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

No mundo da física de altas energias, cientistas constroem máquinas massivas para colidir partículas e estudar os blocos fundamentais de construção do universo. Esses experimentos produzem surtos intensos de radiação ionizante, uma forma de energia poderosa o suficiente para danificar tecidos vivos e equipamentos eletrônicos. Para manter pessoas e máquinas seguras, os pesquisadores devem cercar esses experimentos com paredes espessas projetadas para deter essa radiação. Durante décadas, o material padrão para essas paredes tem sido o concreto. É forte, barato e eficaz, mas vem com um alto preço para o planeta. A produção de concreto libera vastas quantidades de gases de efeito estufa e gera quantidades enormes de resíduos. À medida que a comunidade científica busca construir instalações mais sustentáveis, surge uma questão crítica: podemos substituir os blocos de concreto por materiais que sejam mais gentis com o meio ambiente sem comprometer a segurança?

Esta questão está no cerne do projeto SUSHI, um estudo liderado pelo físico Julien Faivre, da Universidade de Grenoble-Alpes, na França. O projeto investiga se materiais sustentáveis, especificamente a terra batida, podem servir como escudos eficazes contra a radiação ionizante. A terra batida é uma técnica de construção antiga onde o solo é comprimido em blocos sólidos. É amplamente utilizada na construção civil porque é abundante, requer muito pouca energia para ser produzida e pode ser reciclada. Os pesquisadores queriam saber se esse material humilde poderia enfrentar as mesmas ameaças de radiação que o concreto moderno. Para descobrir, eles compararam como os fótons — pacotes de energia luminosa que constituem uma parte significativa da radiação nesses experimentos — passam através de blocos de concreto versus blocos de terra batida. Eles observaram como a espessura, a densidade e a composição química desses materiais afetam sua capacidade de deter a radiação, variando de fótons de baixa energia até aqueles com energia extremamente alta.

Os pesquisadores começaram criando modelos digitais de ambos os materiais. Para o concreto, utilizaram uma receita padrão de cimento misturado com areia e cascalho. Para a terra batida, modelaram uma mistura de areia, cascalho e argila, que atua como um aglutinante natural. Eles levaram em conta o fato de que a terra batida é porosa e absorve umidade do ar, portanto, incluíram uma pequena quantidade de água em seus cálculos para refletir as condições do mundo real. Em seguida, simularam como fótons de diferentes energias interagiriam com esses materiais. O objetivo era ver se a terra batida precisaria ser significativamente mais espessa do que o concreto para fornecer o mesmo nível de proteção.

O estudo revelou que, para os níveis de energia mais comuns encontrados nesses experimentos, a composição química do material importa muito pouco. Quando os fótons têm energias em torno de um milhão de elétron-volts, eles interagem com a matéria principalmente através de um processo chamado espalhamento Compton. Nesta interação, o fóton ricocheteia em um elétron, perdendo um pouco de energia, mas continuando seu caminho. Os pesquisadores descobriram que, nesta faixa de energia, a capacidade de um material de deter a radiação depende quase inteiramente de sua densidade e de quanto hidrogênio ele contém, em vez dos tipos específicos de átomos de que é feito. Como a terra batida é menos densa que o concreto, ela simplesmente precisa ser mais espessa para realizar o mesmo trabalho. Os cálculos mostraram que um bloco de terra batida precisaria ser cerca de 20 por cento mais espesso do que um bloco de concreto para alcançar exatamente a mesma redução na radiação. Essa diferença é consistente em uma ampla gama de energias mais altas também, onde os fótons criam cascata de partículas secundárias conhecidas como chuvas eletromagnéticas.

A situação muda ligeiramente em energias mais baixas, abaixo de cem mil elétron-volts. Aqui, uma interação diferente chamada efeito fotoelétrico assume o controle, onde o fóton é completamente absorvido por um átomo. Nesta faixa, os tipos específicos de átomos no material realmente importam, e a presença de umidade na terra batida torna-se mais significativa. Como a terra batida absorve água, a quantidade de água dentro de um bloco pode variar com as estações. Os pesquisadores descobriram que, embora essa umidade tenha um efeito negligenciável na radiação de alta energia, ela pode alterar a eficácia do blindagem em até dez por cento para fótons de baixa energia. No entanto, mesmo com essas variações, a terra batida permanece altamente eficaz em deter a radiação de baixa energia, muitas vezes bloqueando-a muito mais completamente do que bloqueia a radiação de maior energia.

Para garantir que seus modelos digitais fossem precisos, a equipe conduziu experimentos físicos usando uma fonte radioativa e um detector especializado. Eles mediram quanta radiação passava através de blocos reais de terra batida reciclada com diferentes densidades. Os resultados desses testes do mundo real coincidiram de perto com suas simulações de computador, confirmando que seus modelos eram confiáveis. O estudo concluiu que a densidade é o principal fator que determina a diferença entre o concreto e a terra batida como materiais de blindagem. Embora a terra batida exija esse 20 por cento extra de espessura, ela oferece uma alternativa atraente que gera muito menos emissões e utiliza menos energia para ser produzida.

As descobertas sugerem que materiais sustentáveis como a terra batida são uma opção viável para blindagem contra radiação ionizante em instalações de física de altas energias. A pesquisa indica que a compensação é direta: uma parede ligeiramente mais espessa feita de terra em vez de concreto. Este pequeno aumento no tamanho é um compromisso gerenciável para os significativos benefícios ambientais obtidos. O autor observa que, embora estes resultados sejam encorajadores, estudos adicionais são necessários para testar outros tipos de radiação e para refinar a compreensão de como esses materiais se comportam ao longo do tempo. Por enquanto, o trabalho fornece um caminho claro para construir a próxima geração de experimentos de física com uma pegada menor no planeta.