Berkeley Lab und Ideon erhalten Förderung für die Entwicklung eines mobilen Myonen-Bildgebungssystems

de.wedoany.com-Bericht: Die Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) des US-Energieministeriums (DOE) fördert im Rahmen des Programms „Reliable Ore Characterization for Cornerstone Sensing" (ROCKS) ein Kooperationsprojekt zwischen dem Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und Ideon Technologies. Das dreijährige Projekt bildet tiefe unterirdische Mineralvorkommen mit einer Präzision ab, die mit herkömmlichen Sensortechnologien nicht erreichbar ist, und sichert so die heimische Versorgung der USA mit kritischen Mineralien – Materialien, die für die Energie-, Industrie- und nationale Sicherheit von entscheidender Bedeutung sind.

Im Zentrum des Projekts steht das Myon, ein natürlich vorkommendes subatomares Teilchen mit extrem hoher Durchdringungsfähigkeit. Ideon arbeitet seit Jahren mit der Bergbauindustrie zusammen, um „passive" Myonen, die durch Kollisionen kosmischer Strahlung mit Atmosphärenpartikeln entstehen, zur Kartierung von Minerallagerstätten und zur Untersuchung unterirdischer Strukturen zu nutzen. Diese Myonen erreichen nur von oben kommend die Erde, was die Bildgebung für Detektoren unterhalb von Erzkörpern oder geologischen Formationen einschränkt; der Fluss beträgt etwa ein Myon pro Quadratzentimeter pro Minute, und die Bildgebungsbelichtung dauert in der Regel Tage, Wochen oder sogar Monate, abhängig von der erforderlichen Tiefe und Auflösung.

Das neue Projekt zielt darauf ab, einen hochintensiven Myonenstrahl zu erzeugen, der auf Ziele wie Erzkörper gerichtet werden kann, um hochauflösende 3D-Bilder zu erzeugen und die Zeit für die Entdeckung und Charakterisierung von Mineralien von Monaten auf Stunden zu verkürzen, wodurch der Prozess von der Entdeckung bis zum Abbau beschleunigt wird. Solche Myonenquellen sind auf Hochenergie-Teilchenbeschleuniger angewiesen, und die Ausrüstung muss kompakt und mobil genug sein, um für den Feldeinsatz geeignet zu sein.

Jeroen van Tilborg, leitender Wissenschaftler und stellvertretender Experimentalleiter am BELLA Center der Abteilung für Beschleunigertechnologie und Angewandte Physik (ATAP) des Berkeley Lab und Hauptforscher des Projekts, erläutert, dass Myonen mit einer Energie von etwa 10 Gigaelektronenvolt (GeV) etwa 20 Meter dickes Gestein, Boden und Erzschichten durchdringen können; Myonen mit höherer Energie von 30 GeV bis 100 GeV können Tiefen von 50 Metern bis über 100 Meter durchdringen.

Die „aktive" Myonenquelle basiert auf der am BELLA Center entwickelten Laser-Plasma-Beschleuniger-Technologie (LPA). Intensive ultrakurze Laserpulse verdrängen Elektronen im Plasma, und die dabei entstehenden elektrostatischen Wellen (Plasmawakefields) können Beschleunigungsfelder erzeugen, die um Größenordnungen höher sind als bei herkömmlichen Beschleunigern, wodurch Elektronenstrahlen über Distanzen von Zentimetern auf Multi-GeV-Energien beschleunigt werden. Die Elektronen werden anschließend auf ein Feststofftarget gelenkt, wodurch ein Myonenstrahl erzeugt wird, der drei bis vier Größenordnungen stärker ist als der natürliche Fluss, während die Energie der einfallenden Elektronen erhalten bleibt. Laut van Tilborg ist der für die Erzeugung von Myonenstrahlen erforderliche hochenergetische Elektronenstrahltreiber mit hoher Ladung genau der Bereich, in dem kompakte LPAs dank ihrer extrem hohen Beschleunigungsgradienten und Kompaktheit ihre Stärken ausspielen können.

Das Berkeley Lab hat zuvor bereits 10-GeV-Elektronenstrahlen in einer einzigen Stufe über eine Distanz von 30 Zentimetern beschleunigt. Das aktuelle Ziel des Projekts ist es, zwei LPA-Stufen mit jeweils etwa 6 GeV zu koppeln, um eine Beschleunigung auf über 12 GeV zu erreichen. Nach Abschluss und Risikominimierung dieses mehrstufigen Machbarkeitsnachweises soll der technische Weg zu einem 30-GeV-System (Durchdringung von 50 Metern Gestein) und einem 100-GeV-System (Durchdringung von 150 Metern) validiert werden.

