Nowe urządzenie do wykrywania zatopionych materiałów niebezpiecznych

Na Uniwersytecie Jagiellońskim powstaje prototyp rozwiązania, które będzie rozpoznawać zatopione materiały uznane za potencjalnie niebezpieczne. Nowy detektor określi skład chemiczny zalegających na dnie substancji dzięki niewielkiego działa neutronowego i opracowanego systemu informatycznego. Jego zaletą ma być możliwość określenia substancji w sposób zdalny i całkowicie bezpieczny dla saperów i naukowców.

Wynalazek opracował Zespół dr. Michała Silarskiego i prof. Pawła Moskala z Instytutu Fizyki UJ. Naukowcy dowiedli, iż dzięki wykorzystaniu działa neutronowego możliwe jest określenie, z jakich pierwiastków składają się substancje w obiektach, które leżą na dnie zbiorników wodnych.

Ostatnie badania nad wynalazkiem 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 te informacje będzie wiadomo, jak należy dalej postępować – jak zabezpieczyć i zneutralizować materiał niebezpieczny. Kluczową zaletą tej metody jest możliwość identyfikacji potencjalnie niebezpiecznego materiału w pełni zdalnie, bez udziału nurka, co niweluje ryzyko, jakie wynika z kontaktu z amunicją konwencjonalną lub chemiczną. Analizy badawcze można będzie prowadzić na większych głębokościach.

Udało się zmniejszyć ograniczenia w badawczych pracach podwodnych

Detektor z UJ ma wykorzystywać działo neutronowe niewielkich rozmiarów. Całe urządzenie będzie nie większe od 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.

Na czym polega metoda identyfikacji pierwiastków? Działo neutronowe dedykowane do tego wynalazku to stosunkowo niewielki 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 opracowanym na UJ 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.

Aby pozbyć się zakłóceń z odczytu pochodzącego z wody znajdującej się pomiędzy detektorem a badaną substancją, urządzenie wyposażono w specjalne rury wypełnione powietrzem, przez które kieruje się wiązkę neutronów.

Jakość odczytu danych zależy od tego, na ile blisko od badanej substancji uda się ustawić detektor, przy czym nie jest konieczny kontakt bezpośredni. „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. Ponadto, spektrum odczytu kwantów gamma możemy 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 Michał Silarski.

Wystarczy około 10 sekund, by pobrać dane i na tej podstawie określić skład chemiczny badanej substancji. Urządzenie zadziała poprawnie, gdy 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” – mówi Michał Silarski.

Problem leży na dnie Bałtyku. I nie tylko…

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.

Z uwagi na fakt, iż środki chemiczne zatapiano w różnych okolicznościach, a wiele zbiorników mogło swobodnie dryfować na znaczne odległości, do dziś nie wszystkie stanowiska z bronią chemiczną zalegającą na dnie morza zostały oznaczone.

Przeczytaj także: Innowacyjna technologia w WAT! >>

Zresztą najlepszym na to dowodem jest fakt, iż choć oficjalnie Bojowych Środków Trujących nie zatapiano na terenie wód terytorialnych należących do Polski, stare pojemniki z bronią chemiczną znajdowano już na polskich plażach w rejonie Darłowa, Dziwnowa czy Kołobrzegu. Według różnych dostępnych danych i szacunków na dnie Bałtyku w rejonie Głębi Bornholmskiej wciąż znajduje się ponad 32 tys. ton amunicji chemicznej, a w rejonie Głębi Gdańskiej około 60 ton. A przecież to tylko pozostałości z okresu II wojny światowej…

Potrzebna kooperacja do upowszechnienia wynalazku

Obecnie zespół Centrum Transferu Technologii CITTRU z Uniwersytetu Jagiellońskiego poszukuje partnera technologicznego, z którym wprowadzi na rynek nowe rozwiązanie. „Główne wyzwanie z udostępnieniem technologii do codziennego wykorzystania wiąże się z kosztem generatora neutronów. W Polsce jest kilka tego typu urządzeń, ponieważ są one bardzo kosztowne. Sądzę jednak, iż niedługo uda nam się oddać do użytku gotowe sondy badawcze. Oczywiste są bowiem korzyści z zastosowania tej technologii, przede wszystkim nienarażanie na ryzyko osób prowadzących badania dna i możliwość prowadzenia skutecznych analiz w pełni zdalnie. Zestawiając te zalety z danymi o ilości niebezpiecznych substancji, które wciąż zalegają na dnie zbiorników wodnych, widać dużą potrzebę w dostępie do takiego urządzenia” – mówi dr Gabriela Konopka-Cupiał, Dyrektor CITTRU UJ.

Źródło: Uniwersytet Jagielloński