Dresdener Forscher: Kosmische Myonen nutzen, um deutsche Brücken zu prüfen

Jede zehnte Brücke in Deutschland weist laut dem Bundesamt für Straßenwesen gravierende Mängel auf. Korrosion greift die Armierung im Beton an. Deshalb werden Brücken regelmäßig überprüft.

Für die Grundstoff-Industrie ist das ständige Monitoring von Produktionsanlagen ebenfalls unerlässlich – und zudem mit immensen Kosten verbunden, denn während der Prüfung müssen die Anlagen stillstehen.

Und wie steht es um den Zustand alter Kernbrennstäbe in ihren Lagerbehältern?

Forscher am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) könnten für all diese Anwendungen eine wahrhaft außerirdische Lösung haben: Myonen. Pro Sekunde treffen etwa 100 der hochenergetischen kosmischen Teilchen auf jeden Quadratmeter Erdoberfläche. Dabei lassen sie sich praktisch von nichts bremsen und durchdringen mühelos mehrere Meter Stahl, Beton oder sogar Blei.

In der Forschung möglich, für die Industrie zu teuer

Diesen Effekt möchte das Team um Prof. Uwe Hampel, Abteilungsleiter am Institut für Fluiddynamik des HZDR nutzen und mittels der unvermeidbaren Umgebungsstrahlung in das Innere industrieller Apparate oder Bauwerke blicken. Das Problem: Myonen-Detektoren, wie sie am CERN eingesetzt werden, sind empfindlich und teuer. Ein von Helmholtz-Forschern entwickelter „kostengünstiger, großflächiger und hochauflösender Myonen-Detektor für die zerstörungsfreie Zustandsüberwachung“ soll dies ändern.

Dass es funktioniert, zeige 2017 die Entdeckung einer bislang unbekannten Kammer in der 4.500 Jahre alten Cheops-Pyramide. Was für Archäologen eine Sensation bedeutet, beruht hauptsächlich auf der Myonen-Bildgebung. Zum Einsatz kam diese Technik ebenfalls bei Ausgrabungen in Russland. Im italienischen Neapel wurde sie anstelle einer Ausgrabung verwendet, weil der Fundort mehrere Meter unter dicht besiedeltem Stadtgebiet lag. Ein anderes Einsatzgebiet sind Gletscher, genauer gesagt der unerreichbare Boden unter den Gletschern.

„Theoretisch eignet sich die Myonen-Bildgebung für solche Anwendungsfälle ganz hervorragend“, sagt Prof. Hampel überzeugt. Mithilfe hochauflösender Detektoren lassen sich dreidimensionale Bilder vom Inneren großer Industrieanlagen und (historischen) Bauwerken gewinnen.

„Für [die industrielle Anwendung] sind die vorhandenen Detektortypen jedoch nicht robust genug und viel zu teuer“, erläutert der Fachmann für bildgebende Messverfahren in der Energie- und Verfahrenstechnik. Die aufwendige Fertigung einerseits und die Anzahl der Elektronik-Kanäle andererseits, die für hochauflösende Bilder nötig sind, treiben die Kosten in die Höhe.

Auf der Suche nach dem besten Sucher

Vor allem dem letztgenannten Kostentreiber widmet sich ein neues Detektorkonzept mit einer speziellen Matrixstruktur für die Elektronik. Ursprünglich entworfen hatte Hampels Team die Struktur für einen patentierten Gittersensor. „Dieses Schema auf Myonen-Detektoren zu übertragen, ist uns bereits gelungen“, berichtet Hampel und ergänzt: „Unsere Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass wir in der Fläche hocheffizient Signale orten und weiterleiten können, um sie anschließend mit eigens entwickelten Algorithmen auszuwerten.“

Ein weiterer Vorteil sei zudem, dass sich die Matrixstruktur prinzipiell sowohl für die Drahtelektroden eines sogenannten Gasionisationsdetektors sowie für die optischen Fasern eines Szintillationsdetektors eignen. Welche Methode letztlich besser für die industrielle Myonen-Suche ist, lässt sich derzeit nicht sagen. Dies ist Gegenstand der weiteren Forschung, unter anderem im MYTOS-Projekt, das die Helmholtz-Gemeinschaft in den kommenden zwei Jahren mit einer halben Million Euro fördert.

„Insbesondere interessiert uns, ob sich die Testdetektoren im industriellen Umfeld – also bei Temperaturschwankungen oder Vibrationen – als robust erweisen“, erklärt Hampel. Mit dem gewonnenen Wissen will er mit seinem Team erfahrener Messtechniker einen Prototyp bauen und gemeinsam mit potenziellen Anwendern experimentell erproben. Infrage kommen unter anderem das EWN Entsorgungswerk für Nuklearanlagen, die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung sowie die BASF, die sich ebenfalls an der Forschung beteiligen.

Noch ist die Idee darauf beschränkt, Anlagen und Bauwerke mit modular aufgebauten, mobilen Detektoren in Intervallen zu überprüfen, doch Uwe Hampel verfolgt eine klare Vision: „Wir wollen langfristig die Kosten für Sensoren und Messtechnik so weit senken, dass eine stationäre Langzeit-Überwachung möglich wird.“ (ts)

Schematische Darstellung der Myonen-Bildgebung mit Detektoren ober- und unterhalb eines CASTOR-Behälters (links). Aus den Myonen-Pfaden lässt sich die Lage der eingeschlossenen Brennelemente rekonstruieren. Foto: Dr. Michael Wagner/HZDR

(Mit Material des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf)