Selvlysende maling – et historisk overblikk

Skrevet av Knut-Erik Baade

KJM3900 prosjektoppgave våren 2017

Det som i naturen er selvlysende beskrives via begrepet «luminescens». Dette begrepet har sitt opphav i det latinske språket. «Lumin» betyr «lys», og endelse «escens» betyr noe sånt som «blir til», og er en fellesnevner for stråling som kommer fra kalde legemer. Det er mange ulike varianter av luminescens, som skilles etter hvor strålingen får sin energi fra.

Klokke med visere malt med radiumholdig maling

Denne strålingen kan ha ulike bølgelengder, men i visse tilfeller ligger bølgelengdene i det synlige området av det elektromagnetiske spekteret, og det kan da oppfattes som synlig lys for det menneskelige øyet. I naturen forekommer ikke luminescens fra radioaktivitet i nevneverdig grad, til det er konsentrasjonene for små. Selvlysende fisk i havdypet og ildfluer baserer seg (heldigvis?) ikke på radioaktivitet, men på kompliserte, kjemiske reaksjoner som kommer innunder paraplyen kalt bioluminescens 1

Selvlysende maling som kan benyttes i dagliglivet kan vanskelig ta basere seg på reaksjoner med biologiske enzymer og lignende, da disse reaksjonene benytter svært komplekse molekyler som vanskelig kan masseproduseres og selges rimelig. Her er radioaktivitet langt enklere å forholde seg til – ingen slike stoffer som i dag er vanskelige å syntetisere, og dermed kostbare, må blandes for at det skal sendes ut lys. Det radioaktive materialet gjør mesteparten av jobben selv, nemlig å frigjøre energien som skal detekteres som lys. I tillegg benyttes en krystall med egenskaper som sørger for at strålingen som sendes ut er i området med synlig lys. Det viste seg at den radioaktive isotopen Ra-226 blandet med krystallen sinksulfid, ZnS, var velegnet til dette formålet. Strålingen fra Ra-226 og dens døtre ioniserer sinksulfidkrystallene, som sender ut fotoner med en bølgelengde i det synlige spekteret når krystallene returnerer til grunntilstanden. Radium-226 har en relativt lang halveringstid på 1600 år, men målt opp mot de milliarder av år det er siden den opprinnelige mengden ble dannet er dette svært kort tid, og isotopen ville ellers vært ikke-eksisterende i dag. At denne isotopen finnes i dag skyldes at den er et av produktene når en annen radioaktiv isotop, uran-238 spaltes. U-238 har en halveringstid på 4,5 milliarder år, så denne kilden er fortsatt tilstede i jordskorpen den dag i dag, og tar ikke slutt med det første.

Selvlysende maling basert på Ra-226 dukket opp tidlig på 1900-tallet, kort tid etter at grunnstoffet radium ble oppdaget. Malingen ble først og fremst benyttet til klokker og instrumenter, der det var hensiktsmessig å kunne se i mørket. Dette pågikk frem til 60-tallet, før radiummaling ble forbudt og andre varianter av selvlysende maling tok over. 2 Skadepotensialet til radioaktivitet var ikke godt kjent før lenge etter oppdagelsen av radioaktivitet, og selvlysende maling ble benyttet rimelig ukritisk. Radioaktivitet ble blant annet sett på som noe helsefremmende, og blant annet ble radioaktiv tannpasta, sjokolade og kosmetikk solgt over disk.3

Ra-226 har, som nevnt, en halveringstid på 1600 år. Isotopen er en alfa-emitter, og ødelegger relativt raskt krystallstrukturen til ZnS som gir den selvlysende effekten. 100 år gamle klokker med visere dekket av radiummaling lyser dermed ikke lenger. Radioaktiviteten bidrar bare indirekte til den selvlysende effekten, og om krystallstrukturen er ødelagt vil fortsatt malingen være radioaktiv – det er kun lyset som er borte. Av sikkerhetsmessige hensyn pakkes derfor alltid gjenstander dekket med radiummaling inn i plast når de tas frem, da plasten effektivt stopper alfa-partiklene. Gammastråling blir emittert fra døtrene til Ra-226 og dette er målbart. At Ra-226 omdannes til radon-222, som er en edelgass og lett kan innåndes, hjelper heller ikke sikkerhetsaspektet.

Bruk av Ra-226 innen kosmetikk og tannpasta var i det store og hele ikke spesielt viktig, men det nyttige i å ha tilgang på selvlysende maling gjorde at det helt klart var et behov for en erstatning for Ra-226, som nå ble vurdert som altfor helsefarlig. Denne erstatningen ble Prometium-147, som er langt tryggere. Dette fordi denne isotopen er en svak beta-emitter, og den lave energien til elektronet som sendes ut av kjernen senker skadepotensalet betraktelig sammenlignet med isotoper hvor energien er større. Beta-stråling har lav gjennomtrengingsevne, så i praksis vil ethvert dekke (for eksempel glasset over urviserne på et armbåndsur) være tilstrekkelig for å minimere betastrålingen til omgivelsene 4. Ulempen er at denne isotopen har en nokså kort halveringstid (drøye to og et halvt år), så den selvlysende effekten vil avta langt raskere enn med radium-226.


Prometium-147’s egenskaper som radioluminescens-kilde over tid er mangelfulle, noe som gjorde at trygge alternativer som samtidig hadde god levetid ble forsøkt utviklet. På 1970-tallet ble tritium utviklet som et alternativ.

Et tritiumrør består i grove trekk av borosilikatglass, tritiumgass, og et tynt lag av fosfor. Det er fra fosforlaget selve lyset kommer. For at fosforet skal være i stand til å avgi lys må det bli truffet av elektroner, som i sin tur eksiterer elektroner bundet til fosforet. Når elektronet returnerer til sin opprinnelige tilstand frigjøres energi i form av fotoner, som oppfattes av oss som lys. De «løse» elektronene kommer fra tritiumgassen, hvor et nøytron omdannes til et elektron og et proton, som medfører at tritiumet selv ender opp som et ufarlig helium-3-ion.

Nissan Leaf, med lakk som inneholder strontiumaluminat

Tritium har en halveringstid på over 12 år, noe som gjør levetiden akseptabel for masseproduksjon. I tillegg er dette også en lav-energi-beta-emitter, hvor strålingen som for Pm-147 lett stoppes av et tynt lag med glass 4. I praksis er det nettopp glass som typisk vil være det som omgir selve tritium-gassen. I noen tilfeller kan et slikt Tritium-rør knuses, men gassen vil fort fortynnes til neglisjerbare konsentrasjoner og ikke representere noen helsefare. Den eneste reelle faren er om man skulle svelge et rør med tritium, men selve radioaktiviteten har fortsatt ikke betydelig skadepotensiale grunnet den lave energien i strålingen. Den generelle faren ved inntak gjelder all radioaktivitet, uavhengig av hva som emitteres.

I dag brukes tritium-indusert radioluminescens til en rekke ulike formål – blant annet til skilting av nødutganger, som dermed er uavhengig av strømtilførsel. Disse må byttes en gang innimellom, når den gjenværende konsentrasjonen av tritum er blitt for lav. Moderne klokker med selvlysende funksjoner benytter også tritium som radioaktiv kilde.

 

  1. https://www.scientificamerican.com/article/how-and-why-do-fireflies/
  2. http://cenblog.org/artful-science/2012/06/26/radioactive-artifacts-a-radium-reprise/
  3. http://io9.gizmodo.com/seriously-scary-radioactive-consumer-products-from-the-498044380
  4. http://www.cpii.com/docs/related/4/Rad%20FAQs.pdf
Av Knut-Erik Baade
Publisert 27. apr. 2017 12:12