Infrastrukturanalyse mit Myonen

Hochenergetische Teilchenschauer prasseln unablässig auf die Erde nieder. Sie sind das Produkt von Reaktionen der kosmischen Strahlung mit Gasmolekülen der Erdatmosphäre und werden auch sekundäre kosmische Strahlung genannt. Manche Forscher versuchen, die sensible irdische Technik vor diesen Geschossen zu schützen. Andere suchen gezielt nach solchen Teilchen, um etwas über sie zu lernen oder mit ihnen Astronomie zu betreiben. Wissenschaftler um J. M. Durham vom Los Alamos National Laboratory in den USA haben Anderes vor: Sie wollen Myonen der sekundären kosmischen Strahlung nutzen, um beschädigte Leitungen oder Rohre in der Infrastruktur ausfindig zu machen.

Zwei unscharfe Bilder einer Form, die einer Sanduhr ähnelt. Jeweils ein Pfeil, unter einem Objekt steht „open“, unter dem anderen „closed“.
Myonen-Tomografie eines Absperrventils

„Durch ihre Eigenschaften können Myonen unproblematisch dichte Materie durchdringen und bieten sich dafür an, die innere Zusammensetzung von Objekten zu untersuchen“, schreiben die Forscher im Fachblatt „AIP Advances“. Myonen sind hochenergetisch, unterliegen nicht der starken Wechselwirkung und haben im Vergleich zu Elektronen eine relativ hohe Masse. Außerdem sind sie als natürliche Strahlung schon in der Atmosphäre enthalten und müssen nicht extra erzeugt werden. Daher sei Myonen-Tomografie eine sinnvolle Ergänzung zu den herkömmlichen bildgebenden Verfahren, die mit Röntgenstrahlung oder Ultraschall arbeiten, so die Wissenschaftler.

Für ihre Studie nutzten Durham und Kollegen einen sogenannten Mini-Myonen-Tracker. Er besteht aus zwei Detektoren für geladene Teilchen. Die untersuchten Proben legten die Forscher zwischen die beiden Sensorelemente, um die eingehende und ausgehende Strahlung messen zu können. Der Raum zwischen den Detektoren ist in Volumenelemente aufgeteilt. Aus der gemessenen Ablenkung der Teilchen in jeder einzelnen Schicht wird das Gesamtbild erzeugt. Als Proben vermaßen die Forscher typische Bauelemente von Energieleitsystemen wie Betonplatten von 7 bis 20 Zentimetern Dicke, Absperrventile und Stahlrohre mit einem Durchmesser von zehn Zentimetern.

So hoch aufgelöst wie die Bilder mit Röntgenstrahlung oder Ultraschall sind die Ergebnisse der Myonen-Topografie allerdings nicht. Gerade bei Beton konnten die Forscher nur grob zwischen den Platten mit verschiedenen Ausmaßen unterscheiden. Allerdings hat das Verfahren gezeigt, ob die Absperrventile offen oder geschlossen und bei welchen Rohren die Wände dünner oder dicker waren. Das ist wichtig, um in der Praxis Erosion und Verschleiß von Material bestimmen zu können.

Die Forscher sehen in ihrer Idee eine lohnende Anwendung für die Energieindustrie. Gerade weil Myonen auch Beton oder Isolierungen durchdringen, sollen sie sich für Messungen während des regulären Betriebs eignen. So könnten Kontrolleure beispielsweise Leitungen und Rohre direkt in den Leitungssystemen scannen und müssten sie nicht extra ausbauen. Oder sie könnten die allgegenwärtigen Teilchen nutzen, um eine grobe Erstüberprüfung des Leitungssystems vorzunehmen. Gefundene Schwachstellen könnte man sich dann immer noch mit den herkömmlichen Verfahren genauer betrachten.