Nieinwazyjny sensor do wykrywania materiałów niebezpiecznych w środowisku wodnym

Nieinwazyjny podwodny sensor do wykrywania zagrożeń chemicznych na dnie Bałtyku

Polscy naukowcy, pod kierunkiem dr. Michała Silarskiego z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, pracują nad przełomowym rozwiązaniem, które może znacząco zwiększyć bezpieczeństwo ekologiczne Morza Bałtyckiego. W ramach projektu FIRST TEAM finansowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej z Funduszy Europejskich dla Nowoczesnej Gospodarki 2021-2027 (FENG), opracowywany jest nieinwazyjny sensor zdolny do wykrywania niebezpiecznych substancji chemicznych na dnie morskim. Wynalazek wielkości walizki będzie zdalnie wysyłany na dno Morza Bałtyckiego, na którym zalegają pozostałości wojenne: niewybuchy, miny i gazy bojowe.

Morze Bałtyckie skrywa w swoich wodach tysiące ton pozostałości po II wojnie światowej – amunicji, wraków statków, a co najbardziej niepokojące, bojowych środków trujących, takich jak gaz musztardowy czy sarin. Zdarzały się już przypadki poparzeń spowodowanych kontaktem z toksycznymi substancjami u ludzi, którzy mylili je z bursztynem. Według raportu Najwyższej Izby Kontroli, na dnie Bałtyku, tylko w polskiej strefie, znajduje się ponad 400 wraków, w tym ponad 100 w samej Zatoce Gdańskiej. Jeszcze większym wyzwaniem dla środowiska naturalnego oraz dla zdrowia i życia ludzi jest zatopiona w Morzu Bałtyckim amunicja, a także zbiorniki z bojowymi środkami trującymi. Wiemy, że nie wszystkie stanowiska z bronią chemiczną zalegającą na dnie morza zostały oznaczone, a co gorsze – pod wpływem zachodzącej z biegiem czasu korozji pojemniki te ulegają rozszczelnieniu i toksyczne substancje przedostają się do ekosystemu.

Dotychczasowe metody wykrywania niebezpiecznych obiektów opierały się głównie na obrazowaniu radarowym – technice, która pozwala określić kształt znaleziska, ale nie jego skład chemiczny.

„Aby ustalić, z czym mamy do czynienia, konieczne było fizyczne zbliżenie się do znaleziska, co wiąże się z ogromnym ryzykiem. Sensor, nad którym pracuje nasz zespół, eliminuje tę konieczność. Wykorzystuje on zjawisko neutronowej aktywacji materiału, pozwalając na bezkontaktowe i nieinwazyjne określenie składu chemicznego badanych substancji” – mówi dr Michał Silarski.

Jak działa to urządzenie? Sensor generuje szybkie neutrony przy użyciu izotopów wodoru (deuteru i trytu). Neutrony te przenikają przez pojemniki i wzbudzają jądra atomowe znajdujących się w środku substancji. W odpowiedzi na to wzbudzenie emitowane są kwanty gamma, unikalne dla każdego pierwiastka.

„Każdy pierwiastek ma swoje charakterystyczne widmo promieniowania gamma. Analizując te sygnały, jesteśmy w stanie zidentyfikować, jakie substancje znajdują się wewnątrz badanego obiektu. Dzięki specjalistycznemu oprogramowaniu komputerowemu, możliwe będzie szybkie określenie składu chemicznego oraz stwierdzenie, czy dany obiekt stanowi zagrożenie. Nasza metoda pozwoli zidentyfikować każdą substancję z katalogu tych, które uznaje się za niebezpieczne i które zalegają na dnie morskim. Odczyt i przetwarzanie danych będzie wspomagane sztuczną inteligencją” – tłumaczy naukowiec.

Urządzenie będzie mieć kompaktowe rozmiary, które pozwolą na umieszczenie go w niewielkiej walizce i zamontowanie na sterowanej zdalnie jednostce pływającej, przypominającej miniaturową łódź podwodną. Co istotne, sensor będzie działał nawet na większych głębokościach i w trudnych warunkach, co czyni go idealnym narzędziem do wykrywania zagrożeń ukrytych w podmorskich wrakach. Takie precyzyjne rozpoznanie zatopionych materiałów przed przystąpieniem do działań saperskich wielokrotnie zwiększy bezpieczeństwo tych prac.

Jak podkreśla dr Michał Silarski, projekt FIRST TEAM wpisuje się w szerszy kontekst międzynarodowej współpracy. W 2004 r. rozpoczęła się realizacja trzyletniego projektu BALTWRECK, którego celem jest opracowanie metod zarządzania wrakami oraz redukcja zagrożeń wynikających z obecności niebezpiecznych substancji na dnie Bałtyku. Projekt ten zrzesza 14 partnerów z Polski, Niemiec, Szwecji i Litwy.

Dr Michał Silarski uzyskał tytuł doktora nauk fizycznych na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, a następnie odbył staż w Narodowym Instytucie Fizyki Jądrowej we Frascati we Włoszech. Od 2016 r. jest adiunktem na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ. W ramach swoich zainteresowań badawczych zajmuje się testami zachowania fundamentalnych symetrii fizyki cząstek elementarnych w rozpadach mezonów K oraz prowadzi badania aplikacyjne nad zastosowaniem neutronów w nieinwazyjnym wykrywaniu oraz identyfikacji niebezpiecznych substancji. Zajmuje się również rozwojem terapii borowo-neutronowej BNCT (to przełomowa technika leczenia nowotworów, polegająca na selektywnym niszczeniu komórek rakowych wzbogaconych o bor za pomocą niskoenergetycznych neutronów).