April 14, 2024

Οι αισθητήρες ακτινοβολίας εργοστασίων πατάτας θα μπορούσαν μια μέρα να παρακολουθούν την ακτινοβολία σε περιοχές γύρω από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής

Ενώ η επέκταση της παραγωγής πυρηνικής ενέργειας θα παρείχε ενέργεια χωρίς άνθρακα και θα μπορούσε να βοηθήσει τις χώρες σε όλο τον κόσμο να επιτύχουν τους κλιματικούς στόχους τους, η πυρηνική ενέργεια θα μπορούσε επίσης να εγκυμονεί ορισμένους εγγενείς κινδύνους. Η ραδιενεργή μόλυνση βλάπτει το περιβάλλον και είναι σχεδόν αδύνατο να εντοπιστεί χωρίς εξειδικευμένο εξοπλισμό. Τι θα γινόταν όμως αν τα φυτά που αναπτύσσονται γύρω από τις εγκαταστάσεις μπορούσαν να ανιχνεύσουν μόλυνση από ακτινοβολία;

Οι μηχανικοί ανιχνευτές ακτινοβολίας που χρησιμοποιούνται σήμερα, που ονομάζονται δοσίμετρα, δεν είναι απολύτως αξιόπιστοι: κατά τη διάρκεια προηγούμενων πυρηνικών ατυχημάτων, όπως το Τσερνόμπιλ, απέτυχαν ή θάφτηκαν κάτω από συντρίμμια.

Η ομάδα επιστημόνων φυτών μας στο Πανεπιστήμιο του Τενεσί ήθελε να βρει εναλλακτικές σε αυτούς τους μηχανικούς αισθητήρες ακτινοβολίας για να βοηθήσει στην αντιμετώπιση των ιστορικών αστοχιών τους, γι’ αυτό αποφασίσαμε να κατασκευάσουμε έναν φυτικό αισθητήρα ακτινοβολίας γάμμα. Ο αισθητήρας, που ονομάζεται φυτοαισθητήρας, είναι ένα φυτό πατάτας που λάμπει φθορίζον πράσινο όταν εκτίθεται σε ακτινοβολία.

Ιστορικά προβλήματα αισθητήρα

Η Παγκόσμια Πυρηνική Ένωση θεωρεί την τρέχουσα παραγωγή πυρηνικής ενέργειας ασφαλή. Ωστόσο, εξακολουθούν να συμβαίνουν αστοχίες ασφάλειας, είτε λόγω ανθρώπινου λάθους είτε λόγω φυσικών καταστροφών, όπως οι σεισμοί που καταστρέφουν τους μηχανικούς αισθητήρες, και εκεί θα μπορούσαν να έρθουν στο παιχνίδι οι αισθητήρες του εργοστασίου μας.

Μια ασπρόμαυρη φωτογραφία που δείχνει μια μεγάλη τρύπα έκρηξης σε ένα κτίριο, από εναέρια άποψη.

Οι αισθητήρες ακτινοβολίας μπορούν να βοηθήσουν στην ενημέρωση για τις απαντήσεις σε πυρηνικά ατυχήματα. Η φωτογραφία δείχνει ζημιές από το ατύχημα του Τσερνομπίλ το 1986. AP Photo/Volodymyr Repik

Ο μηχανικός εξοπλισμός ανίχνευσης ακτινοβολίας απαιτεί ηλεκτρική ενέργεια και τακτική συντήρηση, καθιστώντας τον λιγότερο αξιόπιστο σε περιπτώσεις έκτακτης ανάγκης. Ένας αισθητήρας φυτικής προέλευσης δεν θα απαιτούσε τίποτα από αυτά.

