Hiukkasia ja huipputeknologiaa

Myonit ovat korkeaenergisia hiukkasia, kooltaan noin 200 kertaa suurempia kuin elektronit. Vaikka myonit löydettiin jo 1930-luvulla, pidettiin niitä pitkään kosmisina roskina. Esimerkiksi CERN ja muut hiukkasfysiikan tutkimuslaboratoriot on rakennettu syvälle maan uumeniin, koska myoneja ei ole haluttu sotkemaan tutkimuksia.

Yhden roska, toisen aarre. 

Myoneja keksittiin hyödyntää ensimmäisen kerran jo 1950-luvulla, jolloin kehitettiin ensimmäiset myoni-ilmaisimet. Mutta myonigrafian, eli myoneja hyödyntävän kuvantamismenetelmän, todellinen läpimurto on tapahtumassa vasta nyt. 

Oulun yliopiston tutkijoiden perustama yritys, Muon Solutions Oy, on eturintamamassa viemässä myonigrafiaa eteenpäin.

Tutkimuslähtöistä liiketoimintaa

Viime vuosikymmenellä joukko Oulun yliopiston fysiikan tutkijoita työskenteli Pyhäsalmen kaivoksen maanalaisessa fysiikan tutkimuslaboratoriossa. Myonimittausten parissa työskentelevät fyysikot päättivät hyödyntää osaamistaan myös kaupallisesti.

– Vuonna 2016 saimme Oulun yliopiston Proof of Concept -rahoituksen, jolla pystyimme esittelemään ideaa kaivosteollisuudelle ja hiomaan liikeideaa, kertoo fyysikko Jari Joutsenvaara, yksi yrityksen perustajista.

Muon Solutions Oy rekisteröitiin vuonna 2016. Vuotta myöhemmin yritys pääsi mukaan Helsinki Challenge -kilpailuun, jossa sparrattiin tutkimuslähtöisiä liikeideoita. 

– Tapasimme neuvonantajia ja mahdollisia rahoittajia, saimme oppia verkostoitumisesta ja yritysmaailmasta sekä vinkkejä yrityksen eteenpäin viemisessä. Tutkimuksesta liikemaailmaan siirtyminen vaatii yhdenlaisen mentaalimuutoksen, ja siinä kilpailu auttoi valtavasti, Joutsenvaara kertoo.

Parhaillaan Muon Solutions on kehittämässä liiketoimintaansa EU:n EIT Raw Materials -ohjelman yrityskiihdyttä­mössä.

Yrityksen nykyinen toimitusjohtaja Marko Holma on geologi. Hänen myötään yritys tarjoaa myonigrafian lisäksi myös erilaisia geopalveluja ja koulutusta. 

Myoneja maailmankaikkeudesta

Myonit syntyvät yläilmakehässä 15 kilometrin korkeudessa. Maapalloa pommittaa jatkuvasti korkeaenerginen kosminen hiukkassäteily, joka tulee Linnunradasta valon nopeudella. Kun säteily osuu ilmakehän atomeihin, syntyy myoneja.  

Myonit ovat korkeaenergisia hiukkasia, massaltaan noin 200 kertaa suurempia kuin elektronit. Myonigrafia perustuu siihen, että tiheä kappale pysäyttää enemmän myoneja kuin harva aines.

– Myonigrafia toimii samaan tapaan kuin röntgenkuvaus. Röntgenkuvassa luut erottuvat pehmytkudoksista niiden suuremman tiheyden vuoksi. Myoneja ei kuitenkaan tarvitse tuottaa kuten röntgensäteitä, vaan maailmankaikkeus tarjoilee niitä meille ilmaiseksi, Marko Holma kertoo.

Peukalosääntö on, että peukalonpään kokoisesta alueesta menee läpi yksi myoni joka sekunti.

Myonigrafia voi olla kaksiulotteista myoniradiografiaa tai kolmiulotteista myonitomografiaa. Myös myoni-ilmaisimia eli detektoreita on monenlaisia.

– Meidän patentoitu kairanreikälaitteemme on kaksi metriä pitkä ja halkaisijaltaan kuusi senttimetriä. Se soveltuu erityisesti kaivosteollisuuden tarpeisiin, malminetsintään ja malmivarantojen laajuuden kartoittamiseen.

Myonitomografiassa eli kolmiulotteisessa kuvantamisessa käytettävä ilmaisin on noin kuutiometrin kokoinen laite.

Kuvattavan kohteen on oltava taivaan ja ilmaisimen välissä. Suuria rakennelmia tai vaikka vuoria voidaan tutkia maan pinnalta käsin, mutta muutoin ilmaisin on saatava maan alle. Luolat, tunnelit, kaivoskuilut ja kairatut reiät tarjoavat tilaisuuden päästä tutkimaan maanalaisia rakenteita.

Vaikka myonit ovat ilmaisia, niiden kuvantamiseen käytettävät ilmaisimet ovat arvokasta huipputeknologiaa. Tiheysaineiston tulkitsemiseen tarvitaan pitkälle koulutettu hiukkasfyysikko.

