Närsynt koll på atomerna

2011-12-06 23:00 Anders Wallerius  

Världens kraftfullaste neutronkanon börjar inom kort byggas på en åker utanför Lund. När anläggningen står klar sommaren 2019 blir den ett europeiskt centrum för studier av materiens allra innersta uppbyggnad och funktion.

Den femhundra meter långa neutronkanonen är egentligen en kraftig lampa för att belysa mikroskopiskt små materialprover. Men i stället för vanligt ljus används neutronstrålar, vilka gör att man kan studera helt andra egenskaper hos materialen än med vanliga ljus eller elektronmikroskop.

Lätta atomer som kol, syre och kväve syns tydligt i neutronbelysning. Det ger forskarna möjlighet att studera biologiska molekyler av de lätta grundämnena.

Eftersom neutronstrålarna lämnar provet oförstört kan forskarna se vad som händer med molekylerna under lång tid. Men neutronerna kan också tränga igenom tjockt stål. Forskarna kan då studera vad som händer inuti tryckkärl eller förbränningsutrymmen.

– Till skillnad från LHC vid Cern, som är ett enda experiment, är ESS som en schweizisk armékniv som kan användas för allt möjligt, berättar ESS:s ­vetenskaplige ledare, Dimitri Argyriou.

Men smakar det så kostar det. När anläggningen är färdigbyggd kommer de 17 deltagande nationerna att ha lagt ned 14 miljarder kronor. Till det kommer en driftskostnad på en miljard om året. Hälften av pengarna betalas av de nordiska länderna, med Sverige som främsta bidragsgivare. Den andra hälften kommer från de övriga europeiska länder som deltar i ESS. Men deras bidrag består till stor del avutrustning till neutronkanonen.

Även svenska företag kommer att få del i beställningarna. Exempelvis ligger ABB väl till för att leverera utrustning för att styra och kontrollera all elkraft. SKF kan komma att ­leverera de avancerade chopprar, i form av roterande hålskivor, som hackar upp neutronpulserna.

ESS består av tre delar: acceleratorn, målet och instrumenten. I acceleratorn skapas protoner som far mot målet med nära ljusets hastighet. Protonerna sliter loss stora neutroner ur målet av volfram. Neutronerna formas därefter till lagom stora och långa pulser, innan de leds mot instrumenten där forskarna gör sina experiment.

Till en början byggs sju typiska instrumentstationer, där neutronkanonens prestanda utnyttjas på bästa möjliga sätt. Där låter man de elektriskt neutrala neutronerna studsa, spridas eller påverkas av provet på annat sätt. Slutligen registreras vad som hänt neutronerna  i kontakt med provet, och resultatet utvärderas.

Den första neutronsalvan skjuts under sommaren 2019 mot de sju första instrumentstationerna. Fram till 2026 byggs de återstående femton instrumenten. Därefter är det full fart ?i anläggningen fram till år 2066, då anläggningen ska ha gjort sitt.

– Det är svårt att hitta något område som ESS inte kan användas till, säger Dimitri Argyriou.

Han räknar upp en lång rad forskningsområden där ESS väntas bidra med viktiga resultat. Inom energitekniken studeras egenskaper hos batterier, katalysatorer, magnetiska material, solceller, supraledare, bränsleceller och vätgaslager. Inom biotekniken analyseras strukturen hos läkemedel, proteiner, enzymer, cellmembran, levande celler och biokompatibla material.

Bland dem som redan har visat sitt intresse för att använda ESS i sin grundforskning finns läkemedelsbolaget Pharmacia, förpacknings­företaget Tetra Pak, kraft- och automations­företaget ABB, bilföretaget Volvo, pappers­tillverkaren SCA, livsmedelsproducenten Skånemejerier och stålbolaget Sandvik. Alla är företag som baserar sin produktutveckling på grundforskning om materialens egenskaper på mikro- och nanonivå.

I Europa finns 5 000 forskare som använder neutroner i sitt arbete, och ledningen för ESS räknar med att 3 000 av dem kommer att utnyttja anläggningen varje år.

– Det kräver en omfattande infrastruktur med bostäder, transporter, restauranger, verkstäder och arbetslokaler, säger projektledaren Kjell Möller.

Sedan dess har byggplanerna blivit allt mer konkreta och under våren 2013 sätts spaden i den skånska myllan.

– Vi väntar så länge som möjlig med besluten om vilken teknik som ska användas för att få de allra bästa lösningarna, säger Kjell Möller.

Under processen tarman  i möjligaste mån hänsyn till miljö och energiförbrukning. Bland annat har valet av material i målet varit kontroversiellt. Ursprungligen planerades att använda det vanligaste målmaterialet i liknande sammanhang – tio ton ­miljöfarligt kvicksilver. I stället valdes en drygt meterstor, roterande skiva av volfram.

– Valet att använda volfram i stället för kvicksilver är inget problem för oss, säger ­Patrik Carlsson, som är tekniskt ansvarig för maskinen.

– Kvicksilvret absorberar dessutom neutroner, vilket försämrar kvaliteten på de mycket långa pulser vi använder.

Anläggningen förbrukar också stora mängder elkraft. Enbart acceleratorn, med sina supra­ledande magneter, drar 40 megawatt. Av det överförs fem megawatt till protonstrålen, som därmed är den kraftfullaste i världen. Tack vare smarta lösningar och förenklingar har det ursprungligen planerade energibehovet halverats till 250 gigawattimmar per år.

De fem megawatten i protonstrålen omvandlas till värme i volframmålet och måste ledas bort. Kylvattnet från den roterande skivan, och från resten av anläggningen, kommer att tas tillvara:

– Genom att höja kyltemperaturen från normalt 50 grader till närmare 90 grader, går det att ta vara på spillvärmen och föra in den i fjärrvärmenätet, säger Thomas Parker, energi- och miljöplanerare.

ESS delar infrastruktur med mikroskopet Max

En stor del av infrastrukturen kommer att delas med närmaste granne, Max IV, som i likhet med ESS är ett gigantiskt mikroskop för materialstudier. Men Max IV använder korta, kraftiga röntgenpulser som belysningskälla, vilket ger helt andra egenskaper än ESS. Till skillnad från neutronerna stoppas röntgenfotonerna av stål och andra täta material.

Max är en helsvensk anläggning , som redan har börjat byggas på den skånska slätten. Om fyra år ska den nya röntgenapparaten stå färdig efter en byggkostnad på runt tre miljarder kronor. Eftersom en stor del av tekniken är likartad vid ESS och Max IV kan de två forsningsanläggningarna dela på underhåll av acceleratorer, partikeldetektorer, elektronik och kylteknik för supraledare.

Anders Wallerius

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

Här är reglerna för kommentarerna på NyTeknik

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Aktuellt inom

Senaste inom

Debatt