Πως να δημιουργήσετε και να καταστρέψετε στοιχεία με φως

Από το περιοδικό New Scientist, Αύγουστος 2003

Η αλχημεία είναι ξανά της μόδας, καθώς οι φυσικοί χρησιμοποιώντας παλμούς λέιζερ μεγάλης ισχύος, μετατρέπουν το ένα στοιχείο σε άλλο. Αλλά δεν πρόκειται πια σήμερα να φτιάξουν χρυσάφι.

"Κάναμε ένα πείραμα τις προάλλες που μετέτρεψε χρυσάφι σε υδράργυρο", λέει ο Ken Ledingham, ένας ειδικός στα λέιζερ στο πανεπιστήμιο Strathclyde της Γλασκώβης. Το αποτέλεσμα του πειράματος δεν θα εντυπωσίαζε τους αλχημιστές του μεσαίωνα, που επεδίωκαν το αντίστροφο αποτέλεσμα. Να μετατρέψουν δηλαδή ευτελή υλικά σε χρυσό. Αλλά θα μπορούσε να είναι η αρχή μιας επανάστασης. Η χρήση λέιζερ για να μεταστοιχειωθούν στοιχεία, σημαίνει ότι σε λίγα χρόνια οι επιστήμονες θα κάνουν αλχημικές μεταμορφώσεις στους πάγκους τους, με μεγάλες συνέπειες σε εφαρμογές τόσο διαφορετικές όσο η ιατρική και η παραγωγή πυρηνικής ενέργειας.

Οι αλχημιστές του παλιού καιρού ποτέ δεν βρέθηκαν κοντά στην παραγωγή χρυσού. Τα πειράματά τους ήταν καθαρά χημικά, τα οποία επηρεάζουν μόνο τα επιφανειακά ηλεκτρόνια των ατόμων. Η πραγματική αλχημεία απαιτούσε μεταβολές στον πυρήνα των ατόμων - είτε προσθήκη και άλλων πρωτονίων και νετρονίων είτε την αφαίρεση αυτών από τους πυρήνες. Η μεταβολή του αριθμού των πρωτονίων αλλάζει το ένα στοιχείο σε άλλο, ενώ η ρύθμιση του αριθμού των νετρονίων ρυθμίζει τη σταθερότητα των ατόμων, μεταμορφώνοντας ένα ασταθές ισότοπο σ' ένα σταθερό ή αντίστροφα.

Από τότε που ο Ernest Rutherford "διέσπασε το άτομο" το 1919, γνωρίζουμε ότι ο βομβαρδισμός των ατόμων με σωματίδια, όπως τα νετρόνια ή τα πρωτόνια, μπορούν να μετατρέψουν το ένα στοιχείο σε άλλο. Αυτή η διαδικασία απαιτεί γενικά πυρηνικούς αντιδραστήρες ή επιταχυντές σωματιδίων με τούνελ μήκους χιλιομέτρων και τεράστιους υπεραγώγιμους μαγνήτες.

Ο Ledingham όμως και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν ένα λέιζερ για να κάνουν την ίδια δουλειά. Είναι αλήθεια ότι το λέιζερ που χρησιμοποίησαν ήταν τεράστιο, στο μέγεθος ενός μικρού ξενοδοχείου, ονομαζόταν Vulcan, βρισκόταν στο εργαστήριο Rutherford Appleton, και είναι το ισχυρότερο λέιζερ στον κόσμο. Η τεχνολογία λέιζερ όμως προοδεύει γρήγορα, και μέσα σε 5 χρόνια, λέιζερ της ισχύος του Vulcan θα έχουν μικρύνει ώστε να χωράνε πάνω σ' έναν εργαστηριακό πάγκο. Και τότε οι μεταστοιχειώσεις θα μπορούν να γίνονται μαζικά.

Ο Ledingham και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν το Vulcan για να προσθέσουν πρωτόνια σε πυρήνες χρυσού και να τους μετατρέψουν σε πυρήνες υδραργύρου. Αλλά υπάρχει κάτι περισσότερο στην καινούργια αλχημεία από τη μετατροπή ενός βαρέως στοιχείου σε ένα άλλο. Σε μια δημοσίευση που έγινε δεκτή από το περιοδικό Journal of Physics D: Applied Physics, η ομάδα προτείνει τη δυνατότητα εξουδετέρωσης των επικίνδυνων ραδιενεργών αποβλήτων. Χρησιμοποίησαν το Vulcan για να μετατρέψουν Ιώδιο-129, ένα ισότοπο που μένει ραδιενεργό για εκατομμύρια χρόνια, σε Ιώδιο-129, ένα ισότοπο που διασπάται μέσα σε λίγα λεπτά.

Για να επιτύχουν τη μεταστοιχείωση, οι ερευνητές έστρεψαν τη δέσμη παλμών λέιζερ διάρκειας picosecond προς ένα στόχο χρυσού. Η ενέργεια του λέιζερ μετατρέπει τα άτομα χρυσού σε ένα πλάσμα από ελεύθερους πυρήνες και ηλεκτρόνια, οι οποίοι ακτινοβολούν ακτίνες γ καθώς διέρχονται διαμέσου του υπόλοιπου στόχου. Αυτές οι έντονες ακτίνες γ συγκρούονται με τα άτομα Ιωδίου-129, αναταράσσοντας τους πυρήνες τους τόσο βίαια ώστε εκτινάσσουν από αυτούς ένα νετρόνιο.

Η μεταστοιχείωση των πυρηνικών αποβλήτων έχει θεωρηθεί από παλιά ένας ελκυστικός τρόπος διαχείρισης των άσχημων παραπροϊόντων της πυρηνικής ενέργειας. Ερευνητές στη Γαλλία η οποία παίρνει το 80% των αναγκών της σε ενέργεια από την πυρηνική ενέργεια, υποχρεώνονται από τον νόμο να ερευνήσουν για μεταστοιχειώσεις. Οι ΗΠΑ έχουν επίσης ένα ενεργό ερευνητικό πρόγραμμα πάνω σ' αυτό το είδος των μεταστοιχειώσεων. Η Βρετανική κυβέρνηση σκέφτεται επίσης να ξεκινήσει ένα παρόμοιο πρόγραμμα. Μέχρι τώρα οι μόνες επιλογές αφορούν κάποιες τροποποιήσεις πυρηνικών αντιδραστήρων, στις οποίες τα νετρόνια που ελευθερώνονται σε πυρηνικές σχάσεις συγκρούονται με τα ανεπιθύμητα ισότοπα και τα διασπούν. Αλλά πολλές ομάδες που αντιτίθενται στην πυρηνική ενέργεια βλέπουν ότι πρόκειται μάλλον για νέα επέκταση των πυρηνικών αντιδραστήρων.

Οι μεταστοιχειώσεις με λέιζερ θα συναντήσουν λιγότερη εχθρότητα λένε οι υποστηρικτές της, καθώς μπορούν να καθαρίσουν και τα ήδη υπάρχοντα απόβλητα, κι έτσι οι μεταστοιχειώσεις αυτές αποτελούν ένα επιδιωκόμενο στόχο εδώ και πολύ καιρό, (από τις αρχές της δεκαετίας του 19990.)

Πρέπει όμως να αναφερθεί ότι βρισκόμαστε ακόμη μακριά από τον τελικό μας στόχο. Διότι το φως του λέιζερ πρέπει να μετατραπεί σε ακτίνες γ, και από αυτές ένα μικρό ποσοστό να συγκρουστεί με του πυρήνες-στόχους. Η μέθοδος που χρησιμοποίησε ο Ledingham έχει εξαιρετικά μικρή απόδοση. Τα πρόσφατα πειράματά του μετέτρεψαν μόνο 3 εκατομμύρια άτομα Ιωδίου-129 σε Ιώδιο-128, δηλαδή λιγότερο από το ένα δισεκατομμυριοστό του μικρογραμμαρίου. Για να μετατρέψει όλο το δείγμα που είχε μέγεθος μερικών εκατοστών, έπρεπε το λέιζερ να πυροδοτηθεί περισσότερες από 1017 φορές, καταναλώνοντας ένα τεράστιο ποσό ενέργειας. "Θα έπρεπε να χτίσουμε έναν ξεχωριστό ενεργειακό σταθμό για να δουλεύει το λέιζερ" λέει ο Karl Krushelnick, ένας φυσικός των λέιζερ στο Imperial College του Λονδίνου και μέλος της ομάδας του Ledingham. Επιπρόσθετα, με τις σημερινές δυνατότητες το λέιζερ μπορεί να πυροδοτηθεί μόνο μια φορά ανά ώρα.

