Wie Neutronenbildgebung verborgene Geheimnisse von Fossilien und Artefakten aufdeckt

Zerbrochenes Krokodil. Formal auch Confractosuchus. Es wurde in Australien entdeckt, als ein Bulldozer einen Felsen beseitigte und dabei den Stein in Stücke brach. Sichtbare Teile des zerbrochenen Gesteins ließen erkennen, dass sich darin Fossilien befanden, aber es gab keine sofortige Anzeichen dafür, dass diese Entdeckung später einen beispiellosen Einblick in das Leben aus der Kreidezeit bieten würde.

Der Paläontologe Matt White von der University of New England in Armidale, Australien, und seine Kollegen veranlassten, dass der fossilienhaltige Stein mit Hilfe der Röntgen-Computertomographie gescannt wurde. Wie bei einer medizinischen CT-Aufnahme werden dabei mehrere Bilder eines Objekts aufgenommen, die zu einer 3D-Karte des Inneren zusammengesetzt werden können. Das Team hoffte, die Scans als Leitfaden zu verwenden, um einzelne Knochen im Fossil zu isolieren, ohne sie zu entfernen, und dann die 3D-Bilder zu manipulieren, um das zerbrochene Krokodil virtuell wieder zusammenzusetzen.

Aber ein Teil des fossilen Puzzles bereitete ihnen Schwierigkeiten. Eisenreiches Gestein um die Knochen herum erschwerte die Erstellung guter Röntgenaufnahmen. Daher beschlossen die Forscher, einen anderen Ansatz zu versuchen.

Sie schickten das mysteriöse Stück an den Chemiker Joseph Bevitt vom Australian Centre for Neutron Scattering in Sydney, der darauf spezialisiert ist, mit subatomaren Neutronenteilchen Bilder von antiken Objekten zu erstellen. Neben den erwarteten Krokodilknochen entdeckte Bevitt einen, der wie ein Dinosaurierbeinknochen aussah. Er befand sich in dem Teil des Gesteins, in dem sich die Magenhöhle des Krokodils befunden hätte.

"Als ich das Neutronenergebnis und den kleinen Dino-Femur sah, war ich vor Schock erschüttert", sagt Bevitt, "sowohl in Ehrfurcht als auch in Zweifel über das, was wir gesehen hatten."

Jahrelange Analyse sowie weitere Röntgen- und Neutronenscans bestätigten schließlich, dass es sich bei den Überresten um eine zuvor unbekannte Dinosaurierart handelte, die in Stücke gebissen und mit Zahnspuren versehen wurde und sich im Bauch des Krokodils befand. Die Entdeckung bescherte dem zerbrochenen Krokodil den zweiten Teil seines Namens: sauroktonos, zu Deutsch "Echsenmörder". White, Bevitt und ihre Kollegen veröffentlichten ihre Entdeckung sowohl der neu identifizierten Krokodilart als auch des zuvor unbekannten Dinosauriers im letzten Jahr in der Zeitschrift Gondwana Research (SN: 3/26/22, S. 5).

Es ist eine atemberaubende Entdeckung: Confractosuchus sauroktonos, das zerbrochene Krokodil Echsenmörder, und die Überreste seiner letzten Mahlzeit, seinem Dinosaurieropfer, vor 100 Millionen Jahren in Stein eingefroren. Es ist eine Szene, die möglicherweise nie ans Licht gekommen wäre, wenn nicht die Neutronentomographie zum Einsatz gekommen wäre. Obwohl Neutronen seit ihrer Entdeckung im Jahr 1932 für bildgebende Verfahren in Industrie- und Militäranwendungen verwendet werden, liefern sie erst seit einigen Jahrzehnten Wissenschaftlern beispiellose Einblicke in Fossilien und Antiquitäten.

Früher bedeutete das Studium von Fossilien und Artefakten oft, sie zu beschädigen oder zu zerstören. Mumifizierte Überreste wurden seziert. Versiegelte Behälter wurden aufgebrochen. Fossilien wurden aus dem Gestein herausgebrochen. In einigen Fällen wurden fossilhaltige Proben Schicht für Schicht abgeschliffen, um Bilder sequentieller Abschnitte zu erstellen, die die versteinerten Strukturen im Inneren zeigten.

Zum Glück bieten Röntgenstrahlen nicht-invasive Einblicke. Als eine Form von hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung oder Licht interagieren Röntgenstrahlen mit den elektrischen und magnetischen Feldern, die mit elektrisch geladenen Teilchen verbunden sind. In der Arztpraxis wird, wenn ein Techniker einen Strahl von Röntgenstrahlen auf ein gebrochenes Bein richtet, das Licht durch die Felder der Elektronen um Atome im Bein gestreut oder absorbiert. Je dichter ein Material ist, desto mehr Elektronen sind darin verpackt, und desto weniger effektiv können Röntgenstrahlen hindurchdringen. Deshalb stechen Bereiche mit höherer Dichte des Körpers - wie Knochen - in Röntgenbildern mehr hervor als Bereiche mit geringerer Dichte. Haut, Muskeln und andere Weichteile sind im Wesentlichen unsichtbar, da Röntgenstrahlen ungestört hindurchdringen.

Röntgenstrahlen haben seit ihrer Entdeckung im Jahr 1895 Einblicke in verborgene Innenräume von Artefakten ermöglicht. Aber nach der Entwicklung der rechenintensiven Röntgen-CT-Technologie in den 1970er Jahren wurde sie zum Standardansatz für die Untersuchung von Objekten in der Paläontologie und Archäologie (SN: 12/18/21 & 1/1/22, S. 44). Die Röntgen-CT-Scans sind heutzutage die moderne Alternative zum Abschleifen, auf die sich Wissenschaftler im 19. Jahrhundert oft verlassen haben. Beispiele hierfür sind die Scans von mumifizierten Tieren aus dem alten Ägypten (SN: 9/12/20, S. 17); neu entdeckte Inschriften auf dem 2000 Jahre alten Antikythera-Mechanismus, einem antiken griechischen astronomischen Rechner zur Vorhersage von Sonnenfinsternissen und anderen himmlischen Ereignissen (SN: 12/2/06, S. 357); und eine Untersuchung der Gehirnhöhle in einem 20 Millionen Jahre alten Affenschädel (SN: 9/14/19, S. 11). Viele große Museen und Forschungseinrichtungen haben ihre eigenen Röntgen-CT-Scanner, die im Wesentlichen die gleichen Systeme sind, die Ärzte verwenden.

Für all das, was die Röntgenbildgebung über die Vergangenheit enthüllt hat, hat sie dennoch einige Nachteile. Röntgenstrahlen können ein besonders dichtes Material wie Blei oder dicke Schichten anderer Metalle nicht durchdringen, um ein darin verstecktes Objekt zu sehen. Auf der anderen Seite wird ein Objekt aus Material mit geringer Dichte, wie z. B. Weichgewebe, für Röntgenstrahlen unsichtbar sein.

Neutronen können das Bild vervollständigen.

Neutronen sind - wie der Name schon sagt - neutral. Diese subatomaren Partikel haben keine elektrische Ladung, daher nehmen Neutronenstrahlen die Elektronen in der Umlaufbahn um Atome nicht wahr. Stattdessen gehen Neutronen direkt an den Elektronen vorbei und treffen auf Kerne, die mit Protonen und Neutronen im Zentrum der Atome gefüllt sind. Eintreffende Neutronen können an einem Atomkern abprallen oder in das Atom absorbiert werden. Die Wechselwirkungen sind komplexer als bei Röntgenstrahlen und hängen von der Geschwindigkeit der Neutronen und komplexen quantenmechanischen Wechselwirkungen ab.

Für die Tomographie geeignete Neutronen werden mit vergleichsweise massiven Teilchenbeschleunigern oder als Nebenprodukt von Kernreaktoren erzeugt. Die Neutronen bewegen sich relativ langsam mit Energien, die hundertmillionenfach niedriger sind als die von Röntgenstrahlen in CT-Scannern. Diese langsamen Neutronen wechselwirken stark mit einigen Materialien geringer Dichte, die Röntgenstrahlen mühelos durchdringen, einschließlich Lithium, Bor und Wasserstoff.

