Ραδιοχρονολόγηση-αστραπή! Optical approach offers faster, less expensive method for carbon dating

Τα άλογα του σπηλαίου Σοβέ στη Γαλλία, μια από τις παλαιότερες τοιχογραφίες που έχουν ανακαλυφθεί ως σήμερα, ραδιοχρονολογήθηκαν από το κάρβουνο της χρωστικής τους στα 30.000 χρόνια. Researchers have demonstrated a new compact spectroscopic instrument that offers a highly sensitive optical method for detecting radiocarbon dioxide concentration, which can be used to carbon date fossils and archaeological artifacts.

Μια συσκευή που μπορεί να κάνει επί τόπου και σε χρόνο... dt ραδιοχρονολόγηση σε απολιθώματα και άλλα αρχαιολογικά ευρήματα παρουσιάστηκε από ομάδα ιταλών επιστημόνων και αναμένεται να φέρει επανάσταση στην αρχαιολογική έρευνα. Η ραδιοχρονολόγηση με άνθρακα-14 αποτελεί την κατ' εξοχήν μέθοδο που διαθέτουν οι αρχαιολόγοι για να προσδιορίσουν την ηλικία υλικών βιολογικής προέλευσης, αλλά ως διαδικασία είναι χρονοβόρα και ακριβή. Η επαναστατική συσκευή, η οποία εισάγει μια νέα, οπτική τεχνική, υπόσχεται να μειώσει δραματικά τον χρόνο και το κόστος της συγκεκριμένης μεθόδου, ενώ παράλληλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για άλλες, πιο «σύγχρονες» εφαρμογές, όπως η μέτρηση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα από τα ορυκτά καύσιμα ή ο προσδιορισμός της ποσότητας των βιογενών παραγόντων στα βιοκαύσιμα. Προς το παρόν το πρωτότυπο δείγμα της έχει διαχειρίσιμο μέγεθος που χωράει σε έναν πάγκο εργαστηρίου. Οι δημιουργοί της ωστόσο φιλοδοξούν να αναπτύξουν σύντομα μία ακόμη πιο ευέλικτη φορητή εκδοχή.

Το ρολόι των ζωντανών οργανισμών

Η πιο πάνω περιγραφή προέρχεται από το βιβλίο της Φυσικής Γενικής Παιδείας Γ′ τάξης του Γενικού Λυκείου.

Η χρονολόγηση με άνθρακα-14 ή ραδιοάνθρακα, όπως λέγεται επίσης, χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ηλικίας αρχαιολογικών ευρημάτων από υλικά που ήταν κάποτε ζωντανοί οργανισμοί, όπως π.χ. τα οστά, το δέρμα, οι τρίχες ή τα κέρατα ζώων, το ξύλο, τα φύλλα, οι καρποί και τα υπολείμματα φυτών, τα όστρεα, τα κοράλλια, ο πάπυρος, τα υφάσματα από φυσικές ίνες κ.τ.λ. Η μέθοδος μπορεί να φθάσει πίσω στο παρελθόν περίπου 50.000 χρόνια, ενώ η ακρίβειά της είναι συνήθως 50-100 έτη (ή ενδεχομένως 30-40 αν υπάρχουν οι συνθήκες για να εφαρμοστούν νεότερες μέθοδοι ανάλυσης που βασίζονται στην μπεϊζιανή ανάλυση).

Η διαδικασία που ακολουθείται αυτή τη στιγμή απαιτεί τη λήψη δείγματος από το αντικείμενο που πρέπει να χρονολογηθεί και την αποστολή του σε κάποιο εργαστήριο που διαθέτει τον ειδικό επιταχυντή φασματομετρίας μάζας (AMS). Η προετοιμασία και η ανάλυση του δείγματος στο εργαστήριο απαιτεί το λιγότερο έναν μήνα. Ωστόσο το διάστημα που θα μεσολαβήσει μέχρι να βγουν τα αποτελέσματα μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερο αν προστεθεί σε αυτό η αναμονή λόγω τήρησης σειράς προτεραιότητας, καθώς τα εργαστήρια που διαθέτουν τον απαραίτητο εξοπλισμό είναι μόλις γύρω στα 100 σε όλον τον κόσμο. Για παράδειγμα, στην Ελλάδα, στο Εργαστήριο Ανθρακα-14 του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, τα αποτελέσματα βγαίνουν συνήθως σε διάστημα περίπου τριών μηνών από την παραλαβή του δείγματος.

