Những điều quan trọng cần biết:
- Điện tử và bức xạ: Khám phá những lỗ hổng cố hữu của các thiết bị điện tử trong môi trường phóng xạ và những thách thức riêng mà chúng gặp phải.
- Cảm biến bức xạ khoai tây cải tiến: Khám phá cách các nhà nghiên cứu đã phát triển cây khoai tây có thể phát hiện bức xạ, đưa ra cách tiếp cận mới để theo dõi ô nhiễm phóng xạ.
- Hiểu về đo liều: Hiểu biết sâu sắc hơn về khoa học đo liều bức xạ và vai trò quan trọng của nó trong việc đánh giá an toàn môi trường và điện tử.
- Hợp tác hữu cơ và điện tử: Tìm hiểu về tiềm năng phối hợp giữa các hệ thống hữu cơ và công nghệ điện tử để tạo ra môi trường an toàn hơn trước các mối đe dọa phóng xạ.
Điện tử chắc chắn đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống hiện đại, củng cố hầu hết các nhu cầu của xã hội, nhưng cũng quan trọng như vậy nhưng có những lúc điện tử không thể đáp ứng được. Nhận thức được những thách thức mà các thảm họa phóng xạ quy mô lớn phải đối mặt, các nhà nghiên cứu gần đây đã phát triển một cảm biến khoai tây có thể chỉ ra các khu vực bị ô nhiễm phóng xạ mạnh. Các thiết bị điện tử phải đối mặt với những thách thức nào trong khu vực phóng xạ, các nhà nghiên cứu đã phát triển những gì và làm thế nào các chất hữu cơ và thiết bị điện tử có thể phối hợp với nhau?
Thiết bị điện tử phải đối mặt với những thách thức gì trong môi trường phóng xạ?
Để nói rằng Điện tử rất quan trọng với cuộc sống hiện đại là một cách nói nhẹ nhàng. Không có họ, cuộc sống hiện đại đơn giản là không thể tồn tại. Mọi thứ chúng tôi làm, từ gọi đồ ăn mang đi đến sắp xếp các giao dịch trị giá hàng tỷ đô la, đều dựa vào thiết bị điện tử, đó là lý do tại sao khi chúng thất bại, đó có thể là một thảm họa.
Nhưng việc tích hợp thiết bị điện tử vào các hoạt động như vậy có thể là một nhiệm vụ đầy thách thức tùy thuộc vào nhu cầu của ứng dụng và loại môi trường liên quan. Ví dụ, máy tính để bàn hầu như không gặp phải vấn đề gì nhờ nhiệt độ, độ ẩm ổn định và không có ứng suất cơ học thường thấy trong các ngôi nhà thông thường, nhưng việc tích hợp cùng loại máy đó vào ô tô có thể phải chịu sự thay đổi nhiệt độ lớn, không khí ẩm ướt và độ rung liên tục và sốc từ động cơ và mặt đường.
Bất chấp điều đó, các kỹ sư luôn tìm cách đảm bảo tuổi thọ của thiết bị điện tử ngay cả trong những môi trường khắc nghiệt nhất. Tuy nhiên, có một số môi trường đơn giản là quá thù địch đối với ngay cả những thiết kế điện tử mạnh nhất.
Tìm hiểu về phép đo bức xạ: Giới thiệu về phép đo liều
Để nắm bắt đầy đủ các thách thức mà thiết bị điện tử phải đối mặt trong môi trường phóng xạ, điều quan trọng là phải hiểu cách đo bức xạ và các nguyên tắc đằng sau phép đo liều. Trong video giàu thông tin này, Brad Gersey từ Trung tâm Kỹ thuật Bức xạ và Khoa học Khám phá Không gian (CRESSE) tại Đại học Prairie View A&M, đi sâu vào thế giới của máy dò bức xạ. Các thiết bị này đóng vai trò then chốt trong việc đánh giá liều bức xạ được hấp thụ, yếu tố chính trong việc đánh giá các rủi ro và tác động tiềm ẩn của bức xạ đối với các hệ thống điện tử cũng như các sinh vật sinh học. Xem video để hiểu sâu hơn về phép đo liều lượng và tầm quan trọng của nó trong các biện pháp an toàn và phát hiện bức xạ.
Mối đe dọa duy nhất của bức xạ đối với thiết bị điện tử
Một yếu tố môi trường như vậy là cực kỳ khó khăn để chống lại là bức xạ. Không giống như nhiệt độ, độ ẩm, độ rung và áp suất, bức xạ đặc biệt khó chịu do khả năng làm hỏng các linh kiện điện tử nhạy cảm ở mọi cấp độ (cả phần mềm và phần cứng).
Liên quan đến hư hỏng phần cứng, bức xạ (bản thân nó bao gồm nhiều dạng bao gồm alpha, beta và gamma) có thể gây tổn hại vật lý đến các cấu trúc mỏng manh bên trong các vi mạch hiện đại, cũng như tạo ra các điện tích tĩnh mạnh có thể làm hỏng lớp mỏng. các lớp được tìm thấy trong MOSFET. Bức xạ cũng có thể tạo ra các điện tích gây nhiễu tín hiệu, đặc biệt là các tín hiệu liên quan đến cảm biến và thiết bị hình ảnh.
Liên quan đến phần mềm, vì bức xạ có thể tạo ra điện tích, nó cũng có thể lật các bit trong bộ nhớ. Trừ khi một thiết bị tích hợp tính năng sửa lỗi trong bộ nhớ, thậm chí chỉ một cú lật bit cũng có thể làm hỏng thiết bị máy tính, do đó khiến môi trường phóng xạ khó chạy phần mềm một cách đáng tin cậy. Điều thú vị là các máy chủ, vốn cần phải đáng tin cậy hơn tất cả, lại sử dụng bộ nhớ sửa lỗi vì các tia vũ trụ từ không gian có thể (và thường xuyên) làm đảo lộn các bit trong bộ nhớ.
Những thách thức trong việc che chắn bức xạ cho thiết bị điện tử
Việc che chắn chống lại bức xạ là có thể thực hiện được nhưng thường không thực tế. Việc ngăn chặn các hạt alpha là chuyện nhỏ, vì ngay cả một tờ giấy mỏng cũng có thể ngăn cản sự đi qua của nó, và việc ngăn chặn các hạt beta có thể thực hiện được bằng cách sử dụng một tấm nhôm mỏng. Nhưng cố gắng ngăn chặn tia gamma là một thách thức, ngay cả với hàng mét bê tông, và mặc dù tia gamma không nguy hiểm như hạt alpha và beta nhưng chúng vẫn có thể gây ra thiệt hại. Tệ hơn nữa, bất kỳ sự phát xạ phóng xạ nào của các hạt alpha và beta đều dẫn đến phát xạ gamma, có nghĩa là các thiết bị được bảo vệ chống lại các dạng bức xạ này vẫn sẽ phải hứng chịu tia gamma.
Một ví dụ tuyệt vời chứng minh những thiếu sót của thiết bị điện tử là thảm họa hạt nhân Chernobyl. Trong quá trình dọn dẹp nhà máy điện, người ta phát hiện các khối than chì từ lõi đã rơi xuống mái nhà và có tính phóng xạ cực cao. Để giảm thiểu rủi ro cho con người, người ta quyết định sử dụng một máy ủi robot đặt trên mái nhà để đẩy các khối trở lại lõi hở.
Tuy nhiên, mức độ bức xạ quá lớn khiến mọi hệ thống robot đặt trên mái nhà sẽ nhanh chóng hỏng hóc. Hóa ra giải pháp duy nhất cho vấn đề này là sử dụng con người để di chuyển các khối vì không có mạch điện tử nào có thể tồn tại được. Các nhóm người được chọn để dọn mái nhà, mỗi người có không quá hai phút để tìm một mảnh than chì, dùng thuổng nhấc nó lên và ném nó ra khỏi mái nhà. Nhìn chung, lượng bức xạ mà mỗi công nhân trên mái nhà nhận được trong khoảng thời gian 90 giây tương đương với lượng bức xạ trong suốt cuộc đời của một cá nhân.
Các nhà nghiên cứu tạo ra cảm biến bức xạ khoai tây
Mặc dù có nhiều bài học được rút ra từ sự cố Chernobyl, các nhà nghiên cứu từ Đại học Tennessee đã nắm bắt được ý tưởng về “biorobots” có thể tồn tại trong thời gian dài trong môi trường phóng xạ. Không giống như các mạch điện tử, các sinh vật tiếp xúc với mức phóng xạ gây tử vong có thể tiếp tục hoạt động trong nhiều giờ trước khi chết, mang đến cơ hội tiềm năng cho việc phát hiện và quản lý phóng xạ.
Nghiên cứu đột phá này, như được trình bày chi tiết trong The Conversation, không chỉ mở đường cho các kỹ thuật giám sát môi trường đổi mới mà còn chứng minh tiềm năng của công nghệ thực vật trong các lĩnh vực trước đây bị thống trị bởi các giải pháp điện tử. Bằng cách khai thác phản ứng tự nhiên của cây khoai tây đối với bức xạ, các nhà khoa học đang khám phá các phương pháp thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí để phát hiện và giám sát ô nhiễm phóng xạ, mang lại hy vọng tăng cường các biện pháp an toàn trong các cơ sở hạt nhân và môi trường xung quanh.
Tuy nhiên, thay vì tạo ra các sinh vật được thiết kế để đi vào khu vực có mức phóng xạ cực cao và chết đi, các nhà nghiên cứu lại khai thác cách các sinh vật sống phản ứng khi tiếp xúc với bức xạ. Nói một cách đơn giản, khi bức xạ làm tổn hại DNA trong tế bào sống, nhiều sinh vật sẽ kích hoạt các phản ứng miễn dịch đặc biệt giúp xác định ngay các tế bào và gửi tín hiệu về trình tự tự hủy để ngăn chặn DNA bị tổn thương gây ra vấn đề.
Bằng cách can thiệp vào phản ứng này, các nhà nghiên cứu có thể làm cho cây khoai tây tạo ra chất đánh dấu huỳnh quang khi có nguồn phóng xạ mạnh. Mặc dù mắt người không thể nhìn thấy huỳnh quang này nhưng việc sử dụng máy ảnh đặc biệt và máy bay không người lái có thể được sử dụng để xác định loại cây nào đã bị phơi nhiễm, từ đó cho phép xác định nhanh chóng các điểm nóng trong không gian rộng mở (chẳng hạn như các địa điểm gần Chernobyl và Fukushima).
Khoa học đằng sau cảm biến bức xạ của cây khoai tây
Giải thích rõ hơn về cơ chế này, nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Công nghệ sinh học thực vật giải thích cách cây khoai tây biến đổi gen phát ra tín hiệu huỳnh quang màu xanh lá cây để phản ứng với việc tiếp xúc với bức xạ gamma. Tín hiệu này không thể phát hiện được bằng mắt thường nhưng có thể nhìn thấy được bằng máy bay không người lái chuyên dụng, biểu thị một bước nhảy vọt về khả năng viễn thám. Những tiến bộ như vậy nhấn mạnh sức mạnh tổng hợp giữa các hệ thống sinh học và đổi mới công nghệ, mang đến một lăng kính mới mà qua đó chúng ta có thể đánh giá và ứng phó với các mối nguy hiểm môi trường.
Hơn nữa, vì cây khoai tây có thể chịu được lượng phóng xạ gần gấp 10 lần con người nên chúng có thể tồn tại ở những khu vực nguy hiểm trong khi vẫn có thể chỉ ra mức độ phóng xạ ở khu vực gần đó. Cuối cùng, vì những nhà máy như vậy có thể tự sửa chữa và sử dụng ánh sáng mặt trời để làm năng lượng nên không cần bất kỳ cơ sở hạ tầng nào để duy trì hoạt động của các cảm biến như vậy.
Khả năng phục hồi và tự duy trì của những cây khoai tây này làm nổi bật lợi thế đáng kể so với các cảm biến điện tử truyền thống vốn cần được bảo trì và cung cấp điện liên tục. Bằng cách tích hợp các cảm biến sống này vào các chiến lược giám sát môi trường, chúng ta có thể đạt được giải pháp bền vững, lâu dài để phát hiện bức xạ, mang lại lợi ích từ chu kỳ tái sinh và tăng trưởng tự nhiên của thực vật. Cách tiếp cận này không chỉ làm giảm dấu chân sinh thái của các công nghệ giám sát mà còn tăng cường khả năng mở rộng và tính khả thi của việc triển khai cảm biến ở những khu vực xa xôi hoặc khó tiếp cận, thể hiện rõ hơn tiềm năng kết hợp các hệ thống hữu cơ và điện tử để bảo vệ môi trường.
Chất hữu cơ và đồ điện tử có thể làm việc cùng nhau không?
Nếu các cảm biến khoai tây do các nhà nghiên cứu phát triển có thể được triển khai và sử dụng thành công ở các khu vực có thảm họa phóng xạ, thì đó sẽ là sự kết hợp tuyệt vời giữa chất hữu cơ và thiết bị điện tử. Việc sử dụng máy bay không người lái có thể giúp tự động hóa quá trình quét cảm biến trong khi cây khoai tây tiếp tục phát triển bất kể sự hiện diện của bức xạ.
Tất nhiên, điều này cũng đặt ra câu hỏi về những ứng dụng nào khác có thể được hưởng lợi từ sự kết hợp của hệ thống hữu cơ và điện tử. Có thể hóa ra là thay vì cố gắng phát triển robot hình người để thay thế con người trong môi trường nguy hiểm, việc tích hợp trực tiếp AI và các hệ thống robot tiên tiến khác vào con người sẽ dễ dàng hơn.
Lĩnh vực điện tử thực sự rất tuyệt vời, nhưng với tất cả những lợi ích mà nó mang lại, nó không phải lúc nào cũng là câu trả lời, và có rất nhiều điều để nói về các hệ thống hữu cơ. Liệu những cảm biến khoai tây này có giúp bảo vệ con người khỏi vùng phóng xạ? Liệu chúng có đủ để phát hiện mức độ phóng xạ có hại không? Chỉ có thời gian mới trả lời được.