De aardse toepassingen van muonen

2017 is niet echt goed begonnen. In zijn nieuwjaarstoespraak maakte de Noord-Koreaanse leider Kim Jong-un bekend dat zijn land werkt aan een intercontinentale raket waarmee hij een kernbom naar de VS kan sturen. De hele wereld berichtte erover met de bekende mix van angst en relativering. Van Noord-Korea kan je alles verwachten, maar de ontwikkeling en de lancering van zo’n raket heeft nogal wat voeten in de aarde. Het is maar de vraag of Kim zo’n ding echt binnen afzienbare tijd in handen krijgt.

De Briljante Kameraad zou het zichzelf ook een stuk gemakkelijker kunnen maken. Stel dat hij zijn kernbom niet door de lucht, maar in een scheepscontainer over zee naar het Westen stuurt. Dat maakt niet alleen de dure ontwikkeling van een raket overbodig, het verlost hem ook van een boel onzekerheid. Zo’n container doet weliswaar wat langer over de reis, maar je kan ervan op aan dat hij zijn plaats van bestemming daadwerkelijk bereikt, veel meer dan bij een raket. En als zijn snode plan uitlekt? Dan moeten we de bewuste container nog vinden. Onbegonnen werk, als je bedenkt dat er jaarlijks 500 miljoen stuks worden verscheept.

Wetenschappers werken hard aan een systeem dat ons precies die klus uit handen neemt. Het kan in een haven elke container scannen op stoffen als uranium en plutonium, zonder de boel op te houden. En het mooiste is: het cruciale ingrediënt van die detectiemethode daalt gratis uit de hemel op ons neer in de vorm van kosmische straling.

Die straling helpt ons niet alleen kernbommen op te sporen. Ze heeft tal van andere toepassingen: van het in kaart brengen van piramides tot het scannen van de reactoren van Fukushima.

Eerst even terug naar de basis. Wat is precies die kosmische straling? Dat zijn deeltjes, vooral protonen en heliumkernen, die vanuit het heelal op onze aardatmosfeer neerregenen. Volgens sterrenkundigen komen ze onder meer van supernova-explosies, superzware zwarte gaten die zich in de centra van andere melkwegstelsels volvreten. Als ze hier na een reis van vaak miljoenen lichtjaren aankomen, botsen ze op de moleculen in onze dampkring. Daarbij ontstaan zogenoemde secundaire deeltjes. En om één type secundaire deeltjes gaat het hier in het bijzonder: het muon.

Het muon is een deeltje dat zich dankzij zijn hoge massa nauwelijks van zijn koers laat afbrengen. Daardoor bereikt niet alleen het merendeel van de hoog in de atmosfeer ontstane muonen het aardoppervlak, ze schieten ook zonder pardon door mensen, gebouwen, scheepscontainers en kernbommen heen.

Dat maakt ze in eerste instantie niet heel nuttig. Met deeltjes die overal recht doorheen ploegen, kan je niets meten. Maar een muon dat door materie vliegt, wordt wel een beetje afgeleid. Het heeft een negatieve elektrische lading, waardoor het wordt afgestoten door de eveneens negatieve elektronen, en wordt aangetrokken door de positief geladen atoomkernen.

Hierdoor zwabbert het deeltje een beetje in zijn baan. En, heel belangrijk, hoe zwaarder de atoomkernen die het tegenkomt, hoe meer het wordt afgebogen. Dat maakt het muon uitermate geschikt om op zoek te gaan naar uranium en plutonium, de cruciale bestanddelen van kernwapens, en van de zwaarste elementen die in de natuur voorkomen.

Bij scheepscontainers gebeurt dat zoeken naar zware elementen als volgt. Zowel boven als onder de scheepscontainer zet je een aantal platen neer, die registreren als er een muon doorheen schiet. Vervolgens kan je uit de posities waar een muon de platen boven de container passeerde de baan van het inkomende muon reconstrueren. Uit de platen onder de container reconstrueer je de baan van het muon als hij de container weer heeft verlaten. Door beide banen als het ware door te trekken naar het midden toe, vind je het punt waar het muon waarschijnlijk zijn grootste opdonder heeft gekregen en waar zich mogelijk uranium of plutonium bevindt.

Om te bepalen waar deze zware elementen zitten, worden de containers meestal ingedeeld in kleine, driedimensionale pixels, ook voxels genaamd. Eerst bepaal je in welke voxels zich nucleair materiaal bevindt, vervolgens maak je een inschatting hoe het materiaal over de gehele container is verdeeld.

‘Daar is wel heel intensief rekenwerk en veel computerkracht voor nodig’, zegt de natuurkundige Jaap Velthuis (Universiteit van Bristol). Volgens hem en zijn collega’s is dat nergens voor nodig. ‘Bommen met uranium kan je niet zomaar in kleine stukjes verdelen om die afzonderlijk te smokkelen en ze vervolgens weer samen te voegen.’ Daarom verdelen hij en zijn team de containers in grotere vakken om ze te scannen, dat verkleint de hoeveelheid rekenwerk.

