Frigyes
18 °C
24 °C

Magyar találmánnyal röntgenezik a japán vulkánokat

000 Hkg8903574
2017.06.06. 14:07
Új és minden eddiginél jóval költséghatékonyabb eszközt fejlesztettek ki a vulkánok (és sok minden más) átvilágítására a Magyar Tudományos Akadémia Wigner Fizikai Kutatóközpontjában, a technológiára pedig Japánban is szemet vetettek. Olyannyira, hogy a NEC japán IT-óriás megvette az MTA fejlesztését, amivel a vulkánok mellett hidakról és alagutakról akarnak röntgenképeket csinálni egy mesterséges intelligenciával kiegészített rendszerrel.

Elég ritkán fordul elő, hogy a világ egyik vezető technológiai hatalmának multinacionális zászlóshajója Magyarországról vegyen technológiát; az pedig még ritkábban, hogy a világ vulkánokban egyik leggazdagabb országa a vulkánkitörést az emberi civilizáció kezdete óta nem látott Magyarországtól próbálja megszerezni a vulkánkitörés-előrejelzés egy új receptjét. 

A napokban azonban ezek közül mindkettő megtörtént, ráadásul egyszerre. A NEC nevű japán IT-óriás ugyanis május végén megállapodást kötött a Magyar Tudományos Akadémia Wigner Fizikai Kutatóközpontjával egy magyar–japán közös fejlesztésű, úgynevezett Müografikus Megfigyelő Rendszer prototípusának megvételéről és licenceléséről.

Az eszközzel jelenleg

vulkánok átvilágításán dolgoznak az MTA és japán partnere, a Tokiói Egyetem kutatói. 
A müontomográf (jobbra), illetve a gép bevetés közben egy magyarországi barlangban (jobbra).
A müontomográf (jobbra), illetve a gép bevetés közben egy magyarországi barlangban (jobbra).
Kép: MTA Wigner FK

A meglepő történet Svájcból indult, majd a Budai-hegységen és Tokión át vezetett a Japán déli részén morgó Szakuradzsima-vulkánhoz, hogy végül ritka sikeres példája legyen a részecskefizikai alapkutatások piaci értékké alakításának, na meg annak, hogy a magyar innováció tényleg képes világszínvonalú újdonságot előállítani.

Röntgen a hegyeknek

Az MTA Lendület Innovatív Detektorfejlesztő Kutatócsoport vezetője, Varga Dezső, illetve a projekten már a Tokiói Egyetem színeiben dolgozó Oláh László elmondása szerint a módszer alapelve leginkább a röntgenhez hasonlítható, csak elektromágneses helyett kozmikus sugárzással működik. A módszer lényege, hogy

  • egy detektorral érzékelni tudják a légkörben keletkező, nagyenergiás, müon nevű részecskék áthaladását.
  • A müonokat az elektronok „nagytestvéreinek” is szokták nevezni, mert fizikai tulajdonságaik ugyanazok, kivéve a tömegüket, ami az elektrontömeg kétszázszorosa.
  • A müonok a természetes kozmikus háttérsugárzással érkeznek a földfelszínre. Átlagosan másodpercenként egy müon halad keresztül egy ember tenyerén, egy 8 órás alvás során egymillió müon megy át a testen.
  • Ami különlegessé teszi őket, hogy míg a legtöbb elemi részecske vagy sugárzás túl könnyen nyelődik el, addig a müonok nagyobb energiájuk és elektronokhoz képesti kisebb kölcsönhatási képességük” miatt (nagyobb tömegükből adódóan) több száz méteres, a legnagyobb energiájúak akár több kilométeres kőzetrétegen, vagy más nagyobb, természetes vagy mesterséges akadályon is át tudnak haladni.
  • Magyarul adott esetben egy részük át tud jutni egy hegyen is. Egy röntgenképhez hasonlóan, nagyobb sűrűségű anyagban több müon nyelődik el, a kép ,,sötétebb” lesz. A hegy méreteit és a részecskék intenzitását ismerve számszerűsíthető a teljes ,,átvilágított” anyagmennyiség.
  • Ha pedig a hegy lábánál körben különböző helyeken megmérik a különböző irányból érkező sugárzás intenzitását, akkor térben is ki tudják rajzolni, hogy mi van a hegy belsejében – ha tűzhányóról van szó, akkor éppen emelkedik-e vagy süllyed a magma a kürtőben. (A módszer pontos működéséről ezen a linken olvasható egy részletes leírás).

