السؤال يقع في قلب مشروع "سوشي" (SUSHI)، وهي دراسة بقيادة الفيزيائي جوليان فايفر من جامعة غرونوبل ألب في فرنسا. يبحث المشروع فيما إذا كانت المواد المستدامة، وتحديداً "التربة المدكوكة" (rammed raw earth)، يمكن أن تعمل كدروع فعالة ضد الإشعاع المؤين. والتربة المدكوكة هي تقنية بناء قديمة حيث يتم ضغط التربة في كتل صلبة. وهي مستخدمة على نطاق واسع في البناء لأنها وفيرة، وتتطلب طاقة قليلة جداً لإنتاجها، ويمكن إعادة تدويرها. أراد الباحثون معرفة ما إذا كانت هذه المادة المتواضعة يمكن أن تصمد أمام نفس تهديدات الإشعاع التي تواجهها الخرسانة الحديثة. ولمعرفة ذلك، قارنوا بين كيفية مرور الفوتونات —وهي حزم من طاقة الضوء التي تشكل جزءاً كبيراً من الإشعاع في هذه التجارب— عبر كتل الخرسانة مقابل كتل التربة الخام. وقد درسوا كيف تؤثر سماكة المواد وكثافتها وتركيبها الكيميائي على قدرتها على إيقاف الإشعاع، بدءاً من الفوتونات منخفضة الطاقة وصولاً إلى تلك ذات الطاقة العالية للغاية.

بدأ الباحثون بإنشاء نماذج رقمية لكلتا المادتين. بالنسبة للخرسانة، استخدموا وصفة قياسية من الإسمنت الممزوج بالرمل والحصى. أما بالنسبة للتربة الخام، فقد صمموا نموذجاً لمزيج من الرمل والحصى والطين، الذي يعمل كمادة رابطة طبيعية. وقد أخذوا في الاعتبار حقيقة أن التربة الخام مسامية وتمتص الرطوبة من الهواء، لذا ضمنوا كمية صغيرة من الماء في حساباتهم لتعكس ظروف العالم الحقيقي. ثم قاموا بمحاكاة كيفية تفاعل الفوتونات ذات الطاقات المختلفة مع هذه المواد. كان الهدف هو معرفة ما إذا كانت التربة الخام ستحتاج إلى أن تكون أكثر سمكاً بشكل ملحوظ من الخرسانة لتوفয়া بنفس المستوى من الحماية.

كشفت الدراسة أنه بالنسبة لمستويات الطاقة الأكثر شيوعاً الموجودة في هذه التجارب، فإن التركيب الكيميائي للمادة لا يهم كثيراً. فعندما تكون طاقة الفوتونات حوالي مليون إلكترون فولت، فإنها تتفاعل مع المادة بشكل أساسي من خلال عملية تسمى "تشتت كومبتون" (Compton scattering). في هذا التفاعل، يرتد الفوتون عن إلكترون، فيفقد جزءاً من طاقته لكنه يستمر في مساره. ووجد الباحثون أنه في نطاق الطاقة هذا، تعتمد قدرة المادة على إيقاف الإشعاع بشكل شبه كامل على كثافتها ومقدار الهيدروجين الذي تحتويه، بدلاً من أنواع الذرات المكونة لها. وبما أن التربة الخام أقل كثافة من الخرسانة، فإنها ببساطة تحتاج إلى أن تكون أكثر سمكاً للقيام بنفس المهمة. وأظهرت الحسابات أن كتلة من التربة الخام ستحتاج إلى أن تكون أكثر سمكاً بنسبة 20 بالمائة تقريباً من كتلة الخرسانية لتحقيق نفس المستوى من خفض الإشعاع. وهذا الاختلاف ثابت عبر نطاق واسع من الطاقات الأعلى أيضاً، حيث تخلق الفوتونات شلالات من الجسيمات الثانوية المعروفة باسم "الزخات الكهرومغناطيسية" (electromagnetic showers).

يتغير الوضع قليلاً عند الطاقات المنخفضة، أي دون مائة ألف إلكترون فولت. هنا، تسود عملية تفاعل مختلفة تسمى "التأثير الكهروضوئي" (photoelectric effect)، حيث يتم امتصاص الفوتون تماماً بواسطة ذرة. في هذا النطاق، تهم أنواع الذرات المحددة في المادة، وتصبح الرطوبة الموجودة في التربة الخام أكثر أهمية. ونظراً لأن التربة الخام تمتص الماء، فإن كمية الماء داخل الكتلة يمكن أن تختلف باختلاف المواسم. ووجد الباحثون أنه بينما يكون تأثير هذه الرطوبة ضئيلاً على الإشعاع عالي الطاقة، إلا أنها يمكن أن تغير فعالية الدرع بنسبة تصل إلى عشرة بالمائة بالنسبة للفوتونات منخفضة الطاقة. ومع ذلك، حتى مع هذه التباينات، تظل التربة الخام فعالة للغاية في إيقاف الإشعاع منخفض الطاقة، وغالباً ما تحجبه بشكل أكثر اكتمالاً مما تحجب به الإشعاع عالي الطاقة.

ولضمان دقة نماذجهم الرقمية، أجرى الفريق تجارب فيزيائية باستخدام مصدر مشع وكاشف متخصص. وقاموا بقياس مقدار الإشعاع الذي يمر عبر كتل فعلية من التربة المدكوكة المعاد تدويرها ذات كثافات مختلفة. وطابقت النتائج من هذه الاختبارات الواقعية محاكاتهم الحاسوبية عن كثب، مما أكد أن نماذجهم موثوقة. وخلصت الدراسة إلى أن الكثافة هي العامل الأساسي الذي يحدد الفرق بين الخرسانة والتربة الخام كمواد درعية. وبينما تتطلب التربة الخام تلك الزيادة بنسبة 20 بالمائة في السماكة، إلا أنها تقدم بديلاً مقنعاً ينتج انبعاثات أقل بكثير ويستهلك طاقة أقل للإنتاج.

تشير النتائج إلى أن المواد المستدامة مثل التربة المدكوكة تعد خياراً قابلاً للتطبيق للوقاية من الإشعاع المؤين في مرافق فيزياء الطاقات العالية. وتشير الأبحاث إلى أن المقايضة واضحة: جدار أكثر سمكاً قليلاً مصنوع من الأرض بدلاً من الخرسانة. وهذه الزيادة الصغيرة في الحجم هي تسوية يمكن إدارتها مقابل الفوائد البيئية الكبيرة المكتسبة. ويشير المؤلف إلى أنه بينما هذه النتائج مشجعة، إلا أن هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لاختبار أنواع أخرى من الإشعاع ولتحسين فهم كيفية سلوك هذه المواد بمرور الوقت. وفي الوقت الحالي، يوفر هذا العمل مساراً واضحاً نحو بناء الجيل القادم من تجارب الفيزياء ببصمة أخف على الكوكب.