Radioaktivität aus der Luft erkennen – genauer als bisher

Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben ein neues analytisches Rechenverfahren entwickelt, das die Identifikation radioaktiver Materialien aus der Luft massgeblich beschleunigt und präzisiert. Die Methode optimiert die radiometrische Detektion in Hubschrauber-basierten Laboren und eignet sich neben dem Notfallschutz auch für geophysikalische Analysen sowie die Kernmaterialüberwachung. In Krisenszenarien, wie Reaktorunfällen oder Anschlägen, hängt die behördliche Gefahrenbeurteilung von schnellen Analysedaten ab. Im Rahmen seiner Dissertation im Eich- und Kalibrierlabor der Abteilung Strahlenschutz und Sicherheit des PSI entwickelte David Breitenmoser die entsprechenden mathematischen Algorithmen.

Spektroskopische Herausforderungen und spektrale Verzerrung

„Jedes radioaktive Material hat einen charakteristischen Fingerabdruck durch die Gammastrahlen, die es beim radioaktiven Zerfall aussendet“, sagt Breitenmoser. Dieses Energiespektrum erlaubt prinzipiell Rückschlüsse auf Materialart und -menge. Jedoch werden die Gamma-Photonen auf dem Weg zum Detektor durch Atmosphäre und Hubschrauberstruktur gestreut, wodurch der Fingerabdruck verzerrt wird. Um diese Kalibrierungsdaten zu ermitteln, nutzen Forschende Computersimulationen. „Die Simulationen sind auch deshalb sehr langsam, weil sie bislang ziemlich ineffizient waren“, sagt Breitenmoser, da lediglich eines von zehntausend Photonen den Detektor erreicht und zusätzlich an Metalloberflächen gestreut wird.

Algorithmische Beschleunigung und Bayes-Modellierung

Hier setzt der neue Ansatz an, indem das physikalische Problem in zwei Teile aufspaltet wird: Die atmosphärische Streuung wird separat (unter Berücksichtigung von Temperatur und Flughöhe) berechnet, während die helikopterspezifische Streuung über präkonfigurierte mathematische Funktionen abgebildet wird. Die Simulationszeit sinkt dadurch von Stunden auf wenige Mikrosekunden. Um die geringe Detektionsstatistik auszugleichen, wird auf klassische Datenbündelungen verzichtet: „Als Goldstandard gilt bislang das Zusammenfassen mehrerer Energiewerte im Spektrum. Dieses Verfahren verbessert zwar die statistische Aussagekraft der Messung, führt jedoch zu einem gröberen Bild und damit zu weniger Detailinformationen“, sagt Malgorzata Kasprzak. Stattdessen nutzt das Verfahren eine Bayes-Modellierung, die das vollständige Energiespektrum statistisch auswertet.

Präzision im Feldeinsatz und Analytik-Anwendungen

„Damit können wir in Zukunft in wenigen Sekunden mit einer Messung im Helikopter schwache radioaktive Barium- oder Cäsiumproben voneinander unterscheiden, ihre Stärke mit hoher Genauigkeit bestimmen und ihren Standort präzise lokalisieren“, sagt Alberto Stabilini, der aeroradiometrische Messflüge in der Schweiz begleitet. Validierungsflüge fanden im Frühsommer 2025 rund um die Kernkraftwerke Mühleberg und Gösgen sowie bei internationalen Übungen statt. „Es gibt aber auch noch viele andere“ Einsatzbereiche, betont Breitenmoser, da sich die hohe Sensitivität der Methode hervorragend für geophysikalische Untergrunduntersuchungen oder die nukleare Inspektion durch die IAEO eignet.

Quelle

Paul Scherrer Institut PSI (10/2026)