Οι τύποι καταστροφών που καταστρέφουν τους μηχανικούς αισθητήρες θα μπορούσαν να βλάψουν τους αισθητήρες πατάτας, αλλά πιθανότατα δεν θα εξαφάνιζαν ένα ολόκληρο χωράφι φυτεμένο με πατάτες. Όσο ορισμένα φυτικά κύτταρα είναι ακόμα ζωντανά, το φυτό θα μπορούσε να λειτουργήσει ως αισθητήρας ακτινοβολίας.

Αν και τα φυτά της πατάτας είναι ανθεκτικά, ορισμένες καταστροφές, όπως μια δασική πυρκαγιά, θα βλάψουν τους αισθητήρες των φυτών περισσότερο από τους μηχανικούς αισθητήρες. Ενώ οι αισθητήρες μας θα μπορούσαν να συμπληρώσουν τους μηχανικούς αισθητήρες, δεν θα αντικαθιστούσαν πλήρως τη χρήση τους.

Δύο μικρά φυτά πατάτας σε πράσινο και δύο σε γκρι, φαίνονται από ψηλά, σε μια τετράγωνη γλάστρα γεμάτη με χώμα.Δύο μικρά φυτά πατάτας σε πράσινο και δύο σε γκρι, φαίνονται από ψηλά, σε μια τετράγωνη γλάστρα γεμάτη με χώμα.

Γενετικά τροποποιημένα φυτά πατάτας που λειτουργούν ως αισθητήρες ακτινοβολίας. εργαστήριο Στιούαρτ

Τα φυτά ως αισθητήρες.

Σε αντίθεση με τα θηλαστικά, τα φυτά μπορούν να ανεχθούν πολλή ακτινοβολία πριν πεθάνουν. Τα φυτά πατάτας, για παράδειγμα, μπορούν να επιβιώσουν 10 φορές την ποσότητα ακτινοβολίας που θα σκότωνε έναν άνθρωπο.

Επιλέξαμε την πατάτα ως τον αισθητήρα μας οργανισμό επειδή τα φυτά πατάτας μπορούν να ανεχθούν υψηλά επίπεδα ακτινοβολίας, είναι εύκολο να αναπτυχθούν χρησιμοποιώντας κονδύλους και μπορούν να επιβιώσουν σε διάφορα περιβάλλοντα σε όλο τον κόσμο.

Η έκθεση στην ακτινοβολία καταστρέφει το DNA στα κύτταρα ενός οργανισμού. Όταν συμβαίνει αυτό στα φυτά, μπαίνουν σε σενάριο «κόκκινου συναγερμού» και ενεργοποιούν πολλά γονίδια επιδιόρθωσης DNA για να διορθώσουν το πρόβλημα.

Οι συνάδελφοί μου και εγώ υιοθετήσαμε το μονοπάτι απόκρισης της βλάβης στο DNA στα φυτά πατάτας, έτσι ώστε όταν εκτεθούν σε ακτινοβολία, τα φύλλα της πατάτας παρήγαγαν μια πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη. Αυτή η φθορίζουσα πρωτεΐνη αναγκάζει τα φυτά αισθητήρων να εκπέμπουν μια μοναδική πράσινη φθορίζουσα λάμψη όταν εκτίθενται σε ακτινοβολία γάμμα.

Ενώ το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να δει την πράσινη υπογραφή, τα drones που χρησιμοποιούνται για γεωργική και περιβαλλοντική παρακολούθηση μπορούν. Όσο περισσότερο πράσινο φθορισμό παράγει το φυτό, τόσο μεγαλύτερη είναι η ένταση της ακτινοβολίας. Επομένως, οι αισθητήρες μπορούν να σας πουν “ναι, υπάρχει ακτινοβολία”, καθώς και πόση περίπου ακτινοβολία υπάρχει.

Στις δοκιμές μας, τα φυτά ανέφεραν ακτινοβολία οκτώ ώρες μετά την έκθεση, αλλά αυτό ήταν επίσης το νωρίτερο που μπόρεσε να τα επαληθεύσει η ομάδα μας.

