текст
Как космические частицы помогают геологам находить полезные ископаемые и потайные ходы в древних сооружениях?
Сегодня первое воскресенье апреля, а значит в России отмечается День геолога. Геология играет ключевую роль в понимании планеты, обеспечивает нас необходимыми ресурсами и позволяет предсказывать природные катастрофы. Сегодня эти учёные используют технологии, которые ещё недавно казались фантастикой. Одна из самых удивительных — мюонография, позволяющая буквально «просвечивать» Землю с помощью частиц из космоса и изучать структуры недр, гор, вулканов, а также получать уникальные данные о залегании полезных ископаемых, которые традиционные способы не могут выявить.
Космические шпионы
Мюоны (мю-мезоны) — это элементарные частицы, которые рождаются при столкновении космических лучей с ядрами атомов в атмосфере. Они могут проходить сотни метров сквозь крупные объекты и проникать вглубь земли. Впервые их обнаружили в 1936 году, но только в XXI веке, с появлением сверхчувствительных детекторов и мощных компьютеров, технология вышла на новый уровень. Каждую минуту на квадратный метр Земли падает 10000 мюонов. Часть из них поглощается, проходя через материалы и вещества с разной плотностью. Метод мюонографии основан на фиксации непоглощенных частиц детектором. Принцип похож на рентгенографию, но не требует радиоактивных источников излучения и подходит для огромных объектов километровых размеров. Сравнивая потоки мюонов, можно исследовать самые разные крупные природные и промышленные объекты, не только горы, но и египетские пирамиды или древнерусские монастыри, объекты горнодобывающей отрасли и др.
В России мюонографию развивают ученые НИТУ МИСИС и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН. Один из проектов был реализован в крепости Нарын-Кала в Дербенте, которая входит в список Всемирного наследия ЮНЕСКО. Физики исследовали засыпанное на 10-метровой глубине сооружение — предположительно, древнейший христианский храм на территории России.
Кроме того, совместно с Комиссией по работе с вузами и научным сообществом при Епархиальном совете г. Москвы с использованием эмульсионных детекторов в подвалах Церкви Похвалы Божьей Матери Свято-Троицкого Данилова монастыря нашли две скрытые пустые комнаты, неизвестный воздуховод и другие особенности замурованных подвалов церкви. На территории монастыря между зданиями двух церквей обнаружены большие подземные полости. Ученые предполагают, что это могут быть древние крипты, но их происхождение и назначение еще предстоит изучить. Эти выдающиеся исследования были удостоены Макарьевской премии 2022 года в области естественных наук.
Мюонографические исследования в России продолжаются. В 2023 году в Свято-Успенском Псково-Печерском монастыре между Братской и Троицкой улицами российские ученые снова обнаружили неизвестные ранее помещения пещерного храма —большой склер и коридор на входе в храм. В 2024 году закончено исследование территории Спасо-Каменного монастыря в Кубенском озере Вологодской области. Обнаружено несколько подземных полостей на глубинах до 3,5 метров, одна из которых может быть захоронением 16 века митрополита Варлаама – единственного митрополита, похороненного не в Кремле. Обнаружение этих особенностей поможет предотвратить их повреждение в ходе планируемых работ по восстановлению взорванного в 1937 году Преображенского храма монастыря.
Мюоны (мю-мезоны) — это элементарные частицы, которые рождаются при столкновении космических лучей с ядрами атомов в атмосфере. Они могут проходить сотни метров сквозь крупные объекты и проникать вглубь земли. Впервые их обнаружили в 1936 году, но только в XXI веке, с появлением сверхчувствительных детекторов и мощных компьютеров, технология вышла на новый уровень. Каждую минуту на квадратный метр Земли падает 10000 мюонов. Часть из них поглощается, проходя через материалы и вещества с разной плотностью. Метод мюонографии основан на фиксации непоглощенных частиц детектором. Принцип похож на рентгенографию, но не требует радиоактивных источников излучения и подходит для огромных объектов километровых размеров. Сравнивая потоки мюонов, можно исследовать самые разные крупные природные и промышленные объекты, не только горы, но и египетские пирамиды или древнерусские монастыри, объекты горнодобывающей отрасли и др.
Различают два метода: мюонография и томография мюонного рассеивания. Первый использует детекторы, размещенные снизу или сбоку от объекта, чтобы фиксировать мюоны, которые проходят через него. Второй регистрирует двумя детекторами (сверху и под объектом, например, на таможне) изменение углов движения мюонов, прошедших через исследуемый объект. Наилучшим угловым разрешением обладают автономные детекторы на основе ядерной фотоэмульсии. Они способны обнаружить объекты размером 15 метров на расстоянии 1 км, а на меньших дистанциях — участки с изменением плотности от 50 см. Оба метода экономически выгодные и экологически безопасные, но имеют разные сферы использования.
Пирамиды, монастыри и тайные комнаты
Самые резонансные открытия современной мюонографии связаны с исследованием памятников архитектуры. В 2016 году международная группа ученых обнаружила в пирамиде Хеопса в Египте новый коридор длиной в 30 метров и диаметром 8 метров. Это первое крупнейшее открытие с 19 века в истории изучения пирамид.
Пирамиды, монастыри и тайные комнаты
Самые резонансные открытия современной мюонографии связаны с исследованием памятников архитектуры. В 2016 году международная группа ученых обнаружила в пирамиде Хеопса в Египте новый коридор длиной в 30 метров и диаметром 8 метров. Это первое крупнейшее открытие с 19 века в истории изучения пирамид.
