El 'txirimiri' cósmico que permite ver dentro de pirámides, volcanes y contenedores

La cúpula de la catedral de Florencia, construida entre 1420 y 1436, se está resquebrajando. Algunas grietas tienen una anchura de hasta ocho centímetros y siguen creciendo, pero el estado de la estructura es un misterio. “Brunelleschi no dejó dibujos de la cúpula, porque era el único en el mundo que era capaz de construir algo así y quería proteger sus secretos”, explica Elena Guardincerri, física del Laboratorio Nacional de Los Álamos que ha trabajado durante años en un proyecto para tratar de desvelar lo que hay en su interior. “Hay un documento de la época que indica que se compró una gran cantidad de hierro, pero nadie sabe dónde fue. Hay rumores de que está dentro”. 

Saber si la estructura está reforzada es fundamental para tomar la decisión de intervenir. Pero mirar dentro de la cúpula es un desafío. La cara interna que le da estabilidad tiene más de un metro de espesor, por lo que los rayos X no pueden atravesarla y el georradar no arroja buenos resultados. Así que Guardincerri y un equipo de investigadores de la Universidad de Florencia se pusieron a trabajar en un proyecto piloto para utilizar la única fuente constante de radiación natural que puede atravesar el muro: los rayos cósmicos. “Son como una ‘ducha’ natural, que ocurre todo el tiempo”, explica Guardincerri. “Y en particular los muones, que son muy penetrantes y capaces de atravesar cientos de metros o incluso kilómetros de material sin ser atenuados significativamente; es como si hiciéramos una radiografía”.

Una partida de billar

La idea de usar los rayos cósmicos para ver a través de las paredes se remonta a mediados del siglo XX. Los físicos acababan de descubrir que nuestra atmósfera es constantemente bombardeada por protones y núcleos de helio que proceden del Sol y de grandes eventos energéticos que se producen en los confines de la galaxia. Los llamaron ‘rayos’, pero son partículas que golpean contra los átomos de nuestra atmósfera y desencadenan una serie de reacciones como en la apertura de una partida de billar atmosférica. 

Uno de estos productos de esa colisión son los muones, partículas elementales como los electrones, pero con 200 veces su masa, que se pueden detectar mediante paneles que registran la ionización que dejan a su paso. De modo que si se colocan detectores de este tipo detrás o debajo de una gran estructura durante suficiente tiempo, la variación de densidad produce una ‘sombra’ y muestra lo que contiene. 

Esto es lo que se le ocurrió al físico Eric P. George en 1955, cuando planteó por primera vez su uso para medir el espesor de roca sobre un túnel en una planta hidroeléctrica australiana. Y lo que hizo unos años después el físico Luis Álvarez, quien popularizó la idea al usarla para intentar ver el interior de la pirámide de Kefrén, en Egipto. Él no tuvo éxito, pero en 2017 otro equipo utilizó esta lluvia de partículas para detectar una cámara desconocida hasta entonces en el interior de la Gran Pirámide. Y un poco antes, en 2015, científicos japoneses usaron esta técnica para echar un vistazo al estado de los de los reactores de la accidentada central nuclear de Fukushima.

Radiografías cósmicas

Fue precisamente un japonés, Hiroyuki Tanaka, el que le puso nombre a la “muografía” (de la combinación de ‘muones’ + ‘radiografía’). “La muografía es una técnica que produce sombras y brillos de algo localizado dentro de objetos gigantes”, explica Tanaka a elDiario.es. El investigador japonés utilizó por primera vez los muones en 2007 para ver dentro del monte Asama y desde entonces ha participado en otras investigaciones similares en otros volcanes del mundo.

“Si escondes una moneda detrás de una hoja de papel, en circunstancias normales no la verías, pero si la pones contra el sol ves la sombra de la moneda”, describe. “La luz es suficientemente energética como para atravesar la hoja de papel, pero no puede penetrar en una pirámide. Los muones cósmicos son más penetrantes, de modo que la muografía nos permite tomar imágenes de sombras a través de objetos mucho más gruesos”.

“Estos muones penetran cientos de metros o incluso kilómetros. Algunos son detenidos y otros continúan, dependiendo de su energía. Esto es lo que usamos para medir la densidad del material”, indica el físico de la Universidad de Nápoles Giulio Saracino, quien ha utilizado la muografía de absorción junto al equipo de Tanaka para determinar la estructura del cono volcánico del Vesubio. “Bajamos 800 metros por la ladera y medimos los muones que llegan desde todas las direcciones, menos desde la Tierra”, relata. “Por supuesto, no estudiamos el volcán completo, que es un objeto complejo, sino su parte superior, lo que se llama el ”gran cono“. Queremos saber de qué está compuesto y qué tipo de comportamiento podría tener esta estructura en caso de erupción, si algunas partes podrían colapsar o no”.

