Radioaktivität aus der Luft erkennen – Hubschrauber ortet Strahlungsquellen mit nur sechs Sekunden Messdaten auf zwei Meter

Nach einem Reaktorunfall zählt jede Minute. Einsatzkräfte müssen schnell herausfinden, wo radioaktive Stoffe freigesetzt wurden und wie stark die Strahlung ist. Schweizer Wissenschaftlern ist nun ein entscheidender Fortschritt gelungen: Mit nur sechs Sekunden Messdaten aus einem Hubschrauber konnten sie radioaktive Quellen identifizieren und ihren Standort mit weniger als zwei Metern Abweichung bestimmen. Selbst zwei unterschiedliche radioaktive Stoffe ließen sich zuverlässig voneinander unterscheiden.

Das neue Verfahren stammt vom Paul Scherrer Institut (PSI) und kombiniert aufwendige Strahlungssimulationen mit einem statistischen Rechenmodell. Wie die Wissenschaftler im Fachjournal Nature Communications berichten, bestimmten sie auch die Stärke der radioaktiven Quellen mit weniger als vier Prozent Abweichung von unabhängigen Labormessungen. Künftig könnte die Technik helfen, radioaktive Gefahren nach Nuklearunfällen schneller einzuschätzen und Strahlungsquellen gezielter aufzuspüren.

Radioaktivität aus der Luft erkennen – Hubschrauber ortet Quellen auf wenige Meter

Für die Versuche nutzten die Wissenschaftler einen Super-Puma-Hubschrauber mit vier Strahlungsdetektoren. Die Messflüge fanden am 16. Juni 2022 auf einem militärischen Übungsgelände bei Thun statt. In rund 30 Metern Höhe flog der Hubschrauber mit 36 Kilometern pro Stunde über die Testfläche. Seine Detektoren zeichneten jede Sekunde die eintreffende Gammastrahlung auf.

Am Boden hatten die Wissenschaftler versiegelte Strahlungsquellen mit Cäsium-137 und Barium-133 platziert. Beide Stoffe senden Gammastrahlen mit charakteristischen Energien aus. Die Wissenschaftler untersuchten drei Versuchsanordnungen:

Cäsium-137: Der Hubschrauber überflog eine einzelne Quelle.
Barium-133: Eine zweite Messung erfasste ausschließlich diesen Stoff.
Beide Stoffe gemeinsam: Die Quellen lagen weniger als 20 Zentimeter voneinander entfernt.

In allen drei Fällen identifizierte das Rechenverfahren die richtige Zusammensetzung mit einer statistischen Sicherheit von mehr als fünf Standardabweichungen.

Luft und Metall verändern den Fingerabdruck radioaktiver Stoffe

Gammastrahlen durchqueren auf ihrem Weg zum Detektor zunächst die Atmosphäre und anschließend Teile des Hubschraubers. Dabei werden sie gestreut oder abgeschwächt. Ihr ursprüngliches Energiespektrum verändert sich, wodurch die Zuordnung zu einem radioaktiven Stoff schwieriger wird.

„Jedes radioaktive Material hat einen charakteristischen Fingerabdruck durch die Gammastrahlen, die es beim radioaktiven Zerfall aussendet“, erklärt PSI-Wissenschaftler David Breitenmoser. Hinzu kommt die geringe Zahl messbarer Strahlungsteilchen: Von etwa 10.000 Gamma-Photonen, die eine Quelle am Boden aussendet, erreicht laut PSI durchschnittlich nur eines den Hubschrauber.

Neues Rechenverfahren reduziert den Aufwand um das Zehnmillionenfache

Breitenmoser und seine Kollegen zerlegten die Berechnung der Strahlung in mehrere Schritte. Aufwendige Computersimulationen erfassen zunächst, wie Luft und Hubschrauberkonstruktion die Gammastrahlen verändern. Die Ergebnisse werden gespeichert und für spätere Auswertungen wiederverwendet. Auch Flughöhe, Fluglage und Wetterbedingungen fließen in die Berechnungen ein.

Dadurch sinkt der Rechenaufwand für einzelne Modellvorhersagen auf etwa ein Zehnmillionstel. Anschließend vergleicht ein statistisches Verfahren, die sogenannte Bayessche Modellierung, unterschiedliche mögliche Strahlungsquellen mit den aufgezeichneten Messwerten. So lässt sich ermitteln, welche radioaktiven Stoffe vorhanden sind und wie stark ihre Strahlungsaktivität ist.

