Study of the properties of sustainable materials for shielding against ionizing radiations
सुशी (SuShi) प्रोजेक्ट अध्ययन यह प्रदर्शित करता है कि जबकि कम घनत्व के कारण कम MeV-सीमा वाली आयनकारी विकिरण से बचाव के लिए टिकाऊ राम्ड अर्थ (rammed earth) को कंक्रीट की तुलना में लगभग 20% अधिक मोटाई की आवश्यकता होती है, इसकी संरचना और नमी की मात्रा 0.1 MeV से नीचे की ऊर्जाओं पर क्षीणन (attenuation) को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है।
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उच्च-ऊर्जा भौतिकी की दुनिया में, वैज्ञानिक विशाल मशीनें बनाते हैं ताकि वे कणों को आपस में टकरा सकें और ब्रह्मांड के मूलभूत निर्माण खंडों का अध्ययन कर सकें। ये प्रयोग आयनकारी विकिरण (ionizing radiation) के तीव्र विस्फोट उत्पन्न करते हैं, जो ऊर्जा का एक ऐसा रूप है जो जीवित ऊतकों और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को नुकसान पहुँचाने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है। लोगों और मशीनों को सुरक्षित रखने के लिए, शोधकर्ताओं को इन प्रयोगों के चारों ओर मोटी दीवारें बनानी होती हैं जो इस विकिरण को रोकने के लिए डिज़ाइन की गई हों। दशकों से, इन दीवारों के लिए मानक सामग्री कंक्रीट रही है। यह मजबूत, सस्ती और प्रभावी है, लेकिन इसकी एक भारी पर्यावरणीय कीमत चुकानी पड़ती है। कंक्रीट का उत्पादन भारी मात्रा में ग्रीनहाउस गैसों को छोड़ता है और कचरे की विशाल मात्रा उत्पन्न करता है। जैसे-जैसे वैज्ञानिक समुदाय अधिक टिकाऊ सुविधाएं बनाने की दिशा में बढ़ रहा है, एक महत्वपूर्ण प्रश्न उठता है: क्या हम सुरक्षा से समझौता किए बिना पर्यावरण के अनुकूल सामग्रियों के साथ कंक्रीट के ब्लॉकों को बदल सकते हैं?
यह प्रश्न 'सुशी' (SUSHI) प्रोजेक्ट के केंद्र में है, जो फ्रांस के यूनिवर्सिटी ऑफ ग्रेनोबल-एल्प्स में भौतिक विज्ञानी जूलियन फेवरे के नेतृत्व में एक अध्ययन है। यह परियोजना इस बात की जांच करती है कि क्या टिकाऊ सामग्रियां, विशेष रूप से 'रैम्ड रॉ अर्थ' (rammed raw earth - कुटी हुई कच्ची मिट्टी), आयनकारी विकिरण के खिलाफ एक प्रभावी ढाल के रूप में काम कर सकती हैं। रैम्ड रॉ अर्थ एक प्राचीन निर्माण तकनीक है जहाँ मिट्टी को ठोस ब्लॉकों में संकुचित किया जाता है। इसका उपयोग निर्माण में व्यापक रूप से किया जाता है क्योंकि यह प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है, इसे बनाने में बहुत कम ऊर्जा लगती है, और इसे पुनर्चक्रित (recycle) किया जा सकता है। शोधकर्ता जानना चाहते थे कि क्या यह साधारण सामग्री आधुनिक कंक्रीट की तुलना में विकिरण के खतरों का सामना कर सकती है। यह जानने के लिए, उन्होंने तुलना की कि फोटॉन—प्रकाश ऊर्जा के पैकेट जो इन प्रयोगों में विकिरण का एक महत्वपूर्ण हिस्सा होते हैं—कंक्रीट के ब्लॉकों बनाम कच्चे अर्थ के ब्लॉकों के माध्यम से कैसे गुजरते हैं। उन्होंने यह देखा कि इन सामग्रियों की मोटाई, घनत्व और रासायनिक संरचना इन प्रयोगों में विकिरण को रोकने की उनकी क्षमता को, निम्न-ऊर्जा फोटॉन से लेकर अत्यंत उच्च ऊर्जा वाले फोटॉन तक, कैसे प्रभावित करती है।
शोधकर्ताओं ने दोनों सामग्रियों के डिजिटल मॉडल बनाकर शुरुआत की। कंक्रीट के लिए, उन्होंने रेत और बजरी के मिश्रण के साथ सीमेंट के एक मानक नुस्खे का उपयोग किया। कच्चे अर्थ (raw earth) के लिए, उन्होंने रेत, बजरल और मिट्टी (clay) के मिश्रण का मॉडल बनाया, जो एक प्राकृतिक बाइंडर के रूप में कार्य करता है। उन्होंने इस तथ्य को भी ध्यान में रखा कि कच्ची मिट्टी छिद्रपूर्ण होती है और हवा से नमी सोखती है, इसलिए उन्होंने वास्तविक दुनिया की स्थितियों को दर्शाने के लिए अपनी गणनाओं में थोड़ी मात्रा में पानी शामिल किया। फिर उन्होंने सिमुलेशन के माध्यम से देखा कि विभिन्न ऊर्जाओं के फोटॉन इन सामग्रियों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करेंगे। लक्ष्य यह देखना था कि क्या कच्चे अर्थ को समान स्तर की सुरक्षा प्रदान करने के लिए कंक्रीट की तुलना में काफी अधिक मोटा होने की आवश्यकता है।
अध्ययन से पता चला कि इन प्रयोगों में पाए जाने वाले सबसे सामान्य ऊर्जा स्तरों के लिए, सामग्री की रासायनिक संरचना बहुत कम मायने रखती है। जब फोटॉन की ऊर्जा दस लाख इलेक्ट्रॉन वोल्ट के आसपास होती है, तो वे मुख्य रूप से 'कॉम्पटन स्कैटरिंग' (Compton scattering) नामक प्रक्रिया के माध्यम से पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। इस परस्पर क्रिया में, फोटॉन एक इलेक्ट्रॉन से टकराकर अपना रास्ता बदल लेता है, जिससे वह थोड़ी ऊर्जा खो देता है लेकिन अपने पथ पर आगे बढ़ता रहता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस ऊर्जा सीमा में, विकिरण को रोकने की सामग्री की क्षमता विशिष्ट प्रकार के परमाणुओं के बजाय मुख्य रूप से उसके घनत्व और उसमें मौजूद हाइड्रोजन की मात्रा पर निर्भर करती है। चूंकि कच्ची मिट्टी कंक्रीट की तुलना में कम घनी होती है, इसलिए इसे समान कार्य करने के लिए बस अधिक मोटा होने की आवश्यकता होती है। गणनाओं ने दिखाया कि कच्चे अर्थ का एक ब्लॉक कंक्रीट के ब्लॉक की तुलना में ठीक समान विकिरण कमी प्राप्त करने के लिए लगभग 20 प्रतिशत अधिक मोटा होना चाहिए। यह अंतर उच्च ऊर्जाओं की एक विस्तृत श्रृंखला में भी सुसंगत है, जहाँ फोटॉन 'इलेक्ट्रोमैग्नेटिक शॉवर्स' (electromagnetic showers) नामक माध्यमिक कणों की श्रृंखला बनाते हैं।
स्थिति कम ऊर्जा पर, यानी एक लाख इलेक्ट्रॉन वोल्ट से नीचे, थोड़ी बदल जाती है। यहाँ, 'फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट' (photoelectric effect) नामक एक अलग परस्पर क्रिया प्रभावी हो जाती है, जहाँ फोटॉन पूरी तरह से एक परमाणु द्वारा अवशोषित कर लिया जाता है। इस सीमा में, सामग्री में मौजूद विशिष्ट प्रकार के परमाणु मायने रखते हैं, और कच्चे अर्थ में नमी की उपस्थिति अधिक महत्वपूर्ण हो जाती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि इस नमी का उच्च-ऊर्जा विकिरण पर नगण्य प्रभाव पड़ता है, यह निम्न-ऊर्जा फोटॉन के लिए सुरक्षा प्रभावशीलता को दस प्रतिशत तक बदल सकता है। हालांकि, इन विविधताओं के बावजूद, कच्ची मिट्टी निम्न-ऊ로 विकिरण को रोकने में अत्यधिक प्रभावी रहती है, और अक्सर उच्च-ऊर्जा विकिरण की तुलना में इसे बहुत अधिक पूर्णता से रोकती है।
अपने डिजिटल मॉडल की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए, टीम ने एक रेडियोधर्मी स्रोत और एक विशेष डिटेक्टर का उपयोग करके भौतिक प्रयोग किए। उन्होंने अलग-अलग घनत्व वाले पुनर्चक्रित रैम्ड रॉ अर्थ के वास्तविक ब्लॉकों के माध्यम से कितनी विकिरण गुजरती है, इसका मापन किया। वास्तविक दुनिया के इन परीक्षणों से प्राप्त परिणाम उनके कंप्यूटर सिमुलेशन से बारीकी से मेल खाते हैं, जो पुष्टि करते हैं कि उनके मॉडल विश्वसनीय हैं। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि घनत्व ही कंक्रीट और कच्चे अर्थ के बीच ढाल सामग्री के रूप में अंतर निर्धारित करने वाला प्राथमिक कारक है। हालांकि कच्चे अर्थ को अतिरिक्त 20 प्रतिशत मोटाई की आवश्यकता होती है, लेकिन यह एक आकर्षक विकल्प प्रदान करता है जो बहुत कम उत्सर्जन उत्पन्न करता है और इसे बनाने में कम ऊर्जा का उपयोग करता है।
निष्कर्ष बताते हैं कि रैम्ड रॉ अर्थ जैसी टिकाऊ सामग्रियां उच्च-ऊर्जा भौतिकी सुविधाओं में आयनकारी विकिरण के खिलाफ ढाल के रूप में एक व्यवहार्य विकल्प हैं। अनुसंधान इंगित करता है कि ट्रेड-ऑफ सीधा है: कंक्रीट के बजाय मिट्टी से बनी थोड़ी मोटी दीवार। आकार में यह मामूली वृद्धि, प्राप्त होने वाले महत्वपूर्ण पर्यावरणीय लाभों के लिए एक प्रबंधनीय समझौता है। लेखक का कहना है कि हालांकि ये परिणाम उत्साहजनक हैं, लेकिन अन्य प्रकार के विकिरण का परीक्षण करने और यह समझने के लिए कि ये सामग्रियां समय के साथ कैसे व्यवहार करती हैं, आगे के अध्ययन की आवश्यकता है। फिलहाल, यह कार्य ग्रह पर कम प्रभाव वाली अगली पीढ़ी के भौतिकी प्रयोगों के निर्माण के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।
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