Der Schlüssel zur zweistufigen Beschleunigung sind aktive Plasmalinsen und hochreflektierende Plasmaspiegel: Erstere fokussieren den Elektronenstrahl beim Übergang von einer Stufe zur nächsten neu, während Letztere die Lasercharakteristik erhalten, sodass der Laser weiterhin die Plasmawakefield der nächsten Stufe antreiben kann. Beide Komponenten gewährleisten gemeinsam, dass der Elektronenstrahl Stufe für Stufe durchläuft und dabei Energie gewinnt – entscheidend für die Erzeugung tief eindringender Myonen, die für die hochauflösende Bildgebung der tiefsten geologischen Ziele erforderlich sind.

Anthony Gonsalves, Staff Scientist der ATAP-Abteilung, erklärt, dass die jahrelangen Investitionen des Berkeley Lab in die LPA-Forschung die Technologien hervorgebracht haben, die dieses Projekt ermöglichen. Er leitet die Beschleunigerarbeiten und fungiert als Experimentleiter des neuen Myonenprojekts. Für ihn ist dieses Projekt eine aufregende Gelegenheit, jahrzehntelange Beschleunigerforschung in Technologien umzusetzen, die wichtige nationale Bedürfnisse adressieren, indem zuverlässige Systeme entwickelt werden, die die für die praktische Untergrundbildgebung erforderlichen hochenergetischen Myonen liefern.

Das Projekt wird von drei Institutionen arbeitsteilig vorangetrieben. Die ATAP-Abteilung ist als Hardware-Leiter verantwortlich und wendet ihre Expertise in Laser-Plasma-Wechselwirkungen und hochpräzisen Particle-In-Cell-Simulationen (PIC) an, um die zweistufige 12-GeV-Elektronenquelle zu entwickeln. Ideon bringt Myonen-Tomographie und fortschrittliche Datenfusion für die Mineralexploration und den Bergbau ein; die proprietären Myonen-Detektorarrays, physikalischen Simulationen und geologischen Softwarelösungen wandeln Rohdaten in 3D-Massendichte-Visualisierungen um, die es Geologen ermöglichen, Minerallagerstätten und strukturelle Anomalien mit Meterauflösung zu identifizieren. Die Physikabteilung des Berkeley Lab steuert mit jahrzehntelanger Erfahrung in Detektoren für Hochenergie-Teilchenkollisionen Myoneninstrumentierung und Teilchenspur-Diagnostik zur Optimierung des Myonenstrahls bei.

Douglas Schouten, Chief Technology Officer von Ideon, betont, dass die Herausforderungen bei kritischen Mineralien schnellere und bessere Wege erfordern, um die dringend benötigten Ressourcen der Gesellschaft zu verstehen und zu erschließen. Mit den Projektergebnissen wird Physik, die fortschrittlicher ist als die des größten Teilchenbeschleunigers der Welt, Millionen Kubikfuß Gestein in Stunden statt Monaten abbilden. Die Zusammenarbeit von Ideon mit weltweit führenden Forschungseinrichtungen wie dem Berkeley Lab bringt diese Spitzentechnologie aus dem Labor heraus und kombiniert sie mit fortschrittlicher Sensorik und der Durchdringungskraft subatomarer Teilchen, um Wert für die Industrien zu erschließen, auf die die Gesellschaft angewiesen ist.

Durch die Kombination der Expertise des Berkeley Lab bei fortschrittlichen Beschleunigern mit den kommerziellen und fortschrittlichen Quantensensorik-Fähigkeiten von Ideon verspricht dieses Projekt, die Grundlage für eine schnellere, genauere und kosteneffizientere Charakterisierung von Mineralressourcen zu legen, die heimische Entwicklung kritischer Mineralien in den USA voranzutreiben und die Lieferketten für Energie-, Industrie- und nationale Sicherheit zu stärken. Die Anwendungen dieser Technologie gehen über den Bergbau hinaus. Das Bildgebungssystem kann auch unterirdische Hohlräume, Spalten und Kavernen identifizieren, was Vorteile für das Bauwesen und die industrielle Sicherheit bietet und Auswirkungen auf die nationale Sicherheit und kritische Infrastruktur hat.

Cameron Geddes, Direktor der ATAP-Abteilung, erklärt, dass das Projekt durch die Pionierarbeit bei der Entwicklung tragbarer Tiefdurchdringungs-Myonenquellen sicherstellt, dass die USA ihre Führungsposition bei kritischen Mineralressourcen behaupten, die für Energie und Wirtschaft von entscheidender Bedeutung sind – Technologien, die auf jahrelanger bahnbrechender Beschleuniger- und Detektorforschung basieren.