Utilización de duchas de partículas para explorar el interior de las estructuras
Los investigadores del HZDR buscan aprovechar las imágenes de muones para puentes, parques químicos y contenedores Castor
La Tierra es constantemente golpeada por partículas cósmicas. Los muones de alta energía pueden penetrar fácilmente varios metros de acero u hormigón. Un equipo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) trata de aprovechar el potencial de esta inevitable radiación de fondo para ver el interior de instalaciones o estructuras industriales. El problema es que los detectores de muones utilizados en física de altas energías en centros de investigación como el CERN son muy sensibles y caros. Por eso, los expertos en tomografía de la HZDR están desarrollando un demostrador: un detector de muones de bajo coste, gran escala y alta resolución para la monitorización no destructiva del estado de las instalaciones. La Asociación Helmholtz financia el proyecto con 500.000 euros durante un periodo de dos años, dentro de su campaña de transferencia. Está previsto que el proyecto comience el 1 de julio de 2023.
Según el Instituto Federal de Investigación de Carreteras, uno de cada diez puentes de Alemania está deteriorado. Los ataques corrosivos a las armaduras de hormigón tienen un gran impacto, razón por la cual los puentes se revisan periódicamente. La vigilancia continua de las instalaciones de producción también es esencial en la industria de materiales básicos, lo que supone enormes costes. Columnas de destilación de hasta 50 metros de altura, grandes plantas de fundición de acero y hornos rotatorios para la incineración de residuos deben pararse, porque es la única forma de detectar signos de desgaste. ¿Y qué pasa con el estado de los elementos de combustible gastado que se guardan actualmente en los contenedores de almacenamiento de las 17 instalaciones de almacenamiento provisional de Alemania?
"En teoría, las imágenes de muones son ideales para este tipo de aplicaciones", subraya el profesor Uwe Hampel, jefe de departamento del Instituto de Dinámica de Fluidos del HZDR. Por ejemplo, fue a principios de marzo cuando los medios de comunicación volvieron a informar sobre una cámara descubierta en 2017 en la Gran Pirámide de Guiza, de 4.500 años de antigüedad. Lo que es una sensación para los arqueólogos debe mucho a las imágenes de muones.
Los muones son un componente de los rayos cósmicos. Estas partículas cargadas son extremadamente energéticas y penetran profundamente en los materiales. Por eso se pueden utilizar detectores de alta resolución para obtener imágenes tridimensionales del interior de grandes instalaciones y estructuras industriales.
"Sin embargo, los tipos de detectores existentes no son suficientemente robustos para la monitorización y resultan demasiado caros", explica el experto en técnicas de imagen en ingeniería energética y de procesos. Los factores de coste son, por un lado, la compleja fabricación y, por otro, el número de canales electrónicos necesarios para obtener imágenes de alta resolución.
Adaptación inteligente para obtener detectores baratos y robustos
Se espera que nuevas ideas ayuden ahora a que las imágenes de muones logren un gran avance: Una de esas ideas es un concepto de detector con una estructura matricial especial para la electrónica, que el equipo de Hampel diseñó originalmente para un sensor patentado de malla metálica.
"Nuestra estructura se caracteriza por la capacidad de localizar y transmitir señales en la zona con gran eficacia, para luego evaluarlas mediante algoritmos de desarrollo propio. Ya hemos conseguido transferir este esquema a detectores de muones", informó Uwe Hampel.
En principio, la estructura matricial es adecuada no sólo para los electrodos de alambre de un detector de ionización gaseosa, sino también para las fibras ópticas de un detector de centelleo. Otra ventaja más: Gracias al sofisticado esquema de direccionamiento, tanto el número de canales electrónicos como los costes del detector pueden reducirse drásticamente.
En el proyecto MYTOS, que ha recibido 500.000 euros de financiación, los expertos de la HZDR se están encargando de analizar comparativamente distintos principios de detectores. "Nos interesa especialmente saber si los detectores de prueba son robustos en un entorno industrial, es decir, en caso de fluctuaciones de temperatura o vibraciones", explica Uwe Hampel.
Con los conocimientos adquiridos, él y su equipo de experimentados ingenieros y científicos especializados en mediciones tienen previsto construir un prototipo y probarlo experimentalmente en colaboración con posibles usuarios. También participan BASF, EWN Entsorgungswerk für Nuklearanlagen [Planta de eliminación de residuos nucleares de EWN] y el Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung [Instituto Federal de Investigación y Ensayo de Materiales, BAM].
De momento, la idea se limita a inspeccionar plantas y estructuras con detectores modulares móviles a intervalos regulares. Pero Uwe Hampel persigue una visión clara: "A largo plazo, queremos reducir el coste de los sensores y la tecnología de medición hasta tal punto que sea factible la supervisión estacionaria a largo plazo".
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