Magyar találmánnyal röntgenezik a japán vulkánokat

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 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.
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.
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.