Αποτελέσματα σε δύο ώρες!

Η νέα τεχνική μετράει τις συγκεντρώσεις του άνθρακα-14 μέσα σε μια οπτική κοιλότητα με τη βοήθεια μιας ακτίνας λέιζερ. A new spectroscopic technique offers ultra-sensitive optical detection of radiocarbon dioxide. The approach shows promise as a measurement tool in many fields, including carbon dating and greenhouse gas detection. Credit: Saverio Bartalini, CNR

Η μέθοδος που χρησιμοποιείται σήμερα για την ανάλυση των ισοτόπων του άνθρακα-14 είναι, όπως προαναφέραμε, η φασματομετρία μάζας. Ωστόσο οι ερευνητές από το Εθνικό Ινστιτούτο Οπτικής του Εθνικού Συμβουλίου Ερευνών της Ιταλίας, με επικεφαλής τον Πάολο Ντε Νατάλε, βάζουν στο παιχνίδι την οπτική φασματοσκοπία υιοθετώντας μια εντελώς νέα προσέγγιση. Την περιγράφουν στο τελευταίο τεύχος της επιθεώρησης «Optica» και την ονομάζουν SCAR (Saturated-absorption cavity ring-down, φασματοσκοπία κοιλότητας απόσβεσης κεκορεσμένης απορρόφησης).

Όπως αναφέρουν στη σχετική δημοσίευση, στις ως τώρα δοκιμές η συσκευή μπορεί να ανιχνεύει τις συγκεντρώσεις διοξειδίου ραδιοάνθρακα με ακρίβεια 0,4% όταν η ακρίβεια των καλύτερων επιταχυντών φασματομετρίας μάζας που διαθέτουμε είναι 0,2%. Τα αποτελέσματα βγαίνουν σε δύο ώρες, ενώ το κόστος για κάθε ανάλυση είναι περίπου το μισό από εκείνο που απαιτεί η ανάλυση στον επιταχυντή. Οι ερευνητές τονίζουν επίσης ότι η πρωτότυπη συσκευή SCAR είναι 100 φορές μικρότερη και 10 φορές φθηνότερη από τον εξοπλισμό που απαιτείται για τη φασματομετρία μάζας στον επιταχυντή και εκτιμούν ότι σύντομα θα επιτύχουν να μειώσουν περισσότερο τόσο το κόστος όσο και το μέγεθος ώστε να παρουσιάσουν μια εύχρηστη φορητή εκδοχή έτοιμη να κυκλοφορήσει στο εμπόριο.

Πώς λειτουργεί

Σχηματικά η πειραματική διάταξη SCAR (Saturated-absorption CAvity Ring-down) που ανιχνεύει μέσα σε δυο ώρες τη συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα-14. Η μέθοδος αυτή είναι φθηνότερη και κυρίως φορητή.

Η συσκευή SCAR ανιχνεύει με τη βοήθεια μιας ακτίνας λέιζερ τα επίπεδα του άνθρακα-14 που υπάρχουν στο διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται όταν καίγεται ένα οργανικό υλικό. Το διοξείδιο του άνθρακα που προκύπτει από την καύση ενός δεδομένου δείγματος εισάγεται στον θάλαμο κενού της συσκευής. Εκεί ένα κβαντικό λέιζερ καταρράκτη εκπέμπει μια ακτίνα σε μήκος κύματος 4 μικρομέτρων, το οποίο θεωρείται ιδανικό για την ανίχνευση αερίων. Η ακτίνα αλληλεπιδρά με το διοξείδιο του άνθρακα μέσα σε μια οπτική κοιλότητα μήκους 1 μέτρου η οποία έχει σε κάθε άκρο της κάτοπτρα υψηλής ανακλαστικότητας. Το φως ανακλάται διαδοχικά από το ένα άκρο στο άλλο διατρέχωντας την κοιλότητα και σε κάθε «πέρασμα» τα μόρια του ραδιοάνθρακα απορροφούν ένα μέρος του. Η συγκέντρωση του ραδιοάνθρακα υπολογίζεται με βάση τον χρόνο που απαιτείται για τη μετάπτωση του φωτός. Η υψηλή ακρίβεια επιτυγχάνεται χάρη στα ισχυρά κάτοπτρα τα οποία κάνουν την ακτίνα του φωτός να διανύει ουσιαστικά απόσταση μεγαλύτερη των 5 χιλιομέτρων περνώντας χιλιάδες φορές πέρα-δώθε. Έτσι η αλληλεπίδραση του φωτός με το δείγμα πολλαπλασιάζεται και η απορρόφηση που επιτυγχάνεται επιτρέπει να ανιχνευθούν ακόμη και απειροελάχιστα ίχνη ραδιοάνθρακα.

