Schiphol, 25 december 2009. Umar Farouk Abdulmutallab trekt zijn schoenen uit en loopt door een metaaldetector. Tegelijkertijd rolt zijn handbagage door een röntgenscanner. Het alarm blijft uit. Beveiligingspersoneel merkt niets op. Toch broeit er in de onderbroek van Abdulmutallab een pakje met 80 gram van het zeer explosieve PETN. Voldoende om een gat in een vliegtuig te slaan en een crash te veroorzaken. Om 8.29u vertrekt hij met vlucht NW253 richting Detroit. Twintig minuten voor de landing probeert hij de springstof te ontsteken. Abdulmutallab’s onderbroek vliegt in brand, maar de explosie is niet krachtiger dan de ontploffing van een rotje.

Kort na het incident verscherpt de Nederlandse justitie de controle op passagiers die naar de VS reizen. Op 4 januari laat Schiphol-directeur Jos Nijhuis weten dat de luchthaven 60 Provision bodyscanners bestelt bij het Amerikaanse bedrijf L-3 Communications.

De huidige bodyscanner herkent verborgen wapens, zoals te zien in de afbeelding, maar onderscheidt gevaarlijke springstof niet van drugs of onschuldige pepermuntjes. Soms ziet hij ze zelfs over het hoofd. De terahertz-scanner brengt daar in de toekomst verandering in.

Daily Mail

Aanslag op de gezondheid

Bodyscanners zijn er in twee soorten: röntgenscanners en microgolfscanners. De röntgenscanners stralen niet door het lichaam heen zoals in het ziekenhuis gebeurt, maar werken met backscattering: er wordt straling opgevangen die op het lichaam van de passagier reflecteert. Een beveiligingsbeambte kan verdachte objecten onder de kleding herkennen en alarm slaan.

Röntgenstraling beschadigt echter menselijk weefsel, met name het DNA. Omdat de straling van de scanner niet door het lichaam heen hoeft, is de dosis veel lager dan die van een röntgenfoto in het ziekenhuis. Toch kan de optelsom voor mensen die veel met het vliegtuig reizen, zoals piloten en zakenmensen, groot zijn.

De bodyscanners die Schiphol heeft besteld zijn microgolfscanners. Het werkingsprincipe is hetzelfde als die van röntgenscanners. Microgolven, die ook worden gebruikt door magnetrons en mobiele telefoons, zijn echter onschadelijk voor de gezondheid. Hun energie is namelijk miljoenen keren kleiner dan die van röntgenstralen.

Het elektromagnetisch spectrum omvat alle soorten elektromagnetische straling, gerangschikt op hun golflengte. De golflengte van terahertzgolven, ook wel T-rays genoemd, ligt tussen die van infrarood en microgolven in.

Barbequesaus

Niet iedereen juicht de komst van de microgolfscanners toe. Op 3 januari 2010 waarschuwt de Britse politicus Ben Wallace in The Independent dat deze apparaten niet in staat zijn om stoffen met een lage dichtheid, zoals poeders en vloeistoffen, te herkennen. Wallace werkte eerder bij een bedrijf dat microgolfscanners produceerde. De explosieven die de Nigeriaanse terrorist Abdulmutallab bij zich droeg zouden er niet mee zijn gesignaleerd.

Microgolfscanners zijn bovendien niet specifiek genoeg. Ze kunnen van de stoffen die ze waarnemen niet de chemische samenstelling bepalen. Volgens de Mexicaanse krant Reforma van 10 januari hebben de apparaten al vier keer een traditionele barbequesaus, de mole, voor een gevaarlijk explosief aangezien.

Vingerafdruk

Bestaat er dan geen scanner die verborgen explosieven direct identificeert? En op die manier valse meldingen voorkomt? Nog niet. Maar scanners die gebruik maken van terahertzgolven kunnen de oplossing bieden. Deze apparaten bepalen direct welke stof er onder de kleding van een passagier verborgen zit. Ook kan de techniek het openen van koffers overbodig maken.

