Neptunium-Spikes zur Umweltforschung

Wir sind ständig von radioaktiven Elementen umgeben. Doch im Allgemeinen in so geringen Mengen, dass kein Grund zur Sorge besteht. Ihre genaue Messung kann Forschenden sogar helfen, die Wege von Wasser in der Umwelt zu verstehen. Karin Hain und ihr Team an der Universität Wien entwickeln in einem vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Forschungsprojekt zusammen mit Kolleg:innen in Japan neue Methoden, um diesen radioaktiven Hinweisen – insbesondere dem Element Neptunium – in der Umwelt auf die Spur zu kommen.

Neben natürlichen Vorkommen gibt es auch menschengemachte Quellen radioaktiver Elemente. Die bekanntesten dürften die Nuklearkatastrophen von Tschernobyl und Fukushima sein. Doch global betrachtet, dominieren weiterhin die Kernwaffentests in den Fünfzigern und Sechzigern sowie Wiederaufbereitungsanlagen für nukleare Brennstäbe die Verbreitung von künstlichen radioaktiven Elementen auf der Erde.

„Wir können diese radioaktiven Spurenelemente als sogenannte Umwelttracer nutzen und ihren Verlauf in Meeres- oder Grundwasserströmungen nachvollziehen“, erklärt Hain. „Wenn wir die genaue Menge und Zusammensetzung des radioaktiven Materials in einer Wasserprobe kennen, können wir bestimmen, wo es herkommt, und es hilft uns, seinen Pfad in Wasserströmungen zu verstehen.“ Wenn die Forschenden also wissen, woher die radioaktiven Umwelttracer kommen, können sie damit auch nachvollziehen, welchen Weg das Wasser im Meer oder Untergrund nimmt – ein wichtiger Aspekt in der Umweltforschung.

Doch das ist einfacher gesagt als getan, denn die Mengen dieser Umwelttracer bewegen sich im Bereich von weniger als einem Billiardstel des Probenmaterials. Dazu sind aufwendige Messapparate wie der Vienna Environmental Research Accelerator (VERA) nötig, um auch die kleinsten Spuren nachzuweisen.

Kandidat Neptunium

Hain und ihr Team interessieren sich in ihrem Forschungsprojekt insbesondere für das radioaktive Element Neptunium. „Mit geschätzten 1,5 weltweit verteilten Tonnen ist Neptunium 237 eines der häufigsten Elemente in der Umwelt, die schwerer als Uran und damit künstlich produziert worden sind“, sagt Hain. „Es hat mit über zwei Millionen Jahren eine sehr lange Halbwertszeit und ist in Verbindungen nach heutigem Kenntnisstand zudem wasserlöslich. Das macht es zu einem hochinteressanten Umwelttracer.“ Doch um dieses bereits in der Umwelt vorhandene Neptunium als Tracer überhaupt verwenden zu können, fehlte bisher ein wichtiger Teil der Analysemethode.

Die Messapparate der Wissenschaftler:innen können grundsätzlich nur nachweisen, dass Neptunium in einer Probe vorhanden ist, aber nicht, wie viel genau. Die Forschenden müssen jedoch die exakte Menge an Neptunium kennen, um es als Umwelttracer nutzen zu können. Sie brauchen dazu einen Spike für Neptunium 237. Ein Spike ist eine genau bekannte Menge eines Isotops von Neptunium, die dem Probematerial bei der Analyse beigemengt wird. Isotope sind verschiedene Varianten eines Elements mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen, aber der gleichen Anzahl von Protonen im Atomkern.