Mullistava lähestymistapa aineen, ajan ja paikan tarkkailuun – tutkimusartikkeli esittelee myonigrafian mahdollisuuksia

Tämä tulevaisuuden teknologia on nimeltään myonigrafia. Se on käytössä jo nyt, ja ala on kovassa nousussa. Myonigrafia auttaa ratkaisemaan monia maailmanlaajuisia ja jopa avaruuteen asti ulottuvia teknisiä ongelmia.

Tutkimus julkaistiin vastikään arvostetussa Nature Reviews Methods Primers -julkaisusarjassa. Se antaa laajan katsauksen myonigrafian uusimpiin käänteisiin luoden samalla näkymän tämän nuoren alan uusiin kehityssuuntiin.

Uudenlainen röntgenkatse

Laajassa kansainvälisessä kirjoittajajoukossa on mukana myös vuosia myonigrafian parissa työskennellyt Oulun yliopiston tutkija Marko Holma. Hän toimii lisäksi myonigrafiaa kehittävän Muon Solutions -yrityksen toimitusjohtajana. Oulun ja Jyväskylän yliopistojen tutkimushankkeista vuonna 2016 alkunsa saanut startup kehittää myonigrafisia tiheyskuvausjärjestelmiä lähinnä kaivannaisteollisuuden tarpeisiin. Yritys pyrkii tekemään alasta kestävämmän ja vastuullisemman.

"Myonikuvaus on yksi myonigrafian menetelmistä. Sitä voi verrata röntgenkuvaukseen, sillä molemmissa tekniikoissa enemmän ja vähemmän tiheät alueet erottuvat selvästi toisistaan. Mutta myonikuvauksessa katsellaan passiivisesti vaarattomia ja luonnostaan taivaalta sinkoilevia myoneja. Niiden avulla nähdään jopa kilometriluokan kohteiden lävitse ilman vaarallisia säteilylähteitä tai lyijyessuja. Myonit ovat turvallisia eivätkä häiritse kohdetta", Holma kuvailee.

Pohjavesitutkimuksista tullikonttien skannaukseen ja tulivuorten seurantaan

Myonikuvauksella voidaan skannata paitsi kalliota myös siltoja ja tunneleita, raunioita sekä arkeologisia kohteita. Pyramideista on sen avulla etsitty tuntemattomia huoneita. Tekniikka toimii pohjavesitutkimuksissa, ja sillä on nähty myrskypilvien sisälle sekä huomattu kaukaisen tulivuorenpurkauksen aiheuttama tsunamiaaltokin. Tulliasemilla on käytössä suuria myonikuvauslaitteita, joilla läpivalaistaan rahtikontteja ja kulkuneuvoja turvallisesti.

Myonikuvausta käytetään Japanissa aktiivisten tulivuorten jatkuvaan seurantaan. Sen avulla voidaan havainnoida syvällä tulivuoren sisällä tapahtuvia magman liikkeitä. Menetelmä varoittaa mahdollisesta tulevasta purkauksesta jo varhaisessa vaiheessa. Myonikuvauslaite täytyy kuitenkin sijoittaa aina kohteen alle tai sivulle, minkä vuoksi menetelmä soveltuu parhaiten suurten keskustulivuorten seurantaan. Monilla vulkaanisilla seuduilla, kuten esimerkiksi Islannissa, sijaitsee tällaisten lisäksi myös matalampia purkaushalkeamia, joiden seuranta myonigrafian keinoin ei onnistuisi yhtä helposti.

Paikannusteknologiasta kellojen synkronointiin

Myonien avulla tapahtuvan paikannus yltää jopa senttimetriluokan tarkkuuteen. Myonipaikannusjärjestelmä soveltuu käytettäväksi erityisesti siellä, mihin paikannussatelliittien signaalit eivät kunnolla yllä. Tällaisia paikkoja ovat esimerkiksi sisätilat, maanalaiset tunnelit ja kaivokset sekä vedenalaiset ympäristöt.

Myonien avulla voidaan myös synkronoida ja kalibroida tarkkoja kelloja. Hiukkasia voidaan käyttää salaustekniikoissa, tiedonsiirrossa ja -koodauksessa sekä salausavainten tallennuksessa. Myonit soveltuvat langattoman turvallisuuden takeeksi ja pilvipohjaisten todennusjärjestelmien pohjaksi.

Myonigrafia mahdollistaa monia aiemmin mahdottomalta tuntuneita teknisiä sovelluksia

Myonit ovat elektronien kaltaisia, mutta 207 kertaa niitä raskaampia alkeishiukkasia. Myoneja syntyy 15–25 kilometrin korkeudessa, kun avaruudesta tulevat kosmiset säteet törmäävät ilmakehän atomeihin. Näin syntyy jatkuva, lähes valonnopeudella alaspäin kulkeva myonisade. Merenpinnan tasolla jokaisen neliömetrin alan läpäisee noin 150–200 myonia joka sekunti. Myonit tunkeutuvat jopa kilometrin syvyydelle kallioon.

Hyvä läpäisykyky, huikean nopea vauhti sekä katkeamaton hiukkasten virta tekevät myoneista hyvin käyttökelpoisia moniin tarkoituksiin. 

Myonigrafia on nuori ala. Sen teoreettisia perusteita on kehitetty jo 1960-luvulta lähtien, mutta vasta viimeisten 10–15 vuoden aikana teknologia on kypsynyt käytännön hyödyntämiseen. Ala on kasvanut voimakkaasti erityisesti viime vuosina. Myoneista on tullut tehokas ja monipuolinen työkalu, jonka avulla voi toteuttaa monia aiemmin mahdottomalta tuntuneita teknisiä ratkaisuja. Nämä teknologiat ovat yhtä käyttökelpoisia ympäri maapallon riippumatta leveysasteesta tai vuorokauden- ja vuodenajasta. Myonigrafisten menetelmien etuja ovat etenkin turvallisuus, ympäristöystävällisyys ja pieni energiantarve.

Myonikuvauksen on kaavailtu olevan tulevaisuudessa oiva apu myös oman planeettamme ulkopuolella. Kuun, Marsin ja asteroidien sisäisten rakenteiden skannaaminen myonien avulla voi osoittautua korvaamattomaksi avuksi avaruuden valloituksessa.

Julkaisu:
Hiroyuki K. M. Tanaka ym. 2023. Muography. Nature Reviews Methods