Hyppää pääsisältöön

Ruotsiin rakennetaan outoa hiukkaskiihdytintä – siitä tulee maailman tehokkain läpivalaisukone

Piirros Ruorsiin rakennettavasta ESS hiukkaskiihdyttimestä
Piirros ESS-laitoksesta. Mittakaavaa kuvaan saa hyvin rakennuksen vierellä olevista kuorma-autoista ja siitä, että koko kompleksin pituus on hieman yli 1,5 kilometriä. Piirros Ruorsiin rakennettavasta ESS hiukkaskiihdyttimestä Kuva: ESS hiukkaskiihdyttimet

Hiukkaskiihdyttimellä ei läpivalaista matkatavaroita, vaan sillä tullaan tutkimaan monenlaisia biologiaan, kemiaan, fysiikkaan ja teknologiaan liittyviä asioita kohdistamalla näytteisiin voimakas neutronisuihku. Aikomus on, että sähkösyöppö tutkimuslaite toimii täysin tuulivoimalla.

Etelä-Ruotsin Lundissa, aivan Öresundin kuuluisan sillan naapurissa, on valtava työmaa. Se on eräs suurimmista eurooppalaisista tekeillä olevista tutkimuslaitoksista, Eurooppalainen spallaatiolähde eli European Spallation Source, lyhyesti ESS.

Hauskalta kuulostava spallaatio tarkoittaa ydinreaktiota, jossa atomiytimeen osuva suurienergiainen hiukkanen rikkoo ydintä ja sinkoaa siitä palasia ympäriinsä. ESS:n tapauksessa noin kilometrin mittaisella hiukkaskiihdyttimellä ammutaan protoneita lähes valon nopeudella volframista tehtyyn mötikkään, jolloin saadaan synnytettyä neutroneita.

Havainnekuva kiihtytinrakennuksesta ESS
Tulossa on kaunista pohjoismaista arkkitehtuuria. Laitoksen tekeminen maksaa kaikkiaan noin 1,8 miljardia euroa, joten tyylikkyyden tuominen mukaan urakkaan ei maksa juurikaan lisää. Havainnekuva kiihtytinrakennuksesta ESS Kuva: Henning Larsen Architects hiukkaskiihdyttimet

Neutronit puolestaan suhahtavat varsin hyvin kaikenlaisen aineen läpi, joten niitä sopivasti (ja varsin hankalasti) havaitsemalla voidaan tutkia näytteiden sisärakennetta ja toimintaa, joissain tapauksissa jopa eläviä biologisia näytteitä. Lähes kaikki muut tehokkaat läpivalaisuun perustuvat tutkimustavat, kuten esimerkiksi voimakkaat röntgensäteet, tuhoavat helposti näytteen – eikä eläviä olioita voi missään tapauksessa tutkia lainkaan.

ESS:n neutroneiden avulla voidaan myös nähdä paksujen, tiiviiden, suuressa paineessa olevien tai erittäin kylmien näytteiden läpi. Suurimmat suunnitellut tutkittavat asiat ovat toimiva auton moottori ja muumiot, pienimmät taas ovat atomeja ja molekyylejä. Moottorien ja molekyylien tapauksessa juuri niiden toiminta läpivalaisun aikana on erittäin kiinnostavaa.

kaavakuva kiihtyttimestä, piirros
Kaavakuva koko laitoksesta. Vasemmalla on ensin ionilähde, sitten lineaarinen hiukkaskiihdytin, sitten kohtio ja sen ympärillä havaintolaitteet halleissaan. Ympärillä on huolto- ