Gammaspektroskopie per Helikopter Radioaktivität aus der Luft erkennen – genauer als bisher

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Bei nuklearen Katastrophen ist Schnelligkeit gefragt: Forschende des Paul-Scherrer-Instituts haben ein neues Rechenverfahren entwickelt, mit dem sich radioaktives Material innerhalb weniger Sekunden genauer identifizieren und seine Menge und Position präziser bestimmen lassen. Dies verbessert die bestehende Methode der Detektion im Helikopter deutlich.

Es gibt Ernstfälle, die hoffentlich niemals eintreten, auf die Gesellschaft und Regierung aber dennoch vorbereitet sein wollen. Dazu zählt der mögliche Austritt von Radioaktivität nach einem Reaktorunfall oder ein Terroranschlag mit radioaktivem Material. Damit Behörden in solchen Fällen schnell und effektiv reagieren können, muss zunächst das Ausmaß der Gefahr für Mensch und Umwelt abgeschätzt werden. In solchen Situationen kämen dann unter anderem fliegende Labore zum Einsatz, also Detektoren in Helikoptern, die Position, Art und Menge des radioaktiven Materials bestimmen.

David Breitenmoser hat in seiner Doktorarbeit im Eich- und Kalibrierlabor in der Abteilung Strahlenschutz und Sicherheit am Paul-Scherrer-Institut (PSI) in der Schweiz mathematische Hilfsmittel entwickelt, mit denen die Datenanalyse in einem fliegenden Labor deutlich verbessert wird: Radioaktives Material kann genauer identifiziert werden, und das in Sekundenschnelle. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden nun im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht. Die neue Analysemethode ist nicht nur für Katastrophenfälle relevant, sondern kann zum Beispiel auch bei der Überwachung von Nuklearanlagen angewendet werden.

Der verzerrte Fingerabdruck

„Jedes radioaktive Material hat einen charakteristischen Fingerabdruck durch die Gammastrahlen, die es beim radioaktiven Zerfall aussendet“, sagt Breitenmoser. Dieser Fingerabdruck besteht aus dem Energiespektrum der Gammastrahlen, das mit einem speziellen Detektor gemessen werden kann. Im Prinzip kann man aus der Verteilung der Gammastrahlenergien sowohl auf die Art des Materials als auch auf seine Menge schließen.

Allerdings gibt es eine Schwierigkeit: Die vom Material abgegebenen Gamma-Photonen – das sind hochenergetische Lichtteilchen – werden auf dem Weg zum Detektor sowohl von der Luft gestreut als auch vom Helikopter, in dem sich der Detektor befindet. Dadurch verändert sich das Energiespektrum. Anders gesagt: Der Fingerabdruck wird verzerrt und ist daher nicht mehr direkt wiederzuerkennen.

Um herauszufinden, wie ein bestimmter Radionuklid-Fingerabdruck verzerrt wird und dafür den Detektor entsprechend zu kalibrieren, simulieren Forschenden diese Effekte im Computer. Solche Berechnungen sind allerdings sehr komplex und können mehrere Stunden oder gar Tage in Anspruch nehmen. Für zeitkritische Anwendungen wie bei einem Reaktorunfall kämen sie deshalb nicht infrage.

„Die Simulationen sind auch deshalb sehr langsam, weil sie bislang ziemlich ineffizient waren“, sagt Breitenmoser. Zum Beispiel kommt von etwa zehntausend Gamma-Photonen, die eine radioaktive Quelle am Boden aussendet, nur eines am Helikopter an – und auch das wird noch von den vielen metallischen Oberflächen im Helikopter gestreut.