Dankzij bovenstaande ‘truc’ kunnen Velthuis en zijn collega’s in 60 seconden een kleine scheepscontainer scannen en op basis daarvan 64 procent gelijk als veilig bestempelen. Na 90 seconden is dat zelfs 88 procent. Bij grote containers zijn de scores nog hoger omdat daar relatief gezien minder in past.

Een tot anderhalve minuut is snel genoeg om de scan uit te voeren terwijl de container van een schip naar een vrachtwagen gaat, dus zonder dat je de keten ophoudt. Behoort een container tot de categorie ‘gevaarlijk’, dan moet je hem langer scannen. ‘Maar zelfs bij een heel lastig te scannen container, die we hadden volgestapeld met accu’s en motorblokken, kregen we binnen de vijf minuten het juiste antwoord’, zegt Velthuis.

Het mooie van containers scannen met muonen is dat je geen gebruik maakt van straling of deeltjes die het nucleaire materiaal zelf uitzendt. Daardoor heeft het voor smokkelaars geen zin om de lading af te schermen met bijvoorbeeld lood of water. Voorts laat je bij deze scanmethode geen straling op de lading los. ‘Scanmethodes die daarvan gebruikmaken, zijn verboden als een container voedingsmiddelen bevat’, legt Velthuis uit. Bovendien zouden er in een container weleens vluchtelingen kunnen zitten. Ook dat is een reden om niet met straling in de weer te gaan.

Van geen enkele lading kan iemand claimen dat hij niet tegen muonen kan. Die schieten er hoe dan ook voortdurend doorheen, of je nu scant of niet. Inmiddels is er een teststation dat gebruikmaakt van muonen om containers te scannen in Freeport, de grootste stad van de Bahama’s, na Nassau. Een breder uitgerold systeem laat op zich wachten. ‘Dat wordt opgehouden door de vraag wie ervoor moet betalen’, zegt Velthuis.

Een vergelijkbaar probleem waarbij muonen uitkomst kunnen bieden, is dat van kernafval. In principe heeft elk land met kerncentrales daarmee te maken. In Groot-Brittannië speelt het nog meer dan hier, zegt Velthuis. ‘In de jaren 1950 hadden de Amerikanen en de Russen atoombommen, de Britten nog niet. Daar zijn ze toen heel hard aan gaan werken zonder na te denken over het afvalprobleem.’

De Britten losten hun afvalprobleem op door allerhande radioactief geworden materialen als overalls, gereedschappen, enzovoort in containers te gooien en die met beton af te vullen. Inmiddels is niet meer duidelijk wat er precies in welke container zit. Bovendien kan uranium in de loop der tijd opzwellen. Plutonium krijgt daarentegen een gatenkaas-structuur. Dat zijn extra redenen om na een halve eeuw te bekijken hoe het precies met zo’n container is gesteld.

Gelukkig kunnen we precies dezelfde muonentechniek toepassen die we bij scheepscontainers inzetten. Het enige verschil is dat het hier om kleinere stukjes radioactief materiaal gaat. Daardoor moet je langer scannen om een goed beeld te krijgen. Maar goed, de tijdsdruk waarmee je te maken hebt in een grote haven speelt veel minder als je oud kernafval bekijkt.

De vraag vanuit de nucleaire industrie naar dit soort controles is er zeker, zegt Velthuis. We wachten alleen nog op een systematisch proces waarbij al het oude kernafval onder de loep gaat.

Een iets dringender aangelegenheid in het nucleaire wereldje is het opruimen van de kerncentrale van Fukushima. Door de tsunami van 2011 kreeg die te maken met meltdowns, explosies en vrijkomend radioactief materiaal. Inmiddels zijn we zes jaar verder en is het zaak de reactoren op een verantwoorde manier te ontmantelen. Om dat te doen, moet je eerst weten hoe het met de reactorkernen is gesteld en waar de radioactieve brandstof zich bevindt. Even naar b­innen lopen om de boel van dichtbij te bekijken, is geen optie. Daarvoor zijn de stralingsniveaus nog te hoog.

Ook hier komen muonen to the rescue, want daarmee kan je prima door dikke betonnen muren en reactorwanden heen kijken. Dat is zelfs al gebeurd, zij het op een wat eenvoudigere manier dan hierboven omschreven. Japanse onderzoekers hebben muonen gebruikt om een soort röntgenfoto’s van reactors te maken. Volgens onduidelijke resultaten bevindt de brandstof bij reactor 2 zich op de bodem van het vat, terwijl je in reactor 1 niets meer kan vinden.