Investigaciones similares en el Etna han permitido obtener imágenes de una cavidad que terminó produciendo un colapso y su análisis reciente del Sakurajima, en Japón, muestra la subida de la lava en el interior del cráter antes de la erupción, explica Tanaka. “También tenemos un estudio reciente que incorpora IA y aporta un buen número de predicciones sobre la posibilidad de erupciones”, adelanta.

Hornos y jamones

Desde hace ocho años, la empresa Muon Systems, ubicada en Barakaldo (Bizkaia), aplica la muografía en el ámbito comercial. La idea surgió cuando a uno de los tres socios, físico en el CERN, se le ocurrió que podría tener aplicaciones en la industria. Ahora se dedican a fabricar detectores que usan para inspeccionar el interior de altos hornos en funcionamiento, buscar grietas en estructuras de hormigón o caracterizar materiales y suelos. “Hay muchas tecnologías, como la termografía, los ultrasonidos y hasta las gammagrafías”, explica Carlos Díez González, cofundador de la empresa. “Pero cuando es una infraestructura grande o inaccesible y el resto de técnicas no llegan, solo te queda la tomografía muónica”.

La empresa Muon Systems, ubicada en Barakaldo, aplica la muografía para analizar hornos y otras estructuras industriales

En su caso, utilizan muografía de scattering, en lugar de absorción, para lo cual se requieren al menos dos paneles que detecten el ángulo de desviación del muón tras atravesar el objeto. “Los muones son tan penetrantes que, aunque el horno esté en funcionamiento los vas a seguir recibiendo. Es como ver qué sombra deja el objeto que tienes entre los detectores”, explica. “Pasan a un ritmo de unos 10.000 muones por metro cuadrado y por minuto, así que, si los dejas un tiempo, terminas viendo un montón”. Gracias a esta capacidad han podido detectar fisuras en el interior de los hornos y hasta comprobar el nivel en el que se mantiene el metal fundido en el crisol, una información que las industrias no tienen forma de conocer y es muy útil para estimar la vida que le queda al material.

Para conseguir buenos resultados, Díez y su equipo han tenido que refinar la técnica y abaratar los costes de la fabricación de detectores. En los inicios, recuerda, hicieron pruebas de concepto midiendo los defectos de tuberías de metal y otros pequeños objetos. “Y una vez decidimos escanear un jamón a ver qué pasaba con los materiales biológicos. Es lo más extraño y sin sentido que hemos hecho”, recuerda divertido. Producía una extraña sensación, confiesa, comprobar que la imagen de algo tan trivial surgía como consecuencia de que nuestro planeta está “flotando en mitad de una tormenta de partículas”.

Desde abril del año pasado Muon Systems trabaja en un proyecto piloto para inspeccionar el interior de contenedores de barco mediante muografía. “Es una de las primeras aplicaciones que se estaban haciendo en EE.UU., en principio para buscar material radiactivo, porque cuando los muones chocan contra el uranio se desvían muchísimo”, explica Carlos Díez. A su empresa le han concedido un proyecto para la construcción de un pórtico de 9 m2 de detección que instalarán en el puerto de Santander, adelanta a elDiario.es. El objetivo del proyecto “Muon Cargo”, cuyos detectores están ya en construcción, es crear un sistema que permita analizar la carga y observar objetos de distinto tamaño, más allá del material nuclear. “La clave es que usar los rayos X requiere zonas de exclusión y no es práctico”, subraya. “Lo que aporta esto es que puede ser una especie de pórtico todo lo grande que quieras por el que pasen varios camiones a la vez y que esté absolutamente integrado en la cadena del puerto”.

Gracias a estos avances, puede que en el futuro el tráfico de mercancías sea escrutado por este tipo de detectores que aprovechan el ‘txirimiri’ del cosmos para ver a través de las paredes. Pero no es la única aplicación de la muografía que nos encontraremos en nuestra vida cotidiana. “Los muones no solo sirven para obtener imágenes, también tienen aplicaciones para la navegación o la comunicación”, concluye Tanaka en conversación desde Tokyo. “Gracias a su universalidad, en el futuro podremos expandir su aplicación a otras cosas que usamos en nuestras vidas diarias”.

Ahora mismo están en marcha proyectos para diseñar un sistema de coordinación del tiempo universal mediante muones, para crear un sistema de cifrado de la información, usarlos para el “internet de las cosas” y hasta para dar forma a una especie de GPS basado en la radiación cósmica. Y ya ha servido para detectar meteotsunamis, observar la estructura de grandes ciclones, caracterizar terremotos del pasado y asomarse dentro de las pirámides y de algunos grandes volcanes. Si todo sale bien, puede que también sirva algún día para arrojar luz sobre los secretos de Brunelleschi.