Wie misst man Radioaktivität aus der Luft? Es braucht einen Hightech-Detektor, einen Helikopter und einem ausgeklügelten Algorithmus. Wie das funktioniert, erklärt David Breitenmoser vom PSI in einem kurzen Youtube Clip. (Quelle: Paul Scherrer Institut PSI/Benjamin A. Senn, Markus Fischer, Monika Bletry und Mahir Dzambegovic)

Schnellere Simulationen durch Aufspaltung

Anstatt die gesamte Reise der Gamma-Photonen vom Boden bis zum fliegenden Detektor zu simulieren, spaltet Breitenmoser mit seiner neuen Methode das Problem in zwei Teile auf. Die Streuung in der Luft wird getrennt berechnet, wobei zum Beispiel die aktuelle Lufttemperatur und die Flughöhe des Helikopters in die Simulationen eingehen. Die weitere Streuung im Helikopter, die unter anderem von dessen Fluglage abhängt, wird durch zuvor berechnete mathematische Funktionen berücksichtigt. Statt mehrerer Stunden dauert eine komplette Simulation so nur noch einige Mikrosekunden.

Das schnelle Rechnen allein reicht allerdings noch nicht, um den verzerrten Fingerabdruck zweifelsfrei zu identifizieren. Da nur sehr wenige Gamma-Photonen am Detektor ankommen, ist die Statistik extrem schlecht – statt klarer Linien sieht man nur breite und verschwommene Gebilde. „Als Goldstandard gilt bislang das Zusammenfassen mehrerer Energiewerte im Spektrum. Dieses Verfahren verbessert zwar die statistische Aussagekraft der Messung, führt jedoch zu einem gröberen Bild und damit zu weniger Detailinformationen“, sagt Malgorzata Kasprzak, Leiterin des Kalibrierlabors am PSI und Mitautorin der neuen Studie. Der neue Ansatz verzichtet auf eine solche Zusammenfassung. Stattdessen wird die so genannte Bayes-Modellierung direkt auf das komplette Spektrum angewendet.

Genaue Bestimmung in wenigen Sekunden

Die Bayes-Methode funktioniert mit Wahrscheinlichkeiten: Um trotz der schlechten Statistik ein Energiespektrum zu identifizieren, simuliert der Computer für Tausende mögliche Ausgangsspektren in verschiedenen Verhältnissen die Streuung der Gamma-Photonen vom Boden bis zum Detektor. Dank der Aufspaltung der Rechnungen geht das sehr schnell. Die Bayes-Modellierung berechnet dann, welches Ausgangsspektrum am wahrscheinlichsten zum verzerrten Spektrum gehört, das vom fliegenden Labor gemessen wurde.

„Damit können wir in Zukunft in wenigen Sekunden mit einer Messung im Helikopter schwache radioaktive Barium- oder Cäsiumproben voneinander unterscheiden, ihre Stärke mit hoher Genauigkeit bestimmen und ihren Standort präzise lokalisieren“, sagt Alberto Stabilini, der für das PSI an der Durchführung von Aeroradiometrie-Messflügen in der Schweiz beteiligt ist.

Im Mai und Juni 2025 fanden beispielsweise im Rahmen der jährlichen Messkampagne Flüge in der Umgebung der Kernkraftwerke Mühleberg und Gösgen statt. Bei einer internationalen Übung mit 140 Beteiligten aus sechs Ländern, sechs Hubschraubern und fünf Drohnen wurden zudem verschiedene Szenarien trainiert, darunter die Suche nach radioaktiven Quellen. Solche Messflüge, mit denen auch Referenzkarten zur natürlichen Radioaktivität erstellt werden, sind neben dem Notfallschutz ein wichtiges Anwendungsgebiet für die entwickelte Analysemethode.

„Es gibt aber auch noch viele andere“, sagt Breitenmoser. Denn durch ihre hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit ist die Methode generell dafür geeignet, schwache radioaktive Bodenquellen zu orten und zu charakterisieren. Dies kann zum Beispiel bei geophysikalischen Untersuchungen des Untergrunds nützlich sein, oder zur Kernmaterialüberwachung durch die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEA).

Originalpublikation: David Breitenmoser, Alberto Stabilini, Malgorzata Magdalena Kasprzak, Sabine Mayer: Quantitative mobile gamma-ray spectrometry through Bayesian inference, Nature Communications, 26.10.2026; DOI: 10.1038/s41467-026-78464-2