Ένα μικρό drone που πετά πάνω από ένα χωράφι, με ένα σπίτι στο βάθος.Ένα μικρό drone που πετά πάνω από ένα χωράφι, με ένα σπίτι στο βάθος.

Σύμφωνα με τις δοκιμές μας, ο τρέχων φυτοαισθητήρας ακτινοβολίας μπορεί να αναφέρει μια ελάχιστη συνολική δόση 10 γκριζ ακτινοβολίας, μια πολύ θανατηφόρα δόση για έναν άνθρωπο. Οι αισθητήρες ανέφεραν ακτινοβολία οκτώ ώρες μετά την έκθεση και συνέχισαν να το κάνουν για 10 ημέρες ή περισσότερες, ανάλογα με τη δόση.

Οι μηχανικοί αισθητήρες μπορούν να ανιχνεύσουν πολύ χαμηλότερα επίπεδα ακτινοβολίας σε πραγματικό χρόνο, παρά ως αθροιστική δόση όπως ανιχνεύουν οι φυτοαισθητήρες. Αυτό καθιστά τους μηχανικούς αισθητήρες ιδανικούς για την καθημερινή παρακολούθηση της επικίνδυνης ακτινοβολίας εντός ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής, ενώ οι φυτοαισθητήρες είναι πιο κατάλληλοι για την παρακολούθηση μεγαλύτερων εκτάσεων γης γύρω από ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας.

Ο τρέχων αισθητήρας θα μπορούσε να παρακολουθεί τα επίπεδα ακτινοβολίας για το ευρύ κοινό σε ένα σενάριο έκτακτης ανάγκης όπου ραδιενεργό υλικό θα μπορούσε να βρίσκεται οπουδήποτε μέσα σε μια μεγάλη ζώνη καταστροφής. Το Τσερνόμπιλ μόλυναν μια περιοχή στο μέγεθος της Νεμπράσκα, ενώ η Φουκουσίμα μόλυνα μια περιοχή στο μέγεθος του Νιου Τζέρσεϊ. Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της περιοχής είχε χαμηλά επίπεδα ρύπανσης, με ορισμένα καυτά σημεία.

Σε σύγκριση με τους μηχανικούς αισθητήρες, οι φυτοαισθητήρες είναι πιο αργοί και λιγότερο ευαίσθητοι, επομένως δεν θα έσωζαν κανέναν που εργάζεται μέσα στο εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ακόμα κι αν καλλιεργούνταν σε εσωτερικούς χώρους. Ο τρέχων αισθητήρας θα μπορούσε να πει στους πρώτους ανταποκριτές πού βρίσκονται οι πιο ζεστές περιοχές κατά τη διάρκεια μιας μεγάλης κλίμακας καταστροφής. Μετά από μια καταστροφή, θα μπορούσε να πει στις ρυθμιστικές αρχές πού είναι ασφαλές να επιστρέψουν οι εργαζόμενοι και, τελικά, το κοινό.

Δοκιμάσαμε τον αισθητήρα χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ και μια κάμερα στο εργαστήριο, που είναι συσκευές χαμηλής ισχύος και χαμηλής ανάλυσης. Πραγματικά drones με εξειδικευμένα συστήματα ανίχνευσης θα μπορούσαν πιθανώς να ανιχνεύσουν χαμηλότερα κατώφλια ακτινοβολίας.

Εκτός από τη λειτουργία παρόμοια με τους μηχανικούς αισθητήρες ακτινοβολίας, ο αισθητήρας φυτοακτινοβολίας με βάση την πατάτα είναι ένας ζωντανός, αναπτυσσόμενος οργανισμός που αντλεί την ενέργειά του από το ηλιακό φως. Αυτό σημαίνει ότι ο φυτοαισθητήρας αυτοεπισκευάζεται, διαδίδεται και τροφοδοτείται από μόνος του, σε αντίθεση με τους μηχανικούς αισθητήρες. Δεδομένου ότι οι πατάτες αναπτύσσονται από κόνδυλους, δεν χρειάζεται να μεταφυτεύονται κάθε χρόνο.