"Für Neutronen ist Wasser so etwas wie Blei für Röntgenstrahlen", sagt Bevitt aufgrund der Wasserstoffatome. Zu viel wasserstoffreiches Material kann Details vor Neutronenstrahlen verbergen. Aber ähnlich wie eine Metall-Hüftgelenk in einem medizinischen Röntgenbild sichtbar ist, kann Wasserstoff auch einige Merkmale in Neutronenbildern sichtbar machen. Blei, Eisen und Kupfer hingegen sind im Wesentlichen transparent für Neutronen mit niedriger Energie.

Der Physiker Jacob LaManna vom National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg, Maryland, zeigt gerne die vergleichenden Fähigkeiten der Neutronen- und Röntgenbildgebung mit einer CT-Aufnahme von Asiatischen Lilien, die in einer hohlen Kiste mit dicken Bleiwänden versteckt sind. "Die Neutronen können direkt durch das Blei gehen, und dann kann man im Wesentlichen all das Wasser [in der] Gefäßstruktur der Blumen sehen", sagt LaManna. Bei einer Röntgenaufnahme würde nur die undurchsichtige äußere Oberfläche der Kiste sichtbar sein.

Die Fähigkeit, dichte Materialien zu durchdringen, die Röntgenstrahlen blockieren, hat die Neutronenbildgebung zu einer wichtigen Technologie für den industriellen Test von Automobilen und Flugzeugen gemacht. Die Partikel können den Fluss von wasserstoffreichem Öl in Motorblöcken aufdecken oder Fehler in Metallgussteilen sichtbar machen. Seit den 1970er Jahren verlassen sich US-National labors auf die Neutronenbildgebung, um die Kernwaffenbestände des Landes zu entwickeln und zu warten. Die Neutronen sind leistungsstarke Qualitätssicherungswerkzeuge, um die Innenseiten dichter Bombenteile abzubilden und wasserstoffreiche Fusionsexplosivstoffe in Sprengkopfkomponenten zu untersuchen.

Bei NIST leitet LaManna das Neutron and X-ray Tomography oder NeXT Facility, bei dem gleichzeitig Röntgen- und Neutronenbildgebung durchgeführt werden kann. Die beiden Ansichten liefern unterschiedliche, aber ergänzende Informationen über Objekte, die aus Kombinationen von Materialien bestehen - wie Wasserstoff-Brennstoffzellen, Baumaterialien und Bodenproben -, die mit nur einem oder dem anderen Bildgebungsverfahren schwer zu untersuchen wären.

In den letzten Jahrzehnten haben immer mehr Paläontologen, Archäologen und Anthropologen die Neutronenbildgebung als Analyseinstrument in ihre Werkzeugkästen aufgenommen. Obwohl die Neutronenbildgebung schon länger existiert, sind wir "wirklich die Neulinge in der Nachbarschaft", sagt Bevitt.

Zusätzlich zur Offenlegung mehrerer Dinosaurierknochen im Bauch eines zerschmetterten Krokodils sowie des Oberschenkelknochens, der Bevitts Aufmerksamkeit zunächst erregte, hat die neutronencomputertomographie Forschern ermöglicht, das Gewebe umwickelnde Katzenmumien zu untersuchen, ohne sie auszuwickeln, Anzeichen von kürzlich aufgetragenen Klebstoffen an betrügerisch zusammengesetzten Artefakten zu finden und das älteste je gefundene Wirbeltierherz in einem 380 Millionen Jahre alten Fisch aufzudecken.

Der Paläontologe James Clark legt ein Paar versteinerter Krokodilschädel auf den Tisch in seinem Labor im Keller der George Washington University in Washington D.C. Die 165 Millionen Jahre alten Fossilien werden durch einen nahegelegenen modernen Alligatorschädel überragt. Während der Alligatorschädel etwa so lange ist wie mein Unterarm, sind die versteinerten Krokodilschädel nur wenig größer als meine Daumenspitze.

Die zerbrechlichen Schädel, die Clark vor vier Jahrzehnten in Mexiko gesammelt hat, sind in verhärteten Klumpen aus Sediment eingebettet, aus denen nur wenige Knochen und Zähne hervorschauen. Auf den ersten Blick ähneln die Exemplare Kaugummihaufen, bestehend aus kieseligem, eisenhaltigem Schiefer. "Wenn man das röntgen will, erhält man im Grunde genommen ... diese hellen Funkeln durch das ganze Eisen", sagt Clark. Das Ergebnis ist ein Verwischen und Streifen, das die skelettalen Strukturen verbirgt.

Clark hätte Präparatoren damit beauftragen können, das Sediment um die empfindlichen Knochen zu entfernen. Aber das ist ein langsamer und teurer Prozess, der das Exemplar beschädigen kann, sagt er.

Es dauerte bis 2019, dass er endlich einen guten Blick auf die versteckten Knochen werfen konnte. Nach einem Seminar, bei dem er Bevitt kennenlernte, erkannte Clark, dass die Neutronenabtastung die Antwort sein könnte. Das Ereignis führte zu einer Einführung bei LaManna und der NIST-Einrichtung 25 Kilometer entfernt in Maryland.

Da Eis im Wesentlichen für Neutronen transparent ist, sagt LaManna: "Es ist viel einfacher, den fossilen Teil des Objekts zu isolieren." Bilder von den NIST-Neutronen-CT-Scans enthüllten die komplexen Details der winzigen Knochen. "Dann kannst du anfangen, digitale Puzzle mit den Knochenfragmenten zu spielen, um das spezielle Lebewesen zu rekonstruieren."

Während das Material um ein Fossil oder Objekt ein Problem für Röntgenstrahlen darstellen kann, ist manchmal das Objekt selbst das Problem. Gewebe, Fasern, Holz und andere Materialien mit geringer Dichte können schwer erkennbar sein, und Metalle in einem Objekt können andere Merkmale verdecken. Beide Herausforderungen plagen Forscher, die Antiquitäten wie die 3.000 Jahre alten Dolche-Äxte untersuchen, die ich in der Freer Gallery of Art des Smithsonian in Washington, D.C. gesehen habe.

Diese zeremoniellen Waffen aus der Shang-Dynastie Chinas hängen in einem vertikalen Glastresor, wo ich meine Nase nur wenige Zentimeter von den Jadeklingen und türkisverzierten Bronzegriffen entfernt hatte. Ich fand es am besten, mich nah hinzulehnen, um die komplexen blaugrünen Muster der Edelsteine zu würdigen, die in das Metall eingelassen waren.

Smithsonian-Kunstkonservator Ariel O'Connor würde gerne wissen, wie die Dolche-Äxte zusammengebaut wurden. Röntgen-CT funktioniert nicht bei der Kombination von Stein, Metall, Fasern und anderen Materialien, die vorhanden sein können. Neutronenbildgebung könnte helfen, birgt jedoch Risiken. Neutronenstrahlen machen Dinge radioaktiv. Es ist nicht immer im Voraus klar, wie radioaktiv eine Probe werden wird, aber Materialien überschreiten oft das Maß an Radioaktivität, das für Menschen sicher ist, um sie zu handhaben oder sogar im Museum für Tage bis Wochen nach der Bestrahlung mit Neutronenstrahlen anzusehen.

"Wir könnten tatsächlich Berechnungen durchführen und bestimmen, welches Element problematisch sein wird und wie lange es radioaktiv sein wird und wie viel", sagt LaManna. "[Aber] im Fall des Jades, wo es sich um Material handelt, das praktisch komplett aus dem Boden gegraben wurde, kann es allerlei Dinge enthalten, die man nicht unbedingt erwartet." Das macht die Vorhersage von Reststrahlung schwer.

Daher beschloss O'Connor, einen Test durchzuführen. Sie und ihre Kollegen fertigten eine grobe Nachbildung einer antiken Dolch-Axt an. Sie verwendeten Jade aus Wyoming anstelle von antiker chinesischer Jade, Stapel von Messingplatten von einer zweckentfremdeten Türschwelle, um den bronzenen Griff zu simulieren, und etwas Seidenfaden ähnlich dem Typ, der einige Dolch-Äxte der Shang-Dynastie zusammenhält. Dann scannte LaManna den Dolch mit Röntgen- und Neutronenstrahlen am NIST.

Wie erwartet war das Messing für die Röntgenstrahlen völlig undurchsichtig und verbarg Merkmale des Nachbaus. Der Neutronenstrahl enthüllte jedoch wichtige Details, einschließlich einer Ansicht der in den Messinggriff eingefügten Jade und sogar einzelner Seidenfäden.

Um zu testen, wie die Neutronenbildgebung bei einer Dolch-Axt funktionieren könnte, fertigten die Forscher eine Nachbildung aus Jade, Stapeln von Messingplatten und Seidenfaden an. Auf einem Röntgenbild der Nachbildung (oben) ist der Schaft durch Messing verdeckt, daher verwendete das Team die Neutronenabtastung, um den markierten Teil zu behandeln. Diese Bildgebung (unten) enthüllte Details, die in den Röntgenscans nicht sichtbar waren.

Was die Reststrahlung betrifft, zeigte die Nachbildung neun Tage später keine signifikante Reststrahlung. Im Allgemeinen nimmt Bevitt zufolge die Reststrahlung schnell ab. Ein von ihm untersuchtes Fossil war aufgrund von Radium drei Monate lang radioaktiv, aber die meisten Proben können innerhalb weniger Wochen oder weniger sicher in Labore und Museen zurückgeschickt werden.

Trotz dieser Unsicherheit und der Fragen, wie chemisch ähnlich die Nachbildung den echten Dolch-Äxten ist, ist O'Connor noch nicht bereit, das Risiko einzugehen, die Artefakte zu scannen.

"Als Konservatorin bin ich mit der Erhaltung und Sicherheit dieser bemerkenswerten 3.000 Jahre alten Objekte betraut, um sicherzustellen, dass sie für zukünftige Generationen erhalten bleiben. Wenn eine analytische Technik wie die Neutronenbildgebung unsere Forschungsfragen beantworten könnte, aber die Objekte verändern und den Zugang zu ihnen verhindern würde" aufgrund der induzierten Radioaktivität, sagt O'Connor, "werden wir nach anderen Möglichkeiten suchen."

Trotz der zunehmenden Beliebtheit von Neutronentomografie zur Untersuchung von Fossilien und Antiquitäten ist die Röntgen-CT immer noch die bevorzugte Bildgebungsmethode für die meisten Forscher. In den 1990er Jahren wurden jährlich einige Dutzend wissenschaftliche Artikel zum Einsatz von Neutronen zur Erforschung der Vergangenheit veröffentlicht; in letzter Zeit sind es Hunderte pro Jahr. Die Veröffentlichungen im Zusammenhang mit der Bildgebung von Fossilien und Artefakten mit Röntgen-CT belaufen sich jedoch auf Tausende pro Jahr.

Most of the time, X-rays suffice, and the advantages are clear. They offer high resolution to uncover small details with no lingering radioactivity. X-ray CT machines are also widely available because they’ve been used in medical settings for over 50 years, and they’re small enough to fit in most labs and museum research spaces.

At the moment, there are only a few dozen neutron tomography facilities on the planet. The particle accelerators and nuclear reactors that produce suitable neutrons are large, expensive and heavily regulated. Only a handful of the facilities worldwide are available to analyze fossils and antiquities, according to Burkhard Schillinger, a physicist at the Technical University Munich who runs the neutron imaging beamline there. He ticks off a few facilities in the United States, a half dozen in Europe and one in Australia.

Still, LaManna says the lack of access doesn’t seem to be the bottleneck in widespread adoption of the technique. Along with the concerns over lingering radioactivity, the novelty of the technology and general lack of awareness may stand in the way.

“I try to recruit as broad a range of users as I can” to submit fossils and antiquities for imaging at NIST, LaManna says. “It’s not like they’re getting pushed out of the way” to make space for more conventional neutron studies. “It’s just more of getting the correct people interested to then write proposals, come to us [and] work with us to get beam time.”

In the last decade, Australia-based Bevitt has spread the word on neutron tomography through lectures and outreach around the world. Most of the experts contacted for this story trace their initial interest in neutron imaging to Bevitt’s influence. Many researchers in his home country have already embraced the technology.

“Basically, in Australia, when a new dinosaur is discovered,” Bevitt says, “the first thing that happens is it comes to our lab.”

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