Japán és a magyar kutatók az ország déli csücskében lévő, rendkívül aktív Szakuradzsima-vulkánnál, ahol jelenleg egy fél négyzetméteres érzékelő felületű, mindössze 5 wattos fogyasztású eszközzel végeznek teszteket. 

Magyar vulkánnagyhatalom

Persze jogosan merülhet fel a kérdés az emberben: 

miért pont a vulkánoktól nem kifejezetten hemzsegő Magyarországon fejlesztették ki a vulkánvizsgáló gépet?

Illetve miért vesz magának magyar részecske-nyomkövető technológiát egy japán elektronikai gigacég? 

A most Japánban vulkánok vizsgálatára használt gépet eredetileg a világ részecskefizikai Mekkájába, a svájci CERN kutatóközpontba szánták a Wigner FK kutatói, ahol nagyenergiás részecskék egyedi nyomkövetése volt a feladat. A más hasonló eszközökhöz képest kifejezetten a strapabíró szerkezetről amelyen Vargán és Oláhon kívül Surányi Gergely, Barnaföldi Gergely és Hamar Gergő kutatók  dolgoztak – viszont hamar kiderült, hogy működik laboratóriumi körülményeken kívül is, ebből a felismerésből jött az első alkalmazása is: a megépített müontomográfot barlangjáratok feltérképezésére kezdték használni a Budai-hegységben és a Pilisben. Az itt elért sikerekről hallva keresték meg végül a Tokiói Egyetem kutatói a Wigner Intézetet, mert fantáziát láttak az eszközben a vulkánok vizsgálatához.

Persze önmagában maga a müontomográf nem forradalmi találmány, a módszert már jó ideje használják. Ami különlegessé teszi az MTA kutatói által létrehozott eszközt, az az, hogy kifejezetten terepi körülményekre lett kifejlesztve:

  • a detektor jóval kisebb volt, mint a korábbi változatok;
  • másrészt autonóm működésre volt képes, azaz saját akkumulátorról, saját gázpalackkal tud működni, ráadásul felügyelet nélkül és elég hosszú ideig, akár hónapokig.
  • És mivel nincs komolyabb infrastruktúra-igénye, használata jóval olcsóbb, egyszerűbb és gyorsabb is, mint egy hagyományos, hatalmas kiegészítő rendszereket igénylő detektornak – mondta el dr. Lévai Péter József, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont főigazgatója. (A részleteket a kutatók egy korábbi tudományos publikációban írták le, ami itt érhető el.)

Japánban a vulkánok működését sokféleképpen figyelik, és bizonyos külső jelekből relatíve jól ki lehet következtetni, hogy mi folyik a belsejében. Azonban a jelenleg használt módszerek mégis elég megbízhatatlanok, márpedig a vulkánokkal tűzdelt Japánban gazdasági szempontból nagyon nem mindegy, hogy mennyire pontos egy-egy előrejelzés. Egy kitelepítés rendkívül költséges, az pedig elég nagy pazarlás, ha a pontatlan külső megfigyelések alapján kitelepítenek rengeteg embert, miközben végül csak egy kis, veszélytelen és rövid vulkanikus aktivitás történik. Arról nem is beszélve, ha fordított helyzetben nem sikerült megfelelően előrejelezni a vulkán működését, azaz a vártnál komolyabb kitörés történik. 

A müonokkal való átvilágítás, a belső mozgások, változások megfigyelése azért nagyon fontos, mert az eddigi módszerekhez képest (hőtérkép, földrengések, felszín mozgása, gázok elemzése) teljesen új információt ad, ráadásul folyamatosan és biztonságos távolságból.

