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

En el mundo de la física de altas energías, los científicos construyen máquinas masivas para hacer chocar partículas y estudiar los componentes fundamentales del universo. Estos experimentos producen ráfagas intensas de radiación ionizante, una forma de energía lo suficientemente poderosa como para dañar el tejido vivo y el equipo electrónico. Para mantener seguros tanto a las personas como a las máquinas, los investigadores deben rodear estos experimentos con paredes gruesas diseñadas para detener esta radiación. Durante décadas, el material estándar para estas paredes ha sido el hormigón. Es fuerte, barato y eficaz, pero conlleva un alto precio para el planeta. La producción de hormigón libera enormes cantidades de gases de efecto invernadero y genera cuantiosas cantidades de residuos. A medida que la comunidad científica busca construir instalaciones más sostenibles, surge una pregunta crítica: ¿podemos reemplazar los bloques de hormigón por materiales que sean más amables con el medio ambiente sin comprometer la seguridad?

Esta pregunta está en el corazón del proyecto SUSHI, un estudio dirigido por el físico Julien Faivre en la Universidad de Grenoble-Alpes, en Francia. El proyecto investiga si los materiales sostenibles, específicamente la tierra apisonada, pueden servir como escudos eficaces contra la radiación ionizante. La tierra apisonada es una técnica de construcción antigua en la que el suelo se comprime en bloques sólidos. Se utiliza ampliamente en la construcción porque es abundante, requiere muy poca energía para su producción y puede reciclarse. Los investigadores querían saber si este humilde material podría hacer frente a las mismas amenazas de radiación que el hormigón moderno. Para averiguarlo, compararon cómo los fotones —paquetes de energía lumínica que constituyen una parte significativa de la radiación en estos experimentos— atraviesan bloques de hormigón frente a bloques de tierra cruda. Analizaron cómo el grosor, la densidad y la composición química de estos materiales afectan su capacidad para detener la radiación, desde fotones de baja energía hasta aquellos con energía extremadamente alta.

Los investigadores comenzaron creando modelos digitales de ambos materiales. Para el hormigón, utilizaron una receta estándar de cemento mezclado con arena y grava. Para la tierra cruda, modelaron una mezcla de arena, grava y arcilla, que actúa como un aglutinante natural. Tuvieron en cuenta el hecho de que la tierra cruda es porosa y absorbe la humedad del aire, por lo que incluyeron una pequeña cantidad de agua en sus cálculos para reflejar las condiciones del mundo real. Luego simularon cómo interactuarían los fotones de diferentes energías con estos materiales. El objetivo era ver si la tierra cruda necesitaba ser significativamente más gruesa que el hormigón para proporcionar el mismo nivel de protección.

El estudio reveló que, para los niveles de energía más comunes que se encuentran en estos experimentos, la composición química del material importa muy poco. Cuando los fotones tienen energías cercanas a un millón de electronvoltios, interactúan con la materia principalmente a través de un proceso llamado dispersión de Compton. En esta interacción, el fotón rebota en un electrón, perdiendo un poco de energía pero continuando su camino. Los investigadores descubrieron que, en este rango de energía, la capacidad de un material para detener la radiación depende casi por completo de su densidad y de cuánto hidrógeno contiene, más que de los tipos específicos de átomos de los que está hecho. Dado que la tierra cruda es menos densa que el hormigón, simplemente necesita ser más gruesa para hacer el mismo trabajo. Los cálculos mostraron que un bloque de tierra cruda necesitaría ser aproximadamente un 20 por ciento más grueso que un bloque de hormigón para lograr la misma reducción de radiación. Esta diferencia es consistente en un amplio rango de energías superiores, donde los fotones crean cascadas de partículas secundarias conocidas como lluvias electromagnéticas.

La situación cambia ligeramente a energías más bajas, por debajo de los cien mil electronvoltios. Aquí, un proceso de interacción diferente llamado efecto fotoeléctrico toma el control, en el cual el fotón es completamente absorbido por un átomo. En este rango, los tipos específicos de átomos en el material sí importan, y la presencia de humedad en la tierra cruda se vuelve más significativa. Debido a que la tierra cruda absorbe agua, la cantidad de agua dentro de un bloque puede variar con las estaciones. Los investigadores encontraron que, si bien esta humedad tiene un efecto insignificante en la radiación de alta energía, puede cambiar la eficacia del blindaje hasta en un diez por ciento para los fotones de baja energía. Sin embargo, incluso con estas variaciones, la tierra cruda sigue siendo altamente eficaz para detener la radiación de baja energía, bloqueándola a menudo de forma mucho más completa de lo que bloquea la radiación de mayor energía.

Para asegurar que sus modelos digitales fueran precisos, el equipo llevó a cabo experimentos físicos utilizando una fuente radiactiva y un detector especializado. Midieron cuánta radiación atravesaba bloques reales de tierra apisonada reciclada con diferentes densidades. Los resultados de estas pruebas del mundo real coincidieron estrechamente con sus simulaciones por computadora, confirmando que sus modelos eran fiables. El estudio concluyó que la densidad es el factor principal que determina la diferencia entre el hormigón y la tierra cruda como materiales de blindaje. Si bien la tierra cruda requiere ese 20 por ciento adicional de grosor, ofrece una alternativa convincente que genera muchas menos emisiones y utiliza menos energía para su producción.

Los hallazgos sugieren que los materiales sostenibles como la tierra apisonada son una opción viable para el blindaje contra la radiación ionizante en las instalaciones de física de altas energías. La investigación indica que el compromiso es sencillo: un muro ligeramente más grueso hecho de tierra en lugar de hormigón. Este pequeño aumento en el tamaño es un compromiso manejable para los significativos beneficios ambientales obtenidos. El autor señala que, aunque estos resultados son alentadores, se necesitan más estudios para probar otros tipos de radiación y para perfeccionar la comprensión de cómo se comportan estos materiales con el paso del tiempo. Por ahora, el trabajo proporciona un camino claro para construir la próxima generación de experimentos de física con una huella más ligera en el planeta.