Jak przewidzieć atak terrorystyczny?

Nowy Jork, Londyn, Madryt, Moskwa, Mińsk - wszystkie te miasta w ciągu ostatnich lat dotknęły terrorystyczne ataki bombowe. Niebezpieczeństwo powtórki takich wydarzeń spowodowało kontrofensywę naukowców, którzy starają się rozwinąć możliwie prostą i skuteczną metodę wczesnego wykrywania obecności materiałów wybuchowych. Specjaliści wciąż pracują nad nowymi technikami, które przyczynią się do zwiększenia bezpieczeństwa na świecie.

W "wyścigu zbrojeń" przestępcy znajdują się zawsze w uprzywilejowanej pozycji. Terroryści i przemytnicy narkotyków mają tragiczne w skutkach cele, a organy ścigania, aby im zapobiec, muszą dążyć do przejrzenia tych zamiarów. I tu na plac boju wkraczają naukowcy ze swymi badaniami.

Niedopuszczenie do tego, by na pokładzie samolotu czy w instytucji rządowej znalazły się materiały wybuchowe, to zadanie niezwykle złożone. Naukowcy, realizując je, muszą zadbać o to, by spełnionych zostało wiele wymagań. Wielkim wyzwaniem dla specjalistów jest skonstruowanie na tyle taniego przyrządu, by mógł się on stać elementem codziennego życia. Urządzenie takie nie może być przy tym trudne w obsłudze. Niewiele lotnisk ma fundusze na opłacanie własnych, wykwalifikowanych fizyków.

Na tym lista wymogów oczywiście się nie kończy - wiele z nich ma charakter ściśle naukowy. Urządzenie musi się dobrze sprawdzać w typowych warunkach atmosferycznych oraz powinno wykrywać nawet śladowe ilości substancji niebezpiecznych, dobrze ukrytych w pojazdach, bagażach, etc. W tej sytuacji nie dziwi, że nad spełnieniem wszystkich tych warunków w ramach badań podstawowych i stosowanych pracuje wiele zespołów naukowych na całym swiecie.

Spektroskopia, która obejmuje kilka metod analitycznej chemii fizycznej, jest jednym z bardzo efektywnych sposobów określenia składu substancji w danej próbce. Dlaczego wspominamy właśnie o spektroskopii? Jak sama nazwa wskazuje, większość metod spektroskopowych zajmuje się badaniem tego, jak określone substancje reagują na obecność fal elektromagnetycznych... Zaletą laboratoryjnych metod spektroskopowych jest to, że naukowcy mogą dzięki nim "świecić" na poszczególne cząsteczki nie tylko za pomocą światła widzialnego, ale też przy użyciu różnych fal o różnej energii i długości fal (np. promieniowanie UV czy fale radiowe).

To skomplikowane zjawisko postaramy się zilustrować przykładem - naturalnym "spektroskopem" jest w zasadzie także nasze oko. Oczy działają tak, że rejestrują interakcje widzialnego światła z obiektami wokół nas. Niektóre materiały odbijają na przykład światło o długości fal 520 do 565 nm. Niezwykle złożona kaskada procesów biochemicznych w naszych światłoczułych narządach i w mózgu prowadzi ostatecznie do tego, że postrzegamy zielone światło. Nasze oko zatem poniekąd spektroskopowo określiło, że w roślinie obecny jest zielony barwnik, chlorofil.

Zanim jednak powstanie urządzenie, które będziemy mogli spotkać na lotniskach, należy ustalić, co miałoby ono znaleźć. Nie jest to wcale takie proste. Aby stworzyć bazę produktów rozkładu materiałów wybuchowych, poza analizą wydajności pary substancji wybuchowej należy też w jakiś sposób zasymulować rzeczywisty wybuch. Nie każde laboratorium jest przygotowane do realizacji tak trudnego zadania...

Jedną z możliwości sprawdzenia zawartości próbki jest praca z laserem. Chodzi tu o metodę, za pomocą której przy użyciu krótkich impulsów promieniowania laserowego "odpala się" substancje i powstaje plazma (tzw. spektroskopia emisyjna wzbudzana laserem - LIBS). A jak wygląda taki test? Badaną substancję nanosi się na płytkę, w którą stopniowo "strzela" laser. Dzięki tym krótkim dostawom energii powstaje plazma o wysokiej temperaturze (zależy ona od intensywności impulsu oraz od składu próbki), która utrzymuje się przez 0,00001 - 0,0001 sekundy (dla porównania: mrugnięcie oka trwa mniej więcej 0,3-0,4 sekundy). Nawet ten krótki okres wystarcza naukowcom do określenia składu substancji.

W tym celu służą spektrometry, które odnajdują światło generowane przez powstałą plazmę w widzialnej i ultrafioletowej części widma (UV/VIS). Także tutaj jednak naukowcy napotykają pewne problemy. W próbce laboratoryjnej "świeci" widmo aluminium, które pochodzi z podkładki, na którą naniesiono próbkę.

Na tym jednak problemy się nie kończą. Rozkład substancji wybuchowej za pomocą impulsów laserowych jest z pewnością niezwykle przydatnym i efektywnym rozwiązaniem. Trudności pojawiają się jednak w momencie, gdy należy precyzyjnie określić, co dokładnie dzięki takiej "strzelaninie" powstało.

Przed metodą opierającą się na wykrywaniu promieniowania emisyjnego z powstałej plazmy wiele substancji jest w stanie "uciec". W związku z tym technologie tę należało uzupełnić o jakieś dodatkowe rozwiązanie. Skonstruowano zatem małe urządzenie wykorzystujące inną metodę spektrometryczną znaną jako SIFT-MS.

To stosunkowo nowe rozwiązanie pozwala na znajdowanie różnych substancji (jest efektywne zwłaszcza wobec substancji organicznych), nawet bardzo małej ilości, za pomocą reakcji jonizacyjnych z trzema jonami "pomocniczymi": H3O+, NO+ i O2+. Powszechnie stosuje się go np. do wykrywania substancji powstających podczas spalania paliw czy do analizy składników ludzkiego oddechu.

Podczas poszukiwania idealnej metody "wywąchiwania" substancji wybuchowych naukowcy dotarli też do rozwiązania, które staje się coraz popularniejsze wśród chemików analitycznych - do tzw. rezonansu kwadrupolowego (NQR). Ma on jedną ważną zaletę - dzięki niemu substancji nie trzeba przetwarzać w gaz ani w plazmę, wystarczy jeśli pozostaną one w stanie stałym. Potrzebna jest mała ilości materiałów, a cała procedura trwa zaledwie kilkadziesiąt sekund. Metoda ta może znaleźć zastosowanie w poszukiwaniach nie tylko substancji wybuchowych, ale też innych nielegalnych środków, na przykład przemycanych narkotyków.

Urządzenie wykorzystuje impuls elektromagnetyczny w obszarze niskich częstotliwości fal radiowych. Bez problemu przechodzi on przez różne osłony. Gdy impuls powraca do detektora (tzw. echo), naukowcy na podstawie położenia sygnału w widmie częstotliwości potrafią zidentyfikować nieznaną substancję. Poszukuje się zwłaszcza takich, które zawierają jądro izotopu azotu 14N wchodzącego w skład wielu materiałów wybuchowych (penetryt, heksogen, TNT) oraz narkotyków.

Prognozuje się, iż atometria w niedalekiej przyszłości będzie alternatywą lub uzupełnieniem dla stosowanych dotychczas metod wykrywania substancji niebezpiecznych.

Podstawę atometrii stanowi oddziaływanie neutronów z materią - wiązka neutronów przechodząc przez substancję powoduje wzbudzanie jąder atomowych do wyższych stanów energetycznych. Metoda, w której stosuje się neutrony, pozwala na określenie kształtu i stechiometrii badanych przedmiotów. Daje to możliwość wykrywania min, a nawet małych ilości materiałów niebezpiecznych ukrytych w pojazdach, bagażach.