A géppel készített tesztkép a vulkánról
A géppel készített tesztkép a vulkánról
Kép: MTA Wigner FK

Emellett természetesen kiemelkedően fontos szempont volt az is, hogy a Wigner FK által kifejlesztett nyomkövetőkkel a rendszer ára harmadára csökkenthető a korábbi megoldásokhoz képest. Ez a jelentős költséghatékonyság-javulás teszi rentábilissá, hogy a müográfot beillesszék egy előrejelző rendszerbe.

Van benne pénz

Természetesen messze nem csak a vulkánokat lehet átvilágítani a müográffal, hanem sok minden mást is. A NEC tervei szerint az MTA Wigner FK és a Tokiói Egyetem által kifejlesztett gépet a vulkánok vizsgálata mellett az infrastruktúra ellenőrzésére is fel tudják használni. A helyzet itt is nagyjából ugyanaz, mint a vulkánnál: bár jelenleg is vannak külső ellenőrzési módszerek, azokat kiegészítve sokkal pontosabb eredményt adna, ha a belsejébe lehetne látni mondjuk a hidaknak vagy alagútszerkezeteknek.

Az infrastruktúra állapota és ellenőrzése ugyanis meglepő módon elég komoly problémát jelent a szigetországban: Japán hiába a világ egyik legfejlettebb állama, a gyorsvasút és a mesterséges szigetekre épített repülőterek csak az érem egyik oldalát mutatják. A kevésbé látványos, de legalább ugyanilyen fontos vidéki közlekedési infrastruktúra jelentős része a nagy gazdasági felemelkedés időszakában, az 1960-as és 1980-as évek között épült, és azóta sem újították fel. Így mára már sok helyen szó szerint recseg-ropognak az autópályahidak- és alagutak. Legutóbb egy 2012-es alagútbeomlás után végeztek országos állapotfelmérést, akkor közel 800 súlyos strukturális hibát találtak a közlekedési alagutakban.

Az NEC szerint a müográffal mélységeiben is át tudnák világítani a hidak és alagutak szerkezetét, amiből más modern módszerekkel – például nagy felbontású kamerákkal – kombinálva pontosabban lehetne látni, hogy baj van-e, vagy sem.

Az Ió nevű japán vulkánszigetről müontomográfos "röntgenképe", amit a Tokiói Egyetem kutatói készítettek egy másik berendezéssel.
Az Ió nevű japán vulkánszigetről müontomográfos "röntgenképe", amit a Tokiói Egyetem kutatói készítettek egy másik berendezéssel.
Kép: u-tokyo.ac.jp

A NEC a mostani megállapodással mindkét felhasználási vonalon,

  • azaz a nagy dolgokat, például vulkánokat vizsgáló nagyenergiájú,
  • illetve a relatíve kisebb szerkezetek, például hidak átvilágítására használt, alacsonyabb energiájú müonokat mérő eszközöket is tovább akarja fejleszteni.

Persze azért az még odébb van, hogy a piacra kerüljön egy müontomográf: a vállalat képviselői szerint előbbi esetben legalább kettő, utóbbiban négy-öt év fejlesztés kell még ahhoz, hogy konkrét termékekben jelenjen meg a technológia. Ráadásul a NEC komplett rendszerben gondolkodik. A Wigner FK által kifejlesztett müon detektorok ennek a rendszernek az ,,érzékelői", azaz az alapjai. A NEC ehhez a saját szakterületét jelentő, mesterséges intelligenciát: a más rendszerekkel együttműködő analizáló és értelmező informatikai rendszert teszi hozzá.  

Ha költséghatékonnyá válik a kozmikus müonokkal való képalkotás, akkor további területeken lehet hasznos: sok minden más mellett gleccserek, nukleáris hulladék vagy akár kulturális örökség szerkezeti vizsgálatára is tervezik használni. A módszer tehát elég sok mindenre felhasználható, és a magyar kutatók által elért költségcsökkentéssel ezek a felhasználási módok most jóval közelebb kerültek ahhoz, hogy szélesebb körben használhatóvá váljanak. Azonban a jelentős előrelépések ellenére azért egyelőre még sokéves további fejlesztésekre lesz szükség ahhoz, hogy akár a vulkánvizsgáló, akár a NEC által megálmodott rendszerek felálljanak.

(Borítókép: A Szakuradzsima vulkán 2013-as kitörése. Japan Meteorological Agency / AFP)