Käyttökohteita kaivoksista pyramideihin

Malminetsinnän lisäksi myonigrafialla on kaivosteollisuudessa useita käyttökohteita. Sillä voidaan tutkia kallioperän murroksia, malmivarantojen ja vaikkapa kaivoksessa tapahtuneiden sortumien laajuutta.

– Olemme myös olleet mukana tutkimassa Kurikan pohjavesimuodostumaa, joka sijaitsee 60–100 metrin syvyydessä. Myonigrafialla voidaan nähdä, onko kallioperässä rapautumia ja läpäiseviä kerroksia, joihin pohjavettä voi muodostua, Marko Holma kertoo.

Pohjavesivarojen monitorointi onkin yksi myonigrafian mielenkiintoinen sovelluskohde. Esimerkiksi Välimeren rannikkovaltioissa pohjaveden ylikäyttö on johtanut tilanteisiin, joissa merivesi on turmellut pohjavesimuodostumia. Myonigrafialla voitaisiin tutkia paitsi pohjavesimuodostuman laajuutta, myös muodostuman kestävän käytön rajoja.

Kansainvälisesti myonigrafiaa kaavaillaan muun muassa tulivuorten purkausten ennakointiin. Magman liikkeitä voidaan seurata tulivuoren sisällä, ja uhkaava purkaus ennakoida aiempaa aikaisemmin.

Japanissa, Tokionlahdella on yli viisi kilometriä pitkä tunneli, jonka yläpuolisen kallioperän ja meriveden tiheyttä monitoroidaan myonigrafialla. 

– Suolapitoisuuden tai ilmanpaineen muutokset aiheuttavat tiheyden muutoksia merivedessä. Kun tiheysaineisto yhdistetään ilmanpainetietoihin ja muihin säätietoihin, voidaan ennustaa, milloin yläilmakehässä on syntymässä myrsky.

Järjestelmää, joka tunnetaan nimellä Hyper Kilometric Submarine Deep Detector” (HKMSDD), voidaan käyttää myös tsunamivaroittimena. Esimerkiksi Tongan äskettäisen massiivisen tulivuorenpurkauksen synnyttämä aallon korkeuden poikkeama oli noin 20 senttimetriä Tokionlahdella noin 8 000 ilometrin päässä purkauksen tapahtumapaikalta. Havaitsimme tämän noin 8 tuntia purkauksen jälkeen.

Myonigrafialla voidaan tutkia myös isojen siltapilarien, patojen ja satamarakenteiden mahdollista rapautumista rikkomatta niiden rakennetta. 

– Yksi mielenkiintoinen sovellus myonigrafialla on ydinjätteiden loppusijoituspaikkojen monitoroinnissa.

Muon Solutions on mukana hankkeessa, jossa tutkitaan myonien hyödyntämistä vedenalaisen GPS-paikannusjärjestelmän rakentamisessa. Normaali GPS-järjestelmä ei näet toimi veden alla tai kallion sisällä. Paikannushankkeessa on mukana muun muassa brittiläinen start up -yritys ja amerikkalainen merentutkimuslaitos.

Ei edes taivas rajana

Holma innostuu visioimaan myonigrafian käyttökohteita myös Maan ulkopuolelle. 

– Myonigrafia soveltuisi asteroidien läpivalaisuun. Vaikka asteroideilla ei ole ilmakehää, niin myoneja syntyy kappaleen sisällä, kun kosminen säteily iskeytyy asteroidin pintaan. Jos asteroidin toiselle puolelle saadaan satelliitti, jossa on myoni-ilmaisin, voitaisiin nähdä, onko asteroidin sisällä tiheitä alueita, esimerkiksi nikkeliä, Holma kuvailee.

– Kuun etelänavalla on havaittu vesijäätä, josta olisi suurta hyötyä, jos Kuuhun mennään. Myonigrafialla vesijäämuodostumaa voitaisiin tutkia tarkemmin. Harkinnassa on myös tieteellinen projekti NASAn ja muiden avaruustoimijoiden kanssa. Siinä myonigrafiaa käytettäisiin Venuksen kaasukehän tiheyden mittaamiseen.

Myoneja pystytään tuottamaan myös keinotekoisesti. Myoneja on kahdenlaisia, negatiivisia eli normaaleja myoneja ja positiivisia eli antimyoneja.

– Myoneja voitaisiin käyttää myös tiedonsiirtoon. Jos pystyttäisiin synnyttämään kontrolloidusti kahdenlaisia myoneja, niitä voitaisiin käyttää binäärikoodin tavoin tiedonsiirtoon. Näin esimerkiksi teollisuudessa voitaisiin siirtää dataa paksun betoniseinän läpi. 

Marko Holma   

• FM, geologia ja mineralogia, 2001, Oulun yliopisto
• Toimitusjohtaja, Muon Solutions Oy
• Projektitutkija (osa-aikaisesti), Oulun yliopisto, Kerttu Saalasti instituutti, Alueellinen erinomaisuus (REx)
• Arctic Planetary Science Institute ry, hallituksen jäsen, yksi perustajajäsenistä
• International Virtual Muography Institute, Tokio, Japani, jäsen