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

In de wereld van de hogenergetische fysica bouwen wetenschappers enorme machines om deeltjes op elkaar te laten botsen en de fundamentele bouwstenen van het universum te bestuderen. Deze experimenten produceren intense uitbarstingen van ioniserende straling, een vorm van energie die krachtig genoeg is om levend weefsel en elektronische apparatuur te beschadigen. Om mensen en machines veilig te houden, moeten onderzoekers deze experimenten omringen met dikke muren die ontworpen zijn om deze straling tegen te houden. Decennialang is beton de standaard voor deze muren geweest. Het is sterk, goedkoop en effectief, maar het brengt een zware prijs met zich mee voor de planeet. De productie van beton stoot enorme hoeveelheden broeikasgassen uit en genereert enorme hoeveelheden afval. Terwijl de wetenschappelijke gemeenschap streeft naar het bouwen van duurzamere faciliteiten, rijst een cruciale vraag: kunnen we de betonblokken vervangen door materialen die vriendelijker zijn voor het milieu zonder de veiligheid in gevaar te brengen?

Deze vraag staat centraal in het SUSHI-project, een studie onder leiding van natuurkundige Julien Faivre aan de Universiteit van Grenoble-Alpes in Frankrijk. Het project onderzoekt of duurzame materialen, specifiek gestampte aarde, een effectief schild kunnen vormen tegen ioniserende straling. Gestampte aarde is een eeuwenoude bouwtechniek waarbij grond wordt samengeperst tot solide blokken. Het wordt veel gebruikt in de bouw omdat het overvloedig aanwezig is, zeer weinig energie vereist om te produceren en gerecycled kan worden. De onderzoekers wilden weten of dit nederige materiaal bestand zou zijn tegen dezelfde stralingsdreigingen als modern beton. Om dit te achterhalen, vergeleken ze hoe fotonen — pakketjes lichtenergie die een aanzienlijk deel van de straling in deze experimenten uitmaken — door blokken beton versus blokken aarde passeren. Ze keken naar hoe de dikte, dichtheid en chemische samenstelling van deze materialen hun vermogen beïnvloeden om de straling tegen te houden, variërend van laagenergetische fotonen tot fotonen met extreem hoge energie.

De onderzoekers begonnen met het maken van digitale modellen van beide materialen. Voor het beton gebruikten ze een standaardrecept van cement gemengd met zand en grind. Voor de aarde modelleerden ze een mengsel van zand, grind en klei, wat fungeert als een natuurlijke bindstof. Ze hielden rekening met het feit dat gestampte aarde poreus is en vocht uit de lucht absorbeert, dus zij voegden een kleine hoeveelheid water toe aan hun berekeningen om de werkelijke omstandigheden te weerspiegelen. Vervolgens simuleerden ze hoe fotonen met verschillende energieën met deze materialen zouden interageren. Het doel was om te zien of de aarde aanzienlijk dikker zou moeten zijn dan beton om hetzelfde beschermingsniveau te bieden.

De studie toonde aan dat voor de meest voorkomende energieniveaus in deze experimenten, de chemische samenstelling van het materiaal er nauwelijks toe doet. Wanneer fotonen energieën hebben rond de één miljoen elektronvolt, interageren ze met materie voornamelijk via een proces dat Comptonverstrooiing wordt genoemd. In deze interactie botst het foton tegen een elektron, verliest een beetje energie, maar vervolgt zijn pad. De onderzoekers ontdekten dat in dit energiebereik het vermogen van een materiaal om de straling tegen te houden bijna volledig afhangt van de dichtheid en de hoeveelheid waterstof die het bevat, in plaats van de specifieke soorten atomen waaruit het is opgebouwd. Omdat gestampte aarde minder dicht is dan beton, moet het simpelweg dikker zijn om dezelfde taak te volbrengen. De berekeningen toonden aan dat een blok aarde ongeveer 20 procent dikker zou moeten zijn dan een blok beton om exact dezelfde reductie in straling te bereiken. Dit verschil is consistent over een breed scala aan hogere energieën, waar fotonen cascades van secundaire deeltjes creëren die elektromagnetische showers worden genoemd.

De situatie verandert enigszins bij lagere energieën, onder de honderdduizend elektronvolt. Hier neemt een andere interactie, het foto-elektrisch effect genoemd, het over, waarbij het foton volledig wordt geabsorbeerd door een atoom. In dit bereik doen de specifieke soorten atomen in het materiaal er wel degelijk toe, en wordt de aanwezigheid van vocht in de aarde significanter. Omdat aarde water absorbeert, kan de hoeveelheid water in een blok variëren met de seizoenen. De onderzoekers ontdekten dat hoewel dit vocht een verwaarloosbaar effect heeft op hoogenergetische straling, het de effectiviteit van de afscherming voor laagenergetische fotonen met wel tien procent kan veranderen. Echter, zelfs met deze variaties blijft de aarde zeer effectief in het tegenhouden van laagenergetische straling, en blokkeert het vaak veel vollediger dan het hogere energieën blokkeert.

Om er zeker van te zijn dat hun digitale modellen nauwkeurig waren, voerde het team fysieke experimenten uit met een radioactieve bron en een gespecialiseerde detector. Ze maten hoeveel straling er door werkelijke blokken gerecyclede gestampte aarde met verschillende dichtheden kwam. De resultaten van deze tests in de echte wereld kwamen nauw overeen met hun computersimulaties, wat bevestigde dat hun modellen betrouwbaar waren. De studie concludeerde dat dichtheid de belangrijkste factor is die het verschil tussen beton en aarde als afschermingsmateriaal bepaalt. Hoewel de aarde die extra 20 procent aan dikte vereist, biedt het een overtuigend alternatief dat veel minder emissies genereert en minder energie verbruikt om te produceren.

De bevindingen suggereren dat duurzame materialen zoals gestampte aarde een levensvatbare optie zijn voor de afscherming tegen ioniserende straling in faciliteiten voor hogenergetische fysica. Het onderzoek geeft aan dat de afweging eenvoudig is: een iets dikkere wand van aarde in plaats van beton. Deze kleine toename in omvang is een beheersbaar compromis voor de aanzienlijke milieuvoordelen die worden behaald. De auteur merkt op dat hoewel deze resultaten bemoedigend zijn, verdere studies nodig zijn om andere soorten straling te testen en het begrip van hoe deze materialen zich in de loop van de tijd gedragen te verfijnen. Voor nu biedt het werk een duidelijk pad vooruit om de volgende generatie natuurkundige experimenten te bouwen met een kleinere ecologische voetafdruk op de planeet.