Myonentomografie

Die Myonentomografie ist ein bildgebendes Verfahren zur dreidimensionalen Abbildung großvolumiger Objekte mittels Myonen der kosmischen Strahlung.

Hintergrund

Die kosmische Strahlung trägt maßgeblich zur natürlichen Hintergrundstrahlung auf der Erde bei. So wird auf Meereshöhe jeder Quadratmeter von etwa 100 Myonen pro Sekunde durchdrungen, Myonen können dabei selbst mehrere Kilometer Fels durchdringen. Je nach eingesetzter Technik wird bei der Myonentomografie die Absorption sowie die Coulomb-Streuung der Myonen im abzubildenden Objekt ausgenutzt, womit selbst das Durchleuchten von Pyramiden und Vulkanen möglich wird. Der Nachweis von Myonen ist mit Teilchendetektoren möglich, wobei je nach Detektor auch die Flugrichtung des Myons bestimmt werden kann.

Geschichte

Myonen der kosmischen Strahlung wurden bereits im Jahre 1955 zur Messung der Gebirgsdicke über einem Tunnel in Australien genutzt, der dabei eingesetzte Detektor hatte eine sehr geringe Winkelauflösung.

In den Jahren 1965–1969 versuchte Luis Walter Alvarez mit Hilfe einer Funkenkammer herauszufinden, ob sich in der Chephren-Pyramide in Ägypten unentdeckte Kammern befinden.

Anwendungen

Vulkanuntersuchung

Im Jahr 2009 wurde die Methode auf den Iō-dake (硫黄岳)-Vulkan auf der Insel Iojima (Kikai-Caldera, Ōsumi-Inseln) angewandt. Dadurch konnte die Dichteverteilung des Vulkans ermittelt werden.

Aufräumarbeiten in Fukushima

Im Rahmen der Aufräumarbeiten nach der Nuklearkatastrophe von Fukushima musste der Verbleib der Überreste der geschmolzenen Reaktorkerne in den Reaktorgebäuden geklärt werden, die Reaktorgebäude können jedoch wegen der extremen Strahlung nicht betreten werden. Im Rahmen einer Simulation wurde im Jahre 2012 die Machbarkeit der Abbildung des Reaktorkerns gezeigt. Im Jahre 2015 wurden zwei jeweils 7 × 7 m große Driftkammer-Detektoren im Reaktor 1 installiert. Drei Monate nach der Installation der Anlage wurden die ersten Bilder veröffentlicht, worauf zu sehen ist, dass sich der Kernbrennstoff nicht mehr innerhalb des Reaktordruckbehälters befindet.

Cheops-Pyramide

2017 fanden Forscher mit Hilfe dieser Technologie einen bislang unbekannten Raum in der Cheops-Pyramide. Das von Wissenschaftlern aus den drei Ländern Ägypten, Frankreich und Japan dazu gegründete Projekt Scan Pyramids beschäftigt sich weiter mit dem entdeckten Raum, der eine Größe von rund 400 m³ umfasst. Hinzugezogen wurde inzwischen ein Entwickler von Minirobotern, die in Gänge von weniger als drei Zentimeter Durchmesser hineingesteuert werden können. 2023 wurde über dem ursprünglichen Eingang der Pyramide eine bis dahin unbekannte, mindestens 9 Meter lange und leere Kammer entdeckt.

Weblinks

• Youtube (englisch): Nuclear Watch: Looking Inside Fukushima Daiichi with Muon Tomography (8/20/2014)

Einzelnachweise

1. L.W. Alvarez: Search for hidden chambers in the pyramids using cosmic rays. In: Science. 167. Jahrgang, 1970, S. 832–9, doi:10.1126/science.167.3919.832, PMID 17742609. 
2. Blick in den heissen Schlund. In: Bild der Wissenschaft. Nr. 10, 2009, S. 61 f. (online). 
3. Hiroyuki K. M. Tanaka, Tomohisa Uchida, Manobu Tanaka, Hiroshi Shinohara, Hideaki Taira: Cosmic‐ray muon imaging of magma in a conduit: Degassing process of Satsuma‐Iwojima Volcano, Japan. In: Geophysical Research Letters. Band 36, Nr. 1, 2009, doi:10.1029/2008GL036451. 
4. Konstantin Borozdin: Cosmic Ray Radiography of the Damaged Cores of the Fukushima Reactors. In: Physical Review Letters. 109. Jahrgang, 2012, doi:10.1103/PhysRevLett.109.152501, arxiv:1209.2761. 
5. Imaging the core of Fukushima reactor with muons. (pdf) Los Alamos National Laboratory, 29. Januar 2015, abgerufen am 5. Februar 2017 (englisch). 
6. Muon Scan Finds No Fuel In Fukushima Unit 1 Reactor Vessel. Tepco / The Fukushima Project, 19. März 2015, abgerufen am 6. Oktober 2022 (englisch). 
7. Michael Greshko: Mysteriöser Hohlraum in Cheops-Pyramide gibt Rätsel auf. nationalgeographic.de, 8. Januar 2018 (abgerufen am 4. Mai 2020).
8. Morishima, Kunihiro u. a.: Discovery of a big void in Khufu’s Pyramid by observation of cosmic-ray muons. In: Nature. 552. Jahrgang, 2017, S. 386–390, doi:10.1038/nature24647 (englisch). 
9. The Scan Pyramids Project. youtube.com, abgerufen am 12. Juni 2020 (englisch, Dauer des Videos 58 Minuten). 
10. Time Scanners - Geheimnisse in 3D: Die Pyramiden (Dauer des Videos 43 Minuten). In: Dokumentation. 12. Juni 2018, abgerufen am 12. Juni 2020. 
11. Nadja Podbregar: Cheops-Pyramide: Neue Kammer entdeckt. scinexx.de, 2. März 2023, abgerufen am 2. März 2023 (deutsch). 
12. Procureur, Sébastien u. a.: Precise characterization of a corridor-shaped structure in Khufu’s Pyramid by observation of cosmic-ray muons. In: Nature Commun. 14. Jahrgang, 2023, S. 1144, doi:10.1038/s41467-023-36351-0 (englisch).