«Αναπτύξαμε μια πολύ γενική φασματοσκοπική τεχνική και δείξαμε ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση διοξειδίου του ραδιοάνθρακα» δήλωσε σε δελτίο Τύπου ο Τζοβάνι Τζουσφρέντι, μέλος της ερευνητικής ομάδας, υπογραμμίζοντας ότι η συσκευή SCAR μπορεί να βρει στο μέλλον πολλές ακόμη εφαρμογές. «Θεωρητικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύσει πολλά άλλα μόρια, όπως το μεθάνιο, τα οξείδια του αζώτου και άλλα αέρια του θερμοκηπίου, καθώς και χημικά που ενδιαφέρουν την εθνική ασφάλεια και την εγκληματολογία».

Το χρονόμετρο του άνθρακα-14

Τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας της Γης περιέχουν το ισότοπο του άνθρακα-14, το οποίο δημιουργείται εκεί από τη δράση της κοσμικής ακτινοβολίας. Με τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης το ισότοπο απορροφάται από τα φυτά και από αυτά εισάγεται σε όλη τη διατροφική αλυσίδα περνώντας στα ζώα και στον άνθρωπο. Επειδή είναι ραδιενεργός, ο άνθρακας-14 διασπάται με τον χρόνο (έχει χρόνο ημιζωής περίπου 5.700 έτη). Όσο ένας οργανισμός είναι ζωντανός τα άτομα που διασπώνται αντικαθίστανται από νέα, τα οποία συνεχίζει να προσλαμβάνει μέσω της τροφής, με αποτέλεσμα η συγκέντρωση του άνθρακα-14 στους ιστούς του να διατηρείται σταθερή. Με τον θάνατό του όμως τα ισότοπα παύουν να αντικαθίστανται από νέα και έτσι η συγκέντρωση του άνθρακα-14 αρχίζει να μειώνεται σταδιακά και σταθερά με το πέρασμα του χρόνου. Για να χρονολογήσουν ένα αρχαιολογικό εύρημα οργανικής προέλευσης (να εξαγάγουν, δηλαδή, τον χρόνο που έχει περάσει από τη στιγμή του θανάτου του οργανισμού από τον οποίο προέρχεται) οι επιστήμονες μετρούν τη συγκέντρωση του άνθρακα-14 σε ένα δείγμα από αυτό και τη συγκρίνουν με ένα διεθνές πρότυπο. Το αποτέλεσμα που παίρνουν τοποθετείται στο ανθρώπινο ημερολόγιο με τη βοήθεια της λεγόμενης «καμπύλης βαθμονόμησης», η οποία «μετράει» τις συγκεντρώσεις του άνθρακα-14 στην ατμόσφαιρα τις περασμένες χρονικές περιόδους. Σχετικά πρόσφατα (το 2009) χάρη στη συμπλήρωση της καμπύλης βαθμονόμησης η ραδιοχρονολόγηση κατόρθωσε να «μετρήσει» ως τα 50.000 χρόνια πριν από το σήμερα.

Πηγή: Iacopo Galli, Saverio Bartalini, Riccardo Ballerini, Marco Barucci, Pablo Cancio, Marco De Pas, Giovanni Giusfredi, Davide Mazzotti, Naota Akikusa, Paolo De Natale. Spectroscopic detection of radiocarbon dioxide at parts-per-quadrillion sensitivity. Optica, 2016; 3 (4): 385 DOI: 10.1364/optica.3.000385