Ενώ η επέκταση της παραγωγής πυρηνικής ενέργειας θα παρείχε ηλεκτρική 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 έχει ορισμένους κινδύνους. Η ραδιενεργή ρύπανση βλάπτει το περιβάλλον και είναι δύσκολο να εντοπιστεί χωρίς ειδικό εξοπλισμό. Τι θα γινόταν όμως αν τα φυτά που αναπτύσσονται γύρω από τις εγκαταστάσεις μπορούσαν να ανιχνεύσουν την έκθεση στην ακτινοβολία;
Οι μηχανικοί ανιχνευτές ακτινοβολίας που χρησιμοποιούνται αυτή τη στιγμή, που ονομάζονται δοσίμετρα, δεν είναι απολύτως αξιόπιστοι – σε προηγούμενα πυρηνικά ατυχήματα όπως το Τσερνομπίλ, απέτυχαν ή θάφτηκαν κάτω από ερείπια.
Η ομάδα επιστημόνων φυτών μας στο Πανεπιστήμιο του Τενεσί ήθελε να βρει εναλλακτικές σε αυτούς τους μηχανικούς αισθητήρες ακτινοβολίας για να αντιμετωπίσει τα ιστορικά τους ελαττώματα. Αποφασίσαμε λοιπόν να κατασκευάσουμε έναν φυτικό αισθητήρα για την ακτινοβολία γάμμα. Ο αισθητήρας, που ονομάζεται φυτοαισθητήρας, είναι ένα φυτό πατάτας που λάμπει φθορίζον πράσινο όταν εκτίθεται σε ακτινοβολία.
Ιστορικά προβλήματα αισθητήρα
Η τρέχουσα παραγωγή πυρηνικής ενέργειας θεωρείται ασφαλής από την Παγκόσμια Πυρηνική Ένωση. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν ελλείψεις ασφάλειας, είτε λόγω ανθρώπινου λάθους είτε λόγω φυσικών καταστροφών, όπως οι σεισμοί που απενεργοποιούν τους μηχανικούς αισθητήρες – και εδώ θα μπορούσαν να παίξουν οι αισθητήρες των εργοστασίων μας.
Οι μηχανικές συσκευές ανίχνευσης ακτινοβολίας απαιτούν ισχύ και τακτική συντήρηση, καθιστώντας τις λιγότερο αξιόπιστες σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης. Ένας αισθητήρας φυτικής προέλευσης δεν θα απαιτούσε κανένα από τα δύο.
Τέτοιες καταστροφές που απενεργοποιούν τους μηχανικούς αισθητήρες θα μπορούσαν να βλάψουν τους αισθητήρες πατάτας, αλλά πιθανότατα δεν θα σκότωναν ένα ολόκληρο φυτεμένο χωράφι πατάτας. Όσο ορισμένα φυτικά κύτταρα είναι ακόμα ζωντανά, το φυτό θα μπορούσε να λειτουργήσει ως αισθητήρας ακτινοβολίας.
Αν και τα φυτά πατάτας είναι εύρωστα, ορισμένες καταστροφές, όπως μια δασική πυρκαγιά, θα βλάψουν τους αισθητήρες των φυτών περισσότερο από τους μηχανικούς αισθητήρες. Αν και οι αισθητήρες μας θα μπορούσαν να συμπληρώσουν τους μηχανικούς αισθητήρες, δεν θα αντικαθιστούσαν πλήρως τη χρήση τους.
Τα φυτά ως αισθητήρες
Σε αντίθεση με τα θηλαστικά, τα φυτά μπορούν να αντέξουν πολλή ακτινοβολία πριν πεθάνουν. Τα φυτά της πατάτας, για παράδειγμα, μπορούν να επιβιώσουν δεκαπλάσια της ποσότητας ακτινοβολίας που θα σκότωνε έναν άνθρωπο.
Επιλέξαμε την πατάτα ως τον αισθητήρα μας οργανισμό, επειδή τα φυτά της πατάτας μπορούν να ανεχθούν υψηλά επίπεδα ακτινοβολίας, είναι εύκολο να αναπτυχθούν από κόνδυλους 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, τίθενται σε εγρήγορση και ενεργοποιούν πολλά γονίδια επιδιόρθωσης του DNA για να διορθώσουν το πρόβλημα.
Οι συνάδελφοί μου και εγώ εκμεταλλευτήκαμε το μονοπάτι απόκρισης της βλάβης στο DNA στα φυτά πατάτας, έτσι ώστε τα φύλλα της πατάτας να παράγουν μια πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη όταν εκτίθενται σε ακτινοβολία. Αυτή η φθορίζουσα πρωτεΐνη αναγκάζει τα φυτά του αισθητήρα να εκπέμπουν μια μοναδική πράσινη φθορίζουσα λάμψη όταν εκτίθενται σε ακτινοβολία γάμμα.
Ενώ το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να ανιχνεύσει 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. Έτσι, οι αισθητήρες μπορούν να σας πουν, «Ναι, υπάρχει ακτινοβολία», και επίσης περίπου πόση ακτινοβολία υπάρχει.
Στις δοκιμές μας, τα φυτά ανέφεραν ακτινοβολία οκτώ ώρες μετά την έκθεση, αλλά αυτό ήταν επίσης το νωρίτερο που μπορούσε να ελέγξει η ομάδα μας.
Με βάση τις δοκιμές μας, ο τρέχων φυτοαισθητήρας ακτινοβολίας μπορεί να αναφέρει μια ελάχιστη συνολική δόση ακτινοβολίας 10 Gray – μια πολύ θανατηφόρα δόση για έναν άνθρωπο. Οι αισθητήρες ανέφεραν ακτινοβολία οκτώ ώρες μετά την έκθεση και συνέχισαν για δέκα ή περισσότερες ημέρες, ανάλογα με τη δόση.
Οι μηχανικοί αισθητήρες μπορούν να ανιχνεύσουν πολύ χαμηλότερα επίπεδα ακτινοβολίας σε πραγματικό χρόνο, παρά ως αθροιστική δόση, όπως συμβαίνει με τους 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 περιοχών γης που περιβάλλουν μια μονάδα 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 σε μια μεγάλη περιοχή καταστροφής. Το Τσερνόμπιλ μόλυνε 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 μόλυνσης και υπήρχαν ορισμένα hotspot.
Σε σύγκριση με τους μηχανικούς αισθητήρες, οι φυτοαισθητήρες είναι πιο αργοί και λιγότερο ευαίσθητοι, επομένως δεν θα έσωζαν κανέναν που εργάζεται 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 με εργαστηριακό λέιζερ και κάμερα, που είναι συσκευές χαμηλής ισχύος και χαμηλής ανάλυσης. Πραγματικά drones με ειδικά συστήματα ανίχνευσης πιθανότατα θα είναι σε θέση να ανιχνεύουν χαμηλότερα κατώφλια ακτινοβολίας.
Ο φυτοαισθητήρας ακτινοβολίας με βάση την πατάτα όχι μόνο λειτουργεί παρόμοια με τους μηχανικούς αισθητήρες ακτινοβολίας, αλλά είναι επίσης ένας ζωντανός και αναπτυσσόμενος οργανισμός που αντλεί την ενέργειά του από το ηλιακό φως. Αυτό σημαίνει ότι, σε αντίθεση με τους μηχανικούς αισθητήρες, ο φυτοαισθητήρας είναι αυτοεπισκευαζόμενος, αυτοδιαδιδόμενος και αυτοπροωθούμενος. Επειδή οι πατάτες αναπτύσσονται από κόνδυλους, δεν χρειάζεται να ξαναφυτεύονται κάθε χρόνο.
Ένα προφανές μειονέκτημα του τρέχοντος αισθητήρα είναι ότι τα φυτά της πατάτας πεθαίνουν το χειμώνα, οπότε θα χάνατε τον αισθητήρα αυτή την εποχή του χρόνου. Το γονίδιο του αισθητήρα μας θα μπορούσε ενδεχομένως να ενσωματωθεί σε ένα αειθαλές είδος όπως το πεύκο, αλλά αυτός ο αισθητήρας θα πρέπει να επανεξεταστεί για να κατανοήσει τα ελάχιστα ανίχνευση και την απόδοσή του με την πάροδο του χρόνου.
Πιθανές εφαρμογές
Σε συνδυασμό με πιο ευαίσθητους μηχανικούς αισθητήρες, ο τρέχων φυτοαισθητήρας ακτινοβολίας θα μπορούσε να λειτουργήσει ως ασφαλής σε περίπτωση καταστροφής όπως η Fukushima Daiichi.
Αν και υπάρχουν πολλοί τρόποι για την ενσωμάτωση των φυτοαισθητήρων στα τρέχοντα 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 προσδιορίσουν εάν αυτή η τεχνολογία είναι ασφαλής και χρήσιμη, δεδομένων των προσδοκιών τους για τα όργανα παρακολούθησης ακτινοβολίας. Ο αισθητήρας των φυτών θα υποβληθεί στη συνέχεια σε μια αυστηρή αξιολόγηση από το USDA για να προσδιοριστεί εάν οι φυτοαισθητήρες θα επηρεάσουν αρνητικά τα οικοσυστήματα εάν απελευθερωθούν.
Η υπέρβαση αυτών των εμποδίων απαιτεί περαιτέρω έρευνα, η οποία θα μπορούσε να διαρκέσει 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 αναδημοσιεύτηκε από το The Conversation, έναν μη κερδοσκοπικό, ανεξάρτητο ειδησεογραφικό οργανισμό που σας φέρνει γεγονότα και αξιόπιστες αναλύσεις για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον περίπλοκο κόσμο μας. Το έγραψε ο: 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 τον Οργανισμό 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 συμβουλεύει, 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 την ακαδημαϊκή απασχόλησή του.