Ένα προφανές μειονέκτημα του τρέχοντος αισθητήρα είναι ότι τα φυτά της πατάτας πεθαίνουν το χειμώνα, οπότε κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου ο αισθητήρας θα χαθεί. Το γονίδιο του αισθητήρα μας θα μπορούσε ενδεχομένως να τοποθετηθεί σε ένα αειθαλές είδος όπως το πεύκο, αλλά αυτός ο αισθητήρας θα πρέπει να επανεξεταστεί για να κατανοήσει τα ελάχιστα ανίχνευσης και την απόδοσή του με την πάροδο του χρόνου.

Πιθανές εφαρμογές

Όταν χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με πιο ευαίσθητους μηχανικούς αισθητήρες, ο τρέχων αισθητήρας φυτοακτινοβολίας θα μπορούσε να λειτουργήσει ως μηχανισμός ασφαλείας σε περίπτωση καταστροφής που μοιάζει με τη Fukushima Daiichi.

Ενώ υπάρχουν πολλές δυνατότητες για την ενσωμάτωση φυτοαισθητήρων στα σημερινά μας συστήματα παρακολούθησης, η ομάδα μας έχει ακόμα εμπόδια να ξεπεράσει προτού τα φυτά μπορέσουν να αναπτυχθούν στο χωράφι.

Πρώτον, οι πυρηνικές ρυθμιστικές αρχές θα πρέπει να καθορίσουν εάν αυτή η τεχνολογία είναι ασφαλής και χρήσιμη, δεδομένων των προσδοκιών τους για τον εξοπλισμό παρακολούθησης της ακτινοβολίας. Ο αισθητήρας των φυτών θα υποβληθεί στη συνέχεια σε αυστηρή αξιολόγηση από το USDA για να προσδιοριστεί εάν οι φυτοαισθητήρες θα επηρεάσουν αρνητικά τα οικοσυστήματα εάν απελευθερωθούν.

Η υπέρβαση αυτών των εμποδίων θα απαιτήσει περισσότερη έρευνα, η οποία θα μπορούσε να πάρει μήνες δεδομένου του χρόνου ανάπτυξης των φυτών. Παρά τις μελλοντικές εργασίες, οι φυτοαισθητήρες ακτινοβολίας θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην προστασία των ανθρώπων και του περιβάλλοντος στο μέλλον καθώς οι χώρες συνεχίζουν να παράγουν πυρηνική ενέργεια.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation, έναν ανεξάρτητο, μη κερδοσκοπικό οργανισμό ειδήσεων που σας παρέχει αξιόπιστα δεδομένα και αναλύσεις για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον περίπλοκο κόσμο μας. Το έγραψε: Robert Sears, πανεπιστήμιο του Τενεσί και ο Νιλ Στιούαρτ, πανεπιστήμιο του Τενεσί

Διαβάστε περισσότερα:

Ο Νιλ Στιούαρτ λαμβάνει χρηματοδότηση από ομοσπονδιακούς οργανισμούς. Αυτή η εργασία χρηματοδοτήθηκε από την Υπηρεσία Προηγμένων Ερευνητικών Προγραμμάτων Άμυνας. Ο Neal Stewart είναι εφευρέτης της φυτικής βιοτεχνολογίας, αν και καμία από τις τεχνολογίες που περιγράφονται στο άρθρο Conversation δεν είναι κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας.

Ο Robert Sears δεν εργάζεται, δεν συμβουλεύεται, δεν κατέχει μετοχές ή δεν λαμβάνει χρηματοδότηση από οποιαδήποτε εταιρεία ή οργανισμό που θα ωφεληθεί από αυτό το άρθρο και δεν έχει αποκαλύψει σχετικές σχέσεις πέρα ​​από τον ακαδημαϊκό του διορισμό.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *