Polscy naukowcy znów zadziwili świat. Ich działo neutronowe pozwoli bezpiecznie zbadać dno morza

Zespół dra Michała Silarskiego i prof. Pawła Moskala z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego pracuje nad ukończeniem pierwszego detektora opartego na dziale neutronowym, które w sposób bezpieczny i bez zakłóceń, wykryje na dnie morza groźne substancje, a następnie zbada ich skład. Urządzenie może przydać się w badaniu niebezpiecznych pozostałości po drugiej wojnie światowej, zalegających na dnie Bałtyku. Naukowcy muszą się jednak spieszyć, bo nie wiadomo kiedy niebezpieczne substancje wyciekną z zardzewiałych beczek i zatrują bezpowrotnie akwen oraz plaże.

Zgodnie z zapewnieniami Centrum Transferu Technologii CITTRU innowacyjny detektor określi skład chemiczny zalegających na dnie substancji za pomocą niewielkiego działa neutronowego i opracowanego systemu informatycznego. Jego zaletą jest możliwość określenia substancji w sposób zdalny i całkowicie bezpieczny dla saperów i naukowców.

Naukowcy pracujący nad prototypem dowiedli wcześniej, że dzięki wykorzystaniu działa neutronowego możliwe jest określenie, z jakich pierwiastków składają się substancje w obiektach, które leżą na dnie zbiorników wodnych. Kolejne badania pozwoliły stworzyć koncepcję detektora, który wyeliminuje z odczytu zakłócenia, jakie powstają w stosowaniu tej metody w wodzie. Dzięki temu będzie można precyzyjnie określić skład pierwiastkowy zatopionych substancji i na tej podstawie je identyfikować. W oparciu o zdobyte w ten sposób dane będzie wiadomo, jak należy dalej postępować – jak zabezpieczyć i zneutralizować materiał niebezpieczny. Kluczową zaletą polskiej metody jest możliwość identyfikacji niebezpiecznego materiału zdalnie, bez udziału nurka, co niweluje ryzyko, jakie wynika z kontaktu z amunicją konwencjonalną lub chemiczną. Co więcej, analizy badawcze z wykorzystaniem działa neutronowego będzie można prowadzić także na większych głębokościach.

Detektor krakowskich naukowców ma wykorzystywać działo neutronowe niewielkich rozmiarów. Po ukończeniu wszystkich prac ma być tak małe, że można będzie porównać je do walizki.
– Może być ono zamontowane na podwodnej, zdalnie sterowanej sondzie, zdolnej do pracy również na większych głębokościach. Ważne jest jedynie, by taka sonda znalazła się blisko badanego przedmiotu, tak aby z możliwie minimalnej odległości skierować na niego wiązkę neutronów. To pozwoli rozpoznać pierwiastki wchodzące w skład zatopionych substancji, również tych, które są zamknięte w pojemnikach.

Naszą metodą możemy wykryć na przykład węgiel, wodór, tlen, azot, siarkę, chlor, a także gazy bojowe zawierające arsen – mówi dr Michał Silarski z Instytutu Fizyki UJ.

Działo neutronowe dedykowane do tego urządzenia to mały generator, który zderza jony deuteru z izotopem wodoru – trytem. Emitowane z takiego generatora neutrony, przenikając przez zanurzony obiekt, wzbudzają atomy w badanej substancji, wskutek czego emitują one kwanty gamma. Te są rejestrowane w detektorze. Ponieważ każdy pierwiastek charakteryzuje odrębny, specyficzny odczyt kwantów gamma, analiza ich całego spektrum i stosunków ilości pozwala dokładnie określić, jaka substancja jest ukryta w zatopionym pojemniku – wyjaśniają eksperci CITTRU.

Jednym z największych wyzwań związanych z badaniem dna morskiego jest woda, która zakłóca sygnały płynące z przekaźników. Wiedzą o tym najlepiej osoby, które kiedyś posługiwały się sonarami. Naukowcy UJ wymyślili banalną metodę, dzięki które pozbyli się zakłóceń pomiędzy detektorem a badaną substancją – urządzenie wyposażono w rury wypełnione powietrzem, przez które kieruje się wiązkę neutronów.

Jak utrzymują konstruktorzy, precyzja odczytu danych zależy od tego, na ile blisko od badanej substancji uda się postawić detektor.

– Wynalazek bazuje na autorskim rozwiązaniu systemu tzw. neutronowodów oraz tarczy anty-Comptonowskiej. Dzięki nim neutrony docierają do badanego obiektu bez zakłóceń spowodowanych wodą znajdującą się między urządzeniem a badaną substancją – mówi Michał Silarski.

Jak dodaje ekspert: spektrum odczytu kwantów gamma można oczyścić z części zakłóceń powstałych w wyniku wzbudzenia wody. To w znaczący sposób precyzuje badanie i ułatwia identyfikację substancji.

Można mówić o pewnym przełomie w tej dziedzinie, bowiem dotychczas to właśnie ze względu na zakłócenia odczytu z atomów wodoru zawartych w wodzie metoda identyfikacji obiektów podwodnych z użyciem wiązek neutronów nie upowszechniła się na świecie. Zastosowanie naszego rozwiązania może to zmienić – dodaje Silarski.

Urządzenie potrzebuje jedynie dziesięciu sekund, by pobrać dane i na tej podstawie określić skład chemiczny badanej substancji. Detektor zadziała poprawnie, jeśli znajdzie się kilkadziesiąt centymetrów od celu – nie musi ono przylegać do badanego obiektu. Na ile metoda jest skuteczna?

– Badaliśmy w laboratorium próbki dna morskiego pobrane z okolic zatopionego niedaleko portu w Gdyni tankowca Stuttgart. Zidentyfikowaliśmy obecność ciężkiego paliwa – mazutu. Nasza metoda w zasadzie pozwoli zidentyfikować każdą substancję z katalogu tych, które uznaje się za niebezpieczne i które zalegają na dnie zbiorników wodnych – zapewnia Silarski.

Według danych udostępnionych w raporcie NIK „Zagrożenie katastrofą ekologiczną / Materiały niebezpieczne na dnie Bałtyku” tylko w polskich obszarach morskich znajduje się ponad 400 wraków statków, z czego ponad 100 zalega na dnie Zatoki Gdańskiej. Wraki to nie jedyny problem. Prawdziwym wyzwaniem dla środowiska naturalnego i zdrowia ludzi pozostaje zatopiona w Morzu Bałtyckim amunicja konwencjonalna oraz zbiorniki z silnie toksycznymi związkami chemicznymi – Bojowymi Środkami Trującymi.

Obecnie nikt dokładnie nie wie, gdzie na dnie Bałtyku znajdują się zatopione chemikalia i amunicja. Tylko część z nich została oznaczona. Jak dotychczas znaleziono już jednak stare pojemniki z bronią chemiczną w rejonie Darłowa, Dziwnowa czy Kołobrzegu. Według różnych dostępnych danych na dnie Bałtyku w rejonie Głębi Bornholmskiej wciąż znajduje się ponad 32 tys. ton amunicji chemicznej, a w rejonie na północny wschód od Półwyspu Helskiego, Głębi Gdańskiej – około 60 ton. Łącznie na dnie akwenu może jednak zalegać nawet 100 tys. niebezpiecznych substancji oraz niewybuchów, ponieważ marynarze radzieccy, którzy mieli zatopić problematyczne ładunki na Głębi Gotlandzkiej, w centrum Bałtyku nigdy tam nie dotarli. Dzięki badaniom Polskiej Akademii Nauk przeprowadzanych w latach 2011– 2019 wiemy jednak, że iperyt wydostający się z zatopionych beczek już kilka lat temu zanieczyszczał akwen w promieniu 70 km.

Mogłoby się wydawać, że urządzenie opracowane przez konstruktorów z UJ to coś, co trzeba natychmiast wdrożyć do badania dna morskiego Bałtyku. Tymczasem naukowcy mają problem z pozyskaniem funduszy, które pozwoliłyby im dokończyć prace.
Obecnie zespół Centrum Transferu Technologii CITTRU z Uniwersytetu Jagiellońskiego poszukuje partnera technologicznego, z którym wprowadzi na rynek nowe rozwiązanie – informuje ośrodek.
– Główne wyzwanie z udostępnieniem technologii do codziennego wykorzystania wiąże się z kosztem generatora neutronów. W Polsce jest niewiele tego typu urządzeń, ponieważ są one bardzo kosztowne. Sądzę jednak, że wkrótce uda nam się oddać do użytku gotowe sondy badawcze – mówi dr Gabriela Konopka-Cupiał, Dyrektor CITTRU UJ.