Μαζί με την καταστροφή των ανεπιθύμητων ισοτόπων, οι σύγχρονοι αλχημιστές μπορούν επίσης να κατασκευάσουν νέα στοιχεία. Έτσι π.χ. το στοιχείο με 110 πρωτόνια δεν υπάρχει στη φύση αλλά παρασκευάστηκε τεχνητά μόλις πρόσφατα στο Darmstadt της Γερμανίας με τη βοήθεια επιταχυντή σωματιδίων. Αυτό και άλλα στοιχεία με βαρείς πυρήνες θα μπορούν να παρασκευαστούν με τη νέα μέθοδο.

Αλλά η πρώτη πρακτική εφαρμογή της νέας μεθόδου είναι πιθανόν να εμφανιστεί στην ιατρική φυσική, πράγμα που θα ευχαριστούσε τους παλιούς αλχημιστές οι οποίοι πίστευαν ότι η φιλοσοφική λίθος που επεδίωκαν θα είχε θεραπευτικές ιδιότητες.

"Η αλχημεία είναι πραγματικά χρήσιμη στην παρασκευή ραδιοϊσοτόπων για την ιατρική " λέει ο Philip Walker, επικεφαλής του τμήματος πυρηνικής φυσικής και σωματιδίων στο Ινστιτούτο Φυσικής του Ην. Βασιλείου. Τα ισότοπα αυτά χρησιμοποιούνται για ιατρικές απεικονίσεις.

Το Φθόριο-18 π.χ. διασπάται με εκπομπή ενός ποζιτρονίου, το οποίο εξαϋλώνεται μόλις συναντήσει ένα ηλεκτρόνιο και συγχρόνως εκπέμπεται ένα ποσό ενέργειας με μορφή φωτονίου. Αν αυτό συμβεί μέσα στο σώμα μας, διάφοροι ανιχνευτές που θα βρίσκονται γύρω από το σώμα μας, συλλαμβάνουν αυτά τα φωτόνια που εκπέμπονται και εντοπίζουν τη θέση που βρίσκεται το ισότοπο του φθορίου. Η τεχνική αυτή λέγεται τομογραφία με εκπομπή ποζιτρονίων (PET), και χρησιμοποιείται συχνά για την ανίχνευση όγκων.

Το Φθόριο-18 και άλλα ραδιοϊσότοπα που χρησιμοποιούνται στην ιατρική πρέπει να έχουν μικρούς χρόνους μέσα στους οποίους διασπώνται, ώστε να μπορέσει να γίνει σύντομα η καταγραφή και να μην μένουν για μεγάλα διαστήματα μέσα στο σώμα. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να παρασκευαστούν μερικές ώρες πριν εισαχθούν στο σώμα. Αλλά οι μικροί επιταχυντές που χρησιμοποιούνται σήμερα για την παρασκευή τους διατίθενται μόνο σε ορισμένα νοσοκομεία και στεγάζονται μέσα σε συμπαγείς κατασκευές για προστατεύονται οι αθενείς και το προσωπικό από τις ακτινοβολίες.

Ο Ledingham πιστεύει ότι το Φθόριο-18 μέσα σε μια πενταετία θα μπορεί να παράγεται με λέιζερ που θα στεγάζονται σε κάποιο δωμάτιο του ιατρικού τμήματος. Ήδη η ομάδα χρησιμοποίησε το Vulcan για να συνθέσει Φθόριο-18 από Οξυγόνο.

Η εργασία αυτή έχει υποβληθεί στο περιοδικό Nature. Τα άτομα που παρασκευάστηκαν στάλθηκαν με ένα ταξί στο Ινστιτούτο Patterson για την έρευνα του καρκίνου, στο Manchester, όπου εισήχθησαν σε ζαχαρούχα σκευάσματα τα οποία δόθηκαν στους ασθενείς. Ένας παλμός λέιζερ δημιούργησε το ένα δέκατο της ποσότητας του φθορίου-18 που χρειαζόταν για μια μόνο δόση ενός ασθενούς λέει ο Ledingham.