Краще за рентген: що таке мюони і як космічні технології допоможуть у відбудові України

Естонська компанія створила цікаве технологічне рішення, що допоможе у відбудові України. Секрет цієї технології – енергетичні частинки, які виникають, коли космічні промені взаємодіють з атмосферою Землі. Вони можуть "зазирнути" всередину бетону та допомогти оцінити приховані пошкодження будівель в Україні після війни. Ці частинки, відомі як мюони, здатні проникати через матеріали на глибину до сотень метрів, що робить їх унікальним інструментом для аналізу стану конструкцій.

Компанія GScan з Естонії розробляє портативні пристрої для мюонної томографії, які можуть виявляти тріщини в бетоні, корозію металевих стрижнів та інші приховані дефекти. Технологія дозволяє "зазирнути" всередину будівель, мостів і навіть ядерних реакторів, де звичайні рентгенівські промені неефективні. У співпраці з українською владою GScan планує протестувати свою технологію на мосту Патона в Києві, який перебуває в аварійному стані.

Мюонні детектори є безпечними для людей, оскільки мюони природно присутні в довкіллі та не пошкоджують тканини, як рентгенівські промені. Однак аналіз великих конструкцій вимагає значного часу та ресурсів – дослідження одного мосту може тривати місяць і коштувати до 125 000 доларів. 24 Канал розповідає, що відомо про цю технологію та як вона допоможе Україні.

В чому роль мюонів

Енергетичні частинки, які на короткий час з'являються під час зіткнення космічних променів з атмосферою Землі, можуть допомогти виявити приховані пошкодження будівель в Україні після завершення війни.

Ці частинки, відомі як мюони, є досить незвичними. Вони виникають у результаті зіткнень високоенергетичних протонів та атомних ядер космічних променів із молекулами атмосфери Землі. Тривалість їхнього існування становить лише близько 2 мікросекунд, після чого вони розпадаються на електрони та антинейтрино.

Проте рухаючись зі швидкістю світла, мюони встигають подолати величезні відстані. Щосекунди приблизно 10 тисяч таких частинок потрапляє на кожен квадратний метр земної поверхні. Вони не лише "дощем" падають на поверхню, а й проникають углиб на сотні метрів. Саме ця властивість проникати крізь матеріали надихнула науковців ще в 1940-их роках використати мюонні детектори для дослідження великих і недоступних об’єктів. Однак для реалізації ідеї знадобилося багато часу.

У 1970-их роках за допомогою мюонних детекторів проводили експеримент з пошуку прихованих камер у єгипетській піраміді. Проте лише через 50 років технологія досягла суттєвого прогресу. За останнє десятиліття кілька компаній по всьому світу почали розробляти портативні мюонні томографи, які можуть сканувати транспортні засоби на наявність прихованих пасажирів чи контрабанди, а також виявляти тріщини у мостах або пошкодження в старих ядерних реакторах.

Серед таких компаній є естонська GScan, яка вже використала свої детектори для кількох проєктів, зокрема оцінку стану ядерного об’єкта Sellafield у Великій Британії. Також компанія планує застосувати технологію в Україні для виявлення прихованих тріщин і пошкоджень у будівлях і мостах, які можуть стати причиною обвалів у майбутньому, розповідає Space.com.

На сьогодні не існує іншої технології, яка дозволяє побачити всередині бетонного блоку. Найпотужніші рентгенівські системи можуть проникнути лише на глибину 10 – 20 сантиметрів, тоді як мюонні детектори здатні "зазирнути" на десятки метрів,
– розповів Space.com Анді Гектор, співзасновник і стратегічний директор компанії GScan.

Анді Гектор / Фото Tereza Pultarova / Space.com

Мюонні детектори не лише дозволяють досліджувати недоступні структури, але й аналізувати їхній вміст. Наприклад, корозія металевих стрижнів, невидимі тріщини або приховані резервуари з рідиною стають добре помітними під "космічним поглядом" цих частинок.

Як працює технологія

Коли мюони наближаються до об'єкта, спеціальні сенсори зі створеного пластику виявляють їхній прохід. Використовуючи багатошарові пластини з цього матеріалу, дослідники можуть відновити траєкторії мюонів, які проходять через різні точки кожного шару. Ще один детектор, розташований із протилежного боку бетонної конструкції, вимірює, як змінюється траєкторія частинок через нерівності чи дефекти всередині об'єкта.

