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

In der Welt der Hochenergiephysik bauen Wissenschaftler gewaltige Maschinen, um Teilchen zusammenprallen zu lassen und die grundlegenden Bausteine des Universums zu untersuchen. Diese Experimente erzeugen intensive Ausbrüche ionisierender Strahlung, eine Form von Energie, die stark genug ist, um lebendes Gewebe und elektronische Ausrüstungen zu schädigen. Um Menschen und Maschinen zu schützen, müssen Forscher diese Experimente mit dicken Wänden umgeben, die darauf ausgelegt sind, diese Strahlung zu stoppen. Seit Jahrzehnten ist Beton das Standardmaterial für diese Wände. Er ist stabil, günstig und effektiv, aber er fordert einen hohen Preis von unserem Planeten. Die Produktion von Beton setzt enorme Mengen an Treibhausgasen frei und erzeugt riesige Mengen an Abfall. Während die wissenschaftliche Gemeinschaft nach nachhaltigeren Anlagen sucht, stellt sich eine kritische Frage: Können wir die Betonblöcke durch Materialien ersetzen, die freundlicher zur Umwelt sind, ohne die Sicherheit zu gefährdet?

Diese Frage steht im Mittelpunkt des SUSHI-Projekts, einer Studie unter der Leitung des Physikers Julien Faivre an der Universität Grenoble-Alpes in Frankreich. Das Projekt untersucht, ob nachhaltige Materialien, speziell Stampferde, als effektive Abschirmung gegen ionisierende Strahlung dienen können. Stampferde ist eine antike Bautechnik, bei der Erde zu festen Blöcken gepresst wird. Sie wird weit verbreitet im Bauwesen eingesetzt, da sie reichlich vorhanden ist, sehr wenig Energie bei der Herstellung benötigt und recycelt werden kann. Die Forscher wollten wissen, ob dieses bescheidene Material den gleichen Strahlungsbedrohungen wie moderner Beton standhalten kann. Um dies herauszufinden, verglichen sie, wie Photonen – Lichtenergiepakete, die einen bedeutenden Teil der Strahlung in diesen Experimenten ausmachen – durch Blöcke aus Beton gegenüber Blöcken aus Roherde gelangen. Sie untersuchten, wie die Dicke, die Dichte und die chemische Zusammensetzung dieser Materialien ihre Fähigkeit beeinflussen, die Strahlung zu stoppen, reichend von niederenergetischen Photonen bis hin zu solchen mit extrem hoher Energie.

Die Forscher begannen damit, digitale Modelle beider Materialien zu erstellen. Für den Beton verwendeten sie ein Standardrezept aus Zement gemischt mit Sand und Kies. Für die Roherde modellierten sie eine Mischung aus Sand, Kies und Ton, der als natürliches Bindemittel fungiert. Sie berücksichtigten die Tatsache, dass Roherde porös ist und Feuchtigkeit aus der Luft absorbiert, sodass sie eine kleine Menge Wasser in ihre Berechnungen einbezogen, um die realen Bedingungen widerzuspiegeln. Dann simulierten sie, wie Photonen unterschiedlicher Energien mit diesen Materialien interagieren würden. Das Ziel war es zu sehen, ob die Roherde deutlich dicker als Beton sein müsste, um den gleichen Schutzgrad zu bieten.

Die Studie ergab, dass bei den häufigsten Energieniveaus, die in diesen Experimenten vorkommen, die chemische Zusammensetzung des Materials eine sehr geringe Rolle spielt. Wenn Photonen Energien um eine Million Elektronenvolt haben, interagieren sie primär durch einen Prozess namens Compton-Streuung mit Materie. Bei dieser Wechselwirkung prallt das Photon von einem Elektron ab, verliert ein wenig Energie und setzt seinen Weg fort. Die Forscher fanden heraus, dass in diesem Energiebereich die Fähigkeit eines Materials, die Strahlung zu stoppen, fast ausschließlich von seiner Dichte und dem Gehalt an Wasserstoff abhängt und nicht von den spezifischen Arten der Atome, aus denen es besteht. Da Roherde eine geringere Dichte als Beton aufweist, muss sie einfach dicker sein, um dieselbe Aufgabe zu erfüllen. Die Berechnungen zeigten, dass ein Block aus Roherde etwa 20 Prozent dicker sein müsste als ein Block aus Beton, um die exakt gleiche Reduktion der Strahlung zu erreichen. Dieser Unterschied bleibt über einen weiten Bereich höherer Energien hinweg bestehen, wo Photonen Kaskaden sekundärer Teilchen, sogenannte elektromagnetische Schauer, erzeugen.

Die Situation ändert sich leicht bei niedrigeren Energien, unter einhunderttausend Elektronenvolt. Hier übernimmt eine andere Wechselwirkung, der photoelektrische Effekt, bei dem das Photon vollständig von einem Atom absorbiert wird. In diesem Bereich spielen die spezifischen Arten von Atomen im Material eine Rolle, und das Vorhandensein von Feuchtigkeit in der Roherde wird bedeutsamer. Da Roherde Wasser aufnimmt, kann die Menge an Wasser innerhalb eines Blocks mit den Jahreszeiten variieren. Die Forscher fanden heraus, dass diese Feuchtigkeit zwar einen vernachlässigbaren Effekt auf hochenergetische Strahlung hat, aber die Abschirmwirkung für niederenergetische Photonen um bis zu zehn Prozent verändern kann. Trotz dieser Schwankungen bleibt die Roherde sehr effektiv beim Stoppen niederenergetischer Strahlung und blockiert diese oft wesentlich vollständiger als die höherenergetische Strahlung.

Um sicherzustellen, dass ihre digitalen Modelle genau waren, führten die Teams physische Experimente mit einer radioaktiven Quelle und einem spezialisierten Detektor durch. Sie maßen, wie viel Strahlung durch tatsächliche Blöcke aus recycelter Stampferde mit unterschiedlichen Dichten drang. Die Ergebnisse aus diesen realen Tests stimmten eng mit ihren Computersimulationen überein, was bestätigte, dass ihre Modelle zuverlässig sind. Die Studie kam zu dem Schluss, dass die Dichte der primäre Faktor ist, der den Unterschied zwischen Beton und Roherde als Abschirmmaterial bestimmt. Obwohl die Roherde diese zusätzliche 20 Prozent an Dicke benötigt, bietet sie eine überzeugende Alternative, die weitaus weniger Emissionen erzeugt und weniger Energie bei der Herstellung verbraucht.

Die Ergebnisse legen nahe, dass nachhaltige Materialien wie Stampferde eine praktikable Option für die Abschirmung gegen ionisierende Strahlung in Hochenergiephysik-Anlagen sind. Die Forschung zeigt, dass der Kompromiss unkompliziert ist: eine etwas dickere Wand aus Erde anstelle von Beton. Diese geringfügige Zunahme der Größe ist ein vertretbarer Kompromiss für die erheblichen ökologischen Vorteile. Der Autor merkt an, dass diese Ergebnisse zwar ermutigend sind, jedoch weitere Studien notwendig sind, um andere Arten von Strahlung zu testen und das Verständnis darüber zu verfeinern, wie sich diese Materialien im Laufe der Zeit verhalten. Für den Moment bietet die Arbeit einen klaren Weg nach vorn, um die nächste Generation von Physik-Experimenten mit einem geringeren ökologischen Fußabdruck auf den Planeten zu bauen.