В России мюонографию развивают ученые НИТУ МИСИС и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН. Один из проектов был реализован в крепости Нарын-Кала в Дербенте, которая входит в список Всемирного наследия ЮНЕСКО. Физики исследовали засыпанное на 10-метровой глубине сооружение — предположительно, древнейший христианский храм на территории России.Кроме того, совместно с Комиссией по работе с вузами и научным сообществом при Епархиальном совете г. Москвы с использованием эмульсионных детекторов в подвалах Церкви Похвалы Божьей Матери Свято-Троицкого Данилова монастыря нашли две скрытые пустые комнаты, неизвестный воздуховод и другие особенности замурованных подвалов церкви. На территории монастыря между зданиями двух церквей обнаружены большие подземные полости. Ученые предполагают, что это могут быть древние крипты, но их происхождение и назначение еще предстоит изучить. Эти выдающиеся исследования были удостоены Макарьевской премии 2022 года в области естественных наук.Мюонографические исследования в России продолжаются. В 2023 году в Свято-Успенском Псково-Печерском монастыре между Братской и Троицкой улицами российские ученые снова обнаружили неизвестные ранее помещения пещерного храма —большой склер и коридор на входе в храм. В 2024 году закончено исследование территории Спасо-Каменного монастыря в Кубенском озере Вологодской области. Обнаружено несколько подземных полостей на глубинах до 3,5 метров, одна из которых может быть захоронением 16 века митрополита Варлаама – единственного митрополита, похороненного не в Кремле. Обнаружение этих особенностей поможет предотвратить их повреждение в ходе планируемых работ по восстановлению взорванного в 1937 году Преображенского храма монастыря.Геологоразведка и безопасность
В горнодобывающей промышленности мюонография совершает настоящую революцию. Традиционные методы разведки требуют взрывных работ, значительных временных затрат и множества скважин — все это очень дорого, требует длительного времени и дает достаточно точной информации.
В 2021 году канадский стартап Ideon Technologies впервые применил компактный скважинный детектор мюонов для сканирования уранового месторождения под 600-метровой толщей песчаника на руднике McClean Lake в Саскачеване. Детектор диаметром менее 10 см и мощностью 10 Вт сочетает мюонографию с ИИ-анализом данных, значительно повышая точность поиска рудных тел и сокращая экологический ущерб. По словам экспертов, метод превосходит традиционную геофизику в обнаружении глубокозалегающих месторождений, что подтвердили и проекты в Селлафилде (Великобритания) и на «Фукусиме-1».
В конце 2024 года ученые АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» успешно протестировали прототип мюонного детектора, предназначенного для работы в скважине при разведке твердых полезных ископаемых. В будущем он позволит анализировать изменения потока мюонов и создавать трехмерные модели подземных структур, выявляя месторождения руд и других ценных ресурсов. Разработка открывает новые возможности для неразрушающей геологоразведки, снижая затраты на бурение и повышая точность поиска.
Мюонография становится также бесценным инструментом для обеспечения безопасности социальных агломераций. В Японии технологию используют для контроля состояния затопленных реакторов «Фукусимы». В Италии с её помощью изучают динамику магматического столба под Везувием, состояние древних сооружений в Риме.
Будущее уже здесь
Мюонографические исследования — эффективный, экономичный и экологически безопасный способ исследований и мониторинга внутренней структуры крупных природных, культурных и промышленных объектов. Метод определяет разность плотностей горных пород в межскважинном пространстве и повышает уровень изученности недр, что позволяет геологам строить более детальные трехмерные модели массива и минимизировать последствия возможных природных и техногенных катастроф для населения, инфраструктуры и окружающей среды.
В горнодобывающей промышленности мюонография совершает настоящую революцию. Традиционные методы разведки требуют взрывных работ, значительных временных затрат и множества скважин — все это очень дорого, требует длительного времени и дает достаточно точной информации.
В 2021 году канадский стартап Ideon Technologies впервые применил компактный скважинный детектор мюонов для сканирования уранового месторождения под 600-метровой толщей песчаника на руднике McClean Lake в Саскачеване. Детектор диаметром менее 10 см и мощностью 10 Вт сочетает мюонографию с ИИ-анализом данных, значительно повышая точность поиска рудных тел и сокращая экологический ущерб. По словам экспертов, метод превосходит традиционную геофизику в обнаружении глубокозалегающих месторождений, что подтвердили и проекты в Селлафилде (Великобритания) и на «Фукусиме-1».
В конце 2024 года ученые АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» успешно протестировали прототип мюонного детектора, предназначенного для работы в скважине при разведке твердых полезных ископаемых. В будущем он позволит анализировать изменения потока мюонов и создавать трехмерные модели подземных структур, выявляя месторождения руд и других ценных ресурсов. Разработка открывает новые возможности для неразрушающей геологоразведки, снижая затраты на бурение и повышая точность поиска.
Мюонография становится также бесценным инструментом для обеспечения безопасности социальных агломераций. В Японии технологию используют для контроля состояния затопленных реакторов «Фукусимы». В Италии с её помощью изучают динамику магматического столба под Везувием, состояние древних сооружений в Риме.
Будущее уже здесь
Мюонографические исследования — эффективный, экономичный и экологически безопасный способ исследований и мониторинга внутренней структуры крупных природных, культурных и промышленных объектов. Метод определяет разность плотностей горных пород в межскважинном пространстве и повышает уровень изученности недр, что позволяет геологам строить более детальные трехмерные модели массива и минимизировать последствия возможных природных и техногенных катастроф для населения, инфраструктуры и окружающей среды.
Наука
Пресс-служба НИТУ МИСИС
Машины и Механизмы
Всего 0 комментариев
Нетоксичное литьё: в НИТУ МИСИС предложили экологичную технологию для изготовления крупногабаритных деталей
Металлургические шлаки — перспективный материал для строительства