Net als microgolven en röntgenstraling zijn terahertzgolven een vorm van elektromagnetische straling. Andere voorbeelden zijn infrarood, radiogolven en zichtbaar licht. De naam terahertz komt van de frequentie waarmee de golven trillen: duizend miljard keer per seconde (tera = 10¹² = duizend miljard). Terahertzgolven zijn langer dan infrarood, maar korter dan microgolven. Alle objecten om ons heen zenden terahertzgolven uit. We merken daar niets van omdat ze niet met het blote oog zichtbaar zijn. Ze gaan met gemak door kleding en verpakkingsmateriaal heen en zijn onschadelijk voor de gezondheid.

h4. Hoe wordt een terahertz-fingerprint gemaakt? De laser bestraalt een stof met een dosis terahertzgolven van vaste golflengte. Een detector aan de achterkant meet hoeveel straling er door de stof heen valt. Deze procedure wordt bij verschillende golflengtes herhaald. Combinatie van de verkregen gegevens geeft een uniek patroon, dat kenmerkend is voor de stof: de terahertz-fingerprint. Een computer die de data registreert, vergelijkt de fingerprint met bekende resultaten in een database. De identiteit van de stof wordt zo in enkele seconden bepaald. Op dit plaatje zien we links een kaart met drie soorten poeder: XTC, aspirine en amfetamine. Rechts zien we hoe terahertzgolven met verschillende frequenties worden geabsorbeerd. Elk van de stoffen kan worden geïdentificeerd door het kenmerkende patroon. Ook via backscattering kan de fingerprint worden vastgesteld. De uitgezonden golven gaan door de stof heen, reflecteren op het lichaam, komen door de stof terug en worden tenslotte weer opgevangen. Door over een groot gebied te stralen, kunnen koffers en personen in één keer worden gescand.

Kawase et al., Optics Express

Afbeeldingen met terahertzgolven hebben een hogere resolutie dan afbeeldingen met microgolven. De golflengte – die voor terahertz-straling tien keer zo klein is als voor microgolven – is namelijk een maat voor de kleinst waarneembare details. Door de hogere resolutie worden met terahertzgolven wapens, explosieven en andere objecten eerder herkend.

Veder hangt de mate waarin terahertzgolven door stoffen heen gaan sterk af van de chemische samenstelling. Dit geldt in het bijzonder voor explosieven en drugs. Deze stoffen hebben een terahertz-fingerprint. In de spectra van microgolven en röntgenstraling bestaat zo’n fingerprint niet, omdat hun absorptie door stoffen minder specifiek is. Om deze reden kunnen terahertzgolven wél worden gebruikt om drugs en explosieven te identificeren, maar röntgenstraling en microgolven niet.

Een waterval van elektronen

Waarom bestaat er dan nog geen terahertz-bodyscanner? Voornaamste probleem is het opwekken van de golven. Mensen en explosieven zenden van nature te weinig terahertz-straling uit om goede plaatjes te maken. Het opwekken van straling met kortere golflengtes gaat makkelijker. Om zichtbaar of infrarood licht te maken laat men elektrische stroom door een gas lopen. Dit wordt een ‘optische’ stralingsbron genoemd. Voor straling met lange golflentes, zoals microgolven en radiogolven, gebruikt men een ‘elektronische’ stralingsbron. Meestal is dit een transistor met een hoge frequentie. De golflengte van terahertzgolven ligt precies tussen het bereik van beide methoden in.

Terahertz-straling kan explosieven op twee manieren opsporen. De eerste manier is transmissie, waarbij door koffers heen wordt gestraald. De tweede is reflectie, waarbij weerkaatste golven worden opgevangen. Dit laatste gebeurt in een bodyscanner.

Federici et al., Semiconductor science and technology

Het duurde tot 2001 voordat het gat tussen optische en elektronische stralingsbronnen werd overbrugd. Ingenieurs van de Amerikaanse Bell Labs, bekend van de uitvinding van de transistor in 1947, noemden hun uitvinding de quantumcascade-laser. Deze laser werkt als een elektronische waterval: elektronen stromen van een denkbeeldige trap, waarbij elke trede een vaste energie representeert. Elke keer als het elektron een trede afdaalt, zendt het een lichtdeeltje, een foton, uit. De toegevoerde energie uit het stopcontact zorgt er voor dat de elektronen weer bovenaan de trap terecht komen en de cyclus zich kan herhalen. Bij een traditionele laser vallen de elektronen steeds maar één trede omlaag. Dit verschil maakt quantumcascade-lasers compacter, krachtiger en efficiënter.

Golven op maat

Met de komst van de quantumcascade-laser ontstond er direct een nieuw probleem: de laser werkt bij een vaste frequentie. Een terahertz-fingerprint kan alleen gemaakt worden als de frequentie wordt gevarieerd. Twee manieren om dit bij een laser te doen zijn het aanpassen van de lengte van de stralingsholte en het veranderen van de temperatuur. Vergelijk dit met een vioolsnaar: je kunt de frequentie aanpassen door de snaar in te drukken (waarbij de lengte verandert) of door aan de stemknop te draaien (waarbij de spanning verandert). Beide methoden werken niet vanwege de hoge frequentie van terahertzgolven.

Een derde manier om de frequentie van een vioolsnaar aan te passen, is het veranderen van de diameter. Dikke snaren geven immers een lagere frequentie (en dus een lagere toon) dan dunne snaren. Een team van het Massachusetts Institute of Technology, onder leiding van Qing Hu, heeft nu een laser ontworpen die gebruik maakt van dit principe: de uitgezonden frequentie wordt gevarieerd door de diameter van de lichtbundel aan te passen. In november 2009 publiceerden de ingenieurs hun resultaten in het tijdschrift Nature Photonics.

Als we terahertzgolven in een laser stoppen, ontstaan er twee golfpatronen. Het longitudinale patroon loopt in de richting van de bundel en bepaalt de uitgezonden golflengte. Het transversale patroon staat hier loodrecht op. De methode van Hu beïnvloedt de transversale golf.

Hoe gaat de methode van Hu precies in zijn werk? Stel een terahertzgolf voor als een bundel die op en neer beweegt totdat het een voorwerp raakt. Door zo’n golf in een laser te stoppen, ontstaat een tweede golf die er loodrecht op staat. Dit wordt de transversale golf genoemd. Wanneer je de laser op een muur richt zie je de transversale golf als een patroon van ringen, gecentreerd op de bundel. Elke ring correspondeert met één golflengte. De transversale golf bij de laser van Hu is maar één golflengte lang en wordt daarom zichtbaar als een enkele ring.

De diameter van Hu’s laser is kleiner dan de lengte van de transversale golf. Het ringpatroon dat de golf veroorzaakt ligt daarom buiten de laser en kan van buitenaf worden beïnvloed. Hu heeft ontdekt dat een blok metaal de ring ‘indrukt’. Hierdoor wordt de diameter van de lichtbundel kleiner en de uitgezonden frequentie hoger. Een blok silicium blijkt de ring juist ‘uit te rekken’. Daarmee wordt de diameter van de lichtbundel groter en de uitgezonden frequentie lager. Hoe dichter de blokken bij de laser worden gehouden, des te sterker het bereikte effect.

Het zal waarschijnlijk nog enige jaren duren voordat er daadwerkelijk terahertz-bodyscanners bestaan. Belangrijkste factor die grootschalige toepassing van de terahertz-laser in de weg staat is de benodigde koeling met vloeibare stikstof. Het is nu de uitdaging om een vergelijkbare laser te ontwikkelen die bij kamertemperatuur werkt.

Schijnveiligheid

Zal de introductie van terahertz-bodyscanners de luchtvaart volledig veilig maken? Het antwoord is nee. Terahertzgolven worden sterk geabsorbeerd door water, en kunnen daardoor slecht in het menselijk lichaam doordringen. Explosieven en drugs die inwendig worden bewaard, bijvoorbeeld door inslikken, blijven verborgen.

Critici vragen zich daarom af wat investeren de techniek oplevert. “Nieuwe maatregelen dienen alleen om de perceptie van veiligheid op vliegvelden te vergroten”, stelt de Amerikaanse veiligheidsgoeroe Bruce Schneier in zijn artikel The psychology of security uit 2007. “De veiligheid op vliegvelden neem hooguit met terugwerkende kracht toe. De werkelijke bedreiging bestaat uit de materialen, tactieken en doelwitten die in de toekomst worden gekozen. Iedere maatregel gaat ten koste van een andere waarde, zoals gemak of privacy”