Selbst schwache Strahlung bleibt neben stärkeren Quellen erkennbar

Besonders schwierig war der gemeinsame Nachweis beider radioaktiver Stoffe. Das stärkere Signal überlagerte einen großen Teil der schwächeren Strahlung. Herkömmliche Verfahren können solche Signale nur schwer auseinanderhalten. Die neue Methode identifizierte dagegen beide Quellen zuverlässig.

Auch bei der Bestimmung ihrer Aktivität erzielten die Wissenschaftler hohe Übereinstimmungen mit unabhängigen Labormessungen. Bei einzeln untersuchten Quellen betrug die Abweichung weniger als zwei Prozent, bei beiden Stoffen gemeinsam weniger als vier Prozent. Gegenüber früheren vergleichbaren Verfahren entspricht dies bei der Aktivitätsbestimmung einer Verbesserung um etwa den Faktor zehn.

Die sechs Sekunden beziehen sich auf die Dauer der erfassten Messdaten. Die anschließende statistische Auswertung benötigt zusätzliche Rechenzeit.

Hubschrauber können nach Reaktorunfällen belastete Gebiete untersuchen

Nach einem Reaktorunfall könnten solche Messungen helfen, radioaktive Stoffe aufzuspüren und ihre Aktivität abzuschätzen. Hubschrauber können dafür größere Gebiete untersuchen, ohne Messpersonal unmittelbar in möglicherweise kontaminierte Bereiche schicken zu müssen. Die Ergebnisse helfen dann Behörden bei der Planung von Schutzmaßnahmen.

Das Schweizer Messsystem kommt bereits bei regelmäßigen Kontrollflügen und Übungen zum Einsatz. Im Jahr 2025 beteiligten sich 140 Einsatzkräfte aus sechs Ländern an einer internationalen Übung mit sechs Hubschraubern und fünf Drohnen. Sie trainierten unter anderem die Suche nach radioaktiven Quellen. Regelmäßige Messflüge liefern außerdem Daten zur natürlichen Hintergrundstrahlung.

Auch Nuklearanlagen und geologische Untersuchungen könnten profitieren

Die neue Analysemethode wurde bislang mit einzelnen radioaktiven Quellen unter kontrollierten Bedingungen erprobt. Großflächig verteilte Kontaminationen, wie sie nach einem schweren Reaktorunfall auftreten können, erfordern zusätzliche Berechnungen. Dazu müsste das Verfahren die räumliche Verteilung radioaktiver Stoffe über größere Flächen erfassen.

Weitere Einsatzmöglichkeiten bestehen bei der Überwachung von Nuklearmaterial und bei geophysikalischen Untersuchungen des Untergrunds. Auch Messgeräte auf Drohnen oder Fahrzeugen könnten entsprechende Berechnungen nutzen. Dafür benötigen sie angepasste Computermodelle ihrer Umgebung und Detektoren. Selbst bei der Erforschung anderer Himmelskörper könnte das Verfahren helfen, radioaktive Elemente anhand ihrer Gammastrahlung zu bestimmen.

Kurz zusammengefasst:

Schnelle Ortung: Schweizer Wissenschaftler konnten radioaktive Quellen anhand von nur sechs Sekunden Messdaten aus einem Hubschrauber identifizieren und auf weniger als zwei Meter präzise orten.
Hohe Messgenauigkeit: Ein neues Rechenverfahren unterschied selbst überlagerte Strahlungssignale und bestimmte die Aktivität der radioaktiven Stoffe mit weniger als vier Prozent Abweichung von Laborwerten.
Einsatz bei Atomunfällen: Die Technik könnte künftig helfen, radioaktive Stoffe nach Reaktorunfällen schneller aufzuspüren, ihre Aktivität einzuschätzen und Schutzmaßnahmen gezielter zu planen.

Übrigens: Radioaktive Strahlung lässt sich nicht nur aufspüren, sondern auch zur Stromerzeugung nutzen. US-Forscher entwickeln eine nukleare Energiequelle, die Drohnen und Satelliten bis zu 30 Jahre mit Strom versorgen soll – mehr dazu in unserem Artikel.