From Space to Underground – mit Myonen-Teilchen ins Erdinnere blicken


Mit der Technologie der Myonenbildgebung eröffnen sich neue Möglichkeiten, um Ressourcen zu erkunden, ohne das Material zu beschädigen. Damit kann man ohne Kontakt zum Material Dichteveränderungen erkennen, vergleichbar mit Röntgenstrahlen. Im Gegensatz dazu kommen Myonen allerdings natürlich in der Atmosphäre vor und sind damit sicher, senden keine Strahlung aus oder beschädigen die Umwelt. Die Technik wurde 2021 in einem Forschungsprojekt im Bergwerk St. Christoph in Breitenbrunn erfolgreich getestet.

Myonen als Teil der Atmosphäre

Grundlage der Technologie sind Myonen – subatomare Teilchen, ähnlich den Elektronen, aber 200-mal schwerer. Sie bewegen sich fast mit Lichtgeschwindigkeit in geraden Bahnen und sind Teil der natürlichen Hintergrundstrahlung. Myonen entstehen ständig durch kosmische Strahlen in 15–25 km Höhe und “regnen” auf die Erde. Auf Meereshöhe fallen auf jeden Quadratmeter 150–200 Myonen pro Sekunde, die alle Materialien durchdringen und bis zu einem Kilometer tief ins Gestein vordringen können.

Myonenbildgebung

Wir wollen mit der Myonen-Technologie kontaktlos Ressourcen in der Erde erkunden. Dafür erfassen die Myonendetektoren die Flugbahnen der Myonen, die sie durchdringen. Unterschiede in der Dichte der Materialien lassen Rückschlüsse auf die Zusammensetzung zu. Dichtere Materialien blockieren mehr Myonen, während weniger dichte mehr durchlassen.

Myonenbildgebung kann vielfältig angewendet werden. So kann man Gesteinsdichten abbilden, um Lagerstätten zu erkunden, Schiffscontainer auf ihren Inhalt scannen oder Vulkane überwachen. Zukünftig soll die Technologie für Forschungen unter Tage, im Wasser oder im Weltraum genutzt werden. 

Im Forschungsprojekt wurden verschiedene Tests durchgeführt.

Test 1: Schlägelschacht

Die Methode wurde zunächst in einem einfachen, kontrastreichen Szenario angewandt, in dem ein luftgefüllter Schacht im Felsgestein identifiziert wurde. Die Myonen-Scans zeigen einen deutlich sichtbaren Hohlraum, dessen unmittelbare Umgebung eine geringere Dichte als das weiter entfernte Gestein aufweist. Dies ist bedingt durch Auflockerungen des Nebengesteins und verursacht durch den Schachtvortrieb.

Um ein 3D-Dichtemodell zu erstellen, wurde der Schacht von zwei Positionen detektiert: am Fuß des Schachts und 15 Meter entfernt.

Test 2: Das Erz hinter den Stollen

Im zweiten Test wurde das umliegende Gestein eines komplexen Stollensystems gescannt und ein dichter Erzkörper außerhalb der Grubenbaue entdeckt. Der Einfluss der Strecken musste aus dem Myonen-Scan entfernt werden, da sonst Details der Gesteinseigenschaften verdeckt würden. 

Zuerst wurden Teile der Grube mit einem Laserscanner in 3D abgebildet und der Einfluss auf den Myonen-Scan simuliert. Dieser Effekt wurde dann von den tatsächlichen Myonen-Scans bereinigt, so dass nur das Gestein und seine Anomalien “gesehen” werden konnten. Ein Myonendetektor erzeugte ein 2D-Dichtebild.

Kreisförmige Polardiagramme zeigen die 2D-Erfassung eines Myonendetektors. Das Zentrum repräsentiert den Detektorstandort, die Kreise das Sichtfeld und das “+” die Blickrichtung nach oben.

Dieses Projekt wurde gemeinsam mit MUON Solutions durchgeführt und indirekt durch das EU-Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 im Rahmen eines offenen Wettbewerbs unter dem Projekt MINE.THE.GAP (G.A.873149) gefördert.