Christopher Morris van het Los Alamos National Laboratory in New Mexico laat weten dat de gebruikte techniek niet erg gevoelig is voor uranium in de reactorkern. Zijn team wil de reactoren op de ‘scheepscontainermanier’ onder de loep nemen, met detectors aan beide kanten van de reactors. ‘Dat project is een tijd stopgezet en komt pas weer een beetje op gang.’ Hoe dan ook, de Japanners weten muonen naar waarde te schatten om de grootste kernramp sinds Tsjernobyl te boven te komen.

Ook als we de kernwapens en kerncentrales even achter ons laten, kunnen muonen een handig middel vormen om iets in beeld te brengen. Een klassiek voorbeeld is het scannen van piramides. Archeologen willen weten wat voor ruimtes zijn verborgen in de enorme koningsgraven. Met een bulldozer de boel openbreken, is geen optie, maar wat strategisch geplaatste muondetectoren doen geen enkel wereldwonder kwaad.

De eerste die op dat idee kwam, was de Nobelprijswinnaar natuurkunde Luis Alvarez. In de jaren zestig vroegen egyptologen zich af hoe het kwam dat de enorme piramide van Cheops een complexere binnenkant had dan de ernaast gelegen piramide van Chefren, terwijl die tweede later was gebouwd. Alvarez dacht daarop: misschien is Chefrens piramide in werkelijkheid wel minstens zo complex als die van Cheops en hebben we allerlei kamers nog niet gevonden.

Alvarez en zijn team plaatsten een aantal muonendetectoren in een kamer onderin de piramide van Chefren. Ontvingen die uit een bepaalde richting meer muonen dan uit andere richtingen, dan kon dat wijzen op een kamer. Daar zouden muonen gemakkelijker doorheen moeten vliegen dan door de massieve steen waarvan de rest van de piramide is gemaakt. Helaas, Alvarez kon met zijn muonendetectoren wel zien waar de hoeken en het karakteristieke ‘kapje’ van de piramide zaten – de techniek werkte – maar hij bracht geen onbekende ruimtes aan het licht.

Wetenschappers pakken het idee van Alvarez met hernieuwd enthousiasme op. Het eerste doelwit van dit ScanPyramids-project was de knikpiramide van Snofroe van 4.500 jaar oud. Daarin stelden wetenschappers tachtig tegelvormige muonendetectors veertig dagen bloot aan kosmische straling, waardoor ze de structuur van het bouwwerk konden bepalen zonder de boel open te breken. Ook hier kwamen geen verrassingen aan het licht.

Interessanter werd het toen onderzoekers in de zomer van 2016 een groter arsenaal aan muonentechnieken loslieten op de Grote Piramide, gebouwd door Snofroes opvolger Cheops. Daaruit bleek dat er een nog onbekende ‘leegte’ achter de noordelijke wand van deze piramide zit. De precieze vorm, grootte en positie hiervan bepalen ze nog. Daarnaast konden wetenschappers dankzij muonen het bestaan van een andere vermoede ruimte bevestigen, ruim 100 meter boven de grond bij de noordoostelijke hoek. Voorjaar 2017 verwachten we meer resultaten. (dit is een artikel uit Eos van april 2017)

Het onderzoek naar de piramides borduurt niet alleen voort op het werk van Alvarez uit de jaren 1960, maar profiteert bovendien van weer een heel ander vakgebied: vulkanen bestuderen met muonen. Ook daarvan wil je graag weten wat er precies in zit, en niet alleen uit nieuwsgierigheid. ‘Je wil vaststellen hoeveel water er in de rots zit’, legt Velthuis uit. ‘Als de rots heel droog is en er komt een uitbarsting, dan stroomt de lava relatief langzaam naar beneden en heb je dus tijd om te ontsnappen.’

Zit er juist heel veel water in de rots, dan wordt het een heel ander verhaal. ‘Dan ontstaat er stoom en ontploft de hele berg.’ Met name in Japan, met zijn meer dan honderd actieve vulkanen, is dit om meer dan begrijpelijke redenen een springlevend onderzoeksveld.

Het moge duidelijk zijn, kosmische straling en in het bijzonder de muonen die eruit voortkomen, is allesbehalve alleen maar interessant voor sterrenkundigen. Ook wetenschappers wier nieuwsgierigheid zich richt op meer aardse zaken kunnen er op allerlei manieren hun voordeel mee doen. Ze kunnen ons er zelfs mee beschermen tegen nucleaire bedreigingen in alle soorten en maten.

Nu maar hopen dat die laatste toepassing een grote vlucht neemt vóórdat Kim Jong-un de Koreaanse vertaling van dit artikel in handen krijgt. De Geweldige Leider zou kunnen concluderen dat een scheepscontainer weliswaar minder spectaculair klinkt dan een intercontinentale raket, maar wel een praktischer manier is om de Amerikanen op hun donder te geven.