Ми відстежуємо сотні тисяч або навіть мільйони частинок, що проходять повз об'єкт. На основі цих даних ми можемо зрозуміти, як у середньому змінюється їхня траєкторія в об'єкті. Це дозволяє робити висновки про матеріал і його стан,
– пояснює Анді Гектор.

Оцінка великих, потенційно небезпечних конструкцій, наприклад, як пошкоджений міст, – це складний і тривалий процес. За словами Гектора, детектори можуть сканувати одну ключову точку конструкції до тижня. Для повного дослідження середнього за розміром автомобільного мосту потрібно до місяця, а вартість такої роботи сягає 125 000 доларів.

Компанія GScan веде переговори з українською владою щодо можливого тестування технології на мосту Патона в Києві – 70-річній споруді завдовжки понад півтора кілометра, яка ще до повномасштабної війни отримала статус аварійної.

Очевидно, що зараз [в України] зовсім інші пріоритети. Але це ми могли б зробити, коли умови стануть більш сприятливими, і розпочнеться відновлення інфраструктури,
– додав представник GScan.

В чому небезпека стану мосту Патона

Міст Патона в Києві перебуває в аварійному стані та потребує масштабної реконструкції. Основні причини такого стану переправи – її тривала експлуатація з 1953 року, постійне перевантаження автотрафіком та відсутність капітального ремонту. Реконструкцію ускладнює статус мосту як архітектурної пам'ятки, що обмежує проведення необхідних будівельних робіт.

З 1953-го до 2004 року мостом курсували трамвайні маршрути, що поєднували Поділ з лівобережними районами. Після демонтажу трамвайної лінії мостом запустили тролейбуси. Міст перебуває у власності держави – Київ передав його для ремонту у проєкт "Велике будівництво".

В аварійному стані міст Патона перебуває з 2017 року. У 2020 році міст визнали аварійним та запланували відремонтувати споруду до 2025 року. Тоді ж київський міський голова Віталій Кличко підписав розпорядження про початок реставрації мосту.

За словами директора Інституту електрозварювання імені Патона Ігоря Крівцуна, міст практично не обслуговувався з моменту побудови в 1953 році, що призвело до значної корозії конструкцій. У деяких місцях товщина металу нижнього пояса мосту зменшилася до 5 міліметрів, що втричі менше від необхідного.

Міст Патона / Фото Лева Шевченка, 24 Канал

Дослідження стану мосту проводилося лише в доступних місцях, тому загальна картина його пошкоджень може бути значно гіршою. Руйнування пришвидшилося після робіт 2013 року, коли сміття, що потрапило на металеві елементи, стало вологим, активуючи корозійні процеси.

Кабінет Міністрів України вже передбачив 1 мільйон гривень на реставрацію мосту в межах загального фінансування в 3,7 мільярда гривень для розвитку інфраструктури. Інститут Патона готовий сприяти відновленню, однак для цього необхідно розпочати обстеження і реконструкцію.

Краще за рентген

Мюонні детектори здатні проникати набагато глибше, ніж розповсюджені рентгенівські апарати, і водночас мюони – значно безпечніші. Частинки, які природним чином присутні в навколишньому середовищі, не завдають шкоди клітинам і ДНК, навіть на відміну від низьких доз рентгенівського випромінювання. Завдяки цьому використання мюонних детекторів не створює ризику розвитку раку в операторів, що є суттєвою перевагою над рентгенівськими системами.

Обладнання GScan / Фото Tereza Pultarova / Space.com

Компанія GScan займається розробкою цієї технології з 2016 року. Торік її фахівці застосували мюонні детектори для аналізу стану законсервованих ядерних реакторів на навчальній базі для підводних човнів у Палдіскі, Естонія. Цей об'єкт, зведений ще за часів Радянського Союзу 60 років тому, був залитий шарами бетону в 1990-х роках.

Вивчаючи розсіювання мюонів, дослідники змогли виявити приховані осередки радіоактивних відходів і оцінити стан реакторів. Цей досвід демонструє потенціал мюонної томографії для безпечного аналізу складних об'єктів, які недоступні для традиційних методів обстеження. Що актуально для України як у контексті повоєнного відновлення, так і для ремонту занедбаних споруд.