COVID-19: zajęcia hybrydowe do 30 stycznia
Zespół naukowców (od lewej) dr Ł. Syrocki, dr hab. K. Słabkowska, prof. M. Polasik i dr E. Węder [fot. Andrzej Romański]

Zespół naukowców (od lewej) dr Ł. Syrocki, dr hab. K. Słabkowska, prof. M. Polasik i dr E. Węder

fot. Andrzej Romański

Niekonwencjonalnie i ultrawydajnie

2017-04-21

W Zakładzie Spektroskopii Atomowej Wydziału Chemii UMK, pod kierunkiem prof. dr. hab. Marka Polasika, realizowane są unikalne interdyscyplinarne badania teoretyczne dotyczące zaprojektowania optymalnych warunków dla przeprowadzenia pierwszej eksperymentalnej obserwacji nowego zjawiska fizycznego, jakim będzie proces wzbudzenia jądra poprzez wychwyt elektronu (NEEC). Chodzi o kontrolowane uwalnianie energii zgromadzonej w izomerach jądrowych, które posłuży m.in. do stworzenia ultrawydajnych baterii jądrowych.

W badania zaangażowany jest zespół naukowców w składzie: dr hab. Katarzyna Słabkowska, dr Ewa Węder oraz dr Łukasz Syrocki. O nowatorskim charakterze tej tematyki świadczy fakt, że dotychczas, pomimo wielu prób prowadzonych przez 40 lat w najbardziej renomowanych ośrodkach eksperymentalnych na całym świecie, nie udało się naukowcom zaobserwować procesów NEEC (od ang. Nuclear Excitation by Electron Capture), dla jakiegokolwiek izomerycznego stanu jądrowego. Toruńscy badacze prowadzą swoje poszukiwania od 2015 roku.

Pierwsza obserwacja nowego zjawiska fizycznego, tj. procesu NEEC jest bardzo ważna nie tylko z punktu widzenia nauk podstawowych (takich jak teoria struktury wysokospinowych jąder), ale również będzie stanowić punkt wyjścia dla różnorodnych aplikacji o zaawansowanym charakterze technologicznym, takich jak lasery gamma oraz niekonwencjonalne i ultrawydajne baterie jądrowe służące do napędzania różnych maszyn. Aplikacje te mogą służyć zasilaniu napędów pojazdów (statków) używanych w trudno dostępnych lokalizacjach na Ziemi (np. na dnie oceanów czy w kraterach wulkanicznych) oraz w przestrzeni kosmicznej.

Należy wyjaśnić, że wśród stanów jąder wielu izotopów występują tzw. stany izomeryczne, które charakteryzują się wysokim spinem oraz długimi czasami życia (od nanosekund do wielu lat). Tak długo żyjące metastabilne stany wzbudzone jąder mogą przechowywać ogromną ilość energii, nawet miliony razy większą od najnowszych baterii chemicznych. Wyniki nowatorskich badań zrealizowanych na UMK (oraz przedstawionych w artykule) istotnie przybliżają zaobserwowanie po raz pierwszy procesu NEEC, który umożliwi kontrolowane uwolnienie energii zgromadzonej w izomerach jądrowych wybranych pierwiastków. Należy podkreślić, że obecnie obserwacja procesu NEEC jest niezwykle realna dzięki współpracy UMK z wybitnymi specjalistami z U.S. Army Research Laboratory oraz, co jest szczególnie ważne, możliwości wykorzystania unikalnej w skali światowej aparatury, tj. najpotężniejszego i jedynego tego rodzaju spektrometru Gammasphere (składającego się ze 110 najwyższej klasy detektorów germanowych) zainstalowanego przy akceleratorze liniowym w Argonne National Laboratory (ANL) w USA. Już w 2015 roku wyniki szczegółowych badań teoretycznych, uwzględniających skomplikowane procesy atomowe i jądrowe, okazały się kluczowe przy zaprojektowaniu serii pionierskich eksperymentów, właśnie na spektrometrze Gammasphere, których celem jest obserwacja procesów NEEC dla niezwykle obiecującego izomeru 93mMo. Projekty tych eksperymentów zostały przyjęte do realizacji z najwyższym priorytetem badawczym i już w grudniu 2015 roku prof. Polasik uczestniczył w pierwszym testowym eksperymencie dotyczącym przygotowań do obserwacji procesów NEEC. Należy dodać, że spektrometr cyfrowy Gammasphere w ANL daje nadzwyczajną możliwość jednoznacznego zidentyfikowania zajścia procesów NEEC dla izomeru 93mMo, poprzez zarejestrowanie w koincydencji charakterystycznej sekwencji promieni gamma: 2474 - (NEEC) - 268 - 1477 keV.