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

Nel mondo della fisica delle alte energie, gli scienziati costruiscono macchine massicce per far scontrare particelle e studiare i blocchi fondamentali che compongono l'universo. Questi esperimenti producono intensi impulsi di radiazioni ionizzanti, una forma di energia abbastanza potente da danneggiare i tessuti viventi e le apparecchiature elettroniche. Per proteggere persone e macchine, i ricercatori devono circondare questi esperimenti con spessi muri progettati per fermare questa radiazione. Per decenni, il materiale standard per queste pareti è stato il calcestruzzo. È resistente, economico ed efficace, ma comporta un prezzo pesante per il pianeta. La produzione di calcestruzzo rilascia enormi quantità di gas serra e genera enormi quantità di rifiuti. Mentre la comunità scientifica cerca di costruire strutture più sostenibili, sorge una domanda critica: possiamo sostituire i blocchi di calcestruzzo con materiali che siano più gentili con l'ambiente senza compromettere la sicurezza?

Questa domanda è al cuore del progetto SUSHI, uno studio guidato dal fisico Julien Faivre dell'Università di Grenoble-Alpes, in Francia. Il progetto indaga se materiali sostenibili, nello specifico la terra cruda compattata, possano servire come scudi efficaci contro le radiazioni ionizzanti. La terra cruda compattata è un'antica tecnica di costruzione in cui il suolo viene compresso in blocchi solidi. È ampiamente utilizzata nell'edilizia perché è abbondante, richiede pochissima energia per essere prodotta e può essere riciclata. I ricercatori volevano sapere se questo umile materiale potesse resistere alle stesse minacce da radiazione del calcestruzzo moderno. Per scoprirlo, hanno confrontato come i fotoni — pacchetti di energia luminosa che costituiscono una parte significativa della radiazione in questi esperimenti — passano attraverso blocchi di calcestruzzo rispetto a blocchi di terra cruda. Hanno esaminato come lo spessore, la densità e la composizione chimica di questi materiali influenzino la loro capacità di fermare la radiazione, da fotoni a bassa energia fino a quelli con energia estremamente elevata.

I ricercatori hanno iniziato creando modelli digitali di entrambi i materiali. Per il calcestruzzo, hanno utilizzato una ricetta standard di cemento mescolato con sabbia e ghiaia. Per la terra cruda, hanno modellato una miscela di sabbia, ghiaia e argilla, che funge da legante naturale. Hanno tenuto conto del fatto che la terra cruda è porosa e assorbe l'umidità dall'aria, quindi hanno incluso una piccola quantità di acqua nei loro calcoli per riflettere le condizioni del mondo reale. Hanno poi simulato come i fotoni di diverse energie interagirebbero con questi materiali. L'obiettivo era vedere se la terra cruda dovesse essere significativamente più spessa del calcestruzzo per fornire lo stesso livello di protezione.

Lo studio ha rivelato che, per i livelli di energia più comuni presenti in questi esperimenti, la composizione chimica del materiale conta molto poco. Quando i fotoni hanno energie intorno a un milione di elettronvolt, interagiscono con la materia principalmente attraverso un processo chiamato scattering Compton. In questa interazione, il fotone rimbalza su un elettrone, perdendo un po' di energia ma continuando il suo percorso. I ricercatori hanno scoperto che, in questo intervallo di energia, la capacità di un materiale di fermare la radiazione dipende quasi interamente dalla sua densità e da quanto idrogeno contiene, piuttosto che dai tipi specifici di atomi di cui è composto. Poiché la terra cruda è meno densa del calcestruzzo, deve semplicemente essere più spessa per svolgere lo stesso lavoro. I calcoli hanno mostato che un blocco di terra cruda dovrebbe essere circa il 20 percento più spesso di un blocco di calcestruzzo per ottenere la stessa identica riduzione della radiazione. Questa differenza è coerente in un ampio intervallo di energie superiori, dove i fotoni creano cascate di particelle secondarie note come piogge elettromagnetiche.

La situazione cambia leggermente alle energie più basse, al di sotto dei cento mila elettronvolt. Qui, un'interazione diversa chiamata effetto fotoelettrico prende il sopravvento, in cui il fotone viene completamente assorbito da un atomo. In questo intervallo, i tipi specifici di atomi nel materiale contano davvero, e la presenza di umidità nella terra cruda diventa più significativa. Poiché la terra cruda assorbe acqua, la quantità di acqua all'interno di un blocco può variare con le stagioni. I ricercatori hanno scoperto che, sebbene questa umidità abbia un effetto trascurabile sulla radiazione ad alta energia, può cambiare l'efficacia dello schermo fino al dieci per cento per i fotoni a bassa energia. Tuttavia, anche con queste variazioni, la terra cruda rimane altamente efficace nel fermare la radiazione a bassa energia, bloccandola spesso molto più completamente di quanto faccia con la radiazione ad alta energia.

Per garantire che i loro modelli digitali fossero accurati, il team ha condotto esperimenti fisici utilizzando una sorgente radioattiva e un rilevatore specializzato. Hanno misurato quanta radiazione passava attraverso veri blocchi di terra cruda riciclata con diverse densità. I risultati di questi test nel mondo reale hanno corrisposto da vicino alle loro simulazioni al computer, confermando che i loro modelli erano affidabili. Lo studio ha concluso che la densità è il fattore primario che determina la differenza tra calcestruzzo e terra cruda come materiali di schermatura. Sebbene la terra cruda richieda quell'ulteriore 20 percento di spessore, offre un'alternativa convincente che genera molte meno emissioni e utilizza meno energia per essere prodotta.

I risultati suggeriscono che materiali sostenibili come la terra cruda compattata sono un'opzione praticabile per la schermatura contro le radiazioni ionizzanti nelle strutture di fisica delle alte energie. La ricerca indica che il compromesso è semplice: un muro leggermente più spesso fatto di terra invece che di calcestruzzo. Questo piccolo aumento di dimensioni è un compromesso gestibile per i significativi benefici ambientali ottenuti. L'autore osserva che, sebbene questi risultati siano incoraggianti, sono necessari ulteriori studi per testare altri tipi di radiazioni e per affinare la comprensione di come questi materiali si comportano nel tempo. Per ora, il lavoro fornisce una via chiara per costruire la prossima generazione di esperimenti di fisica con un'impronta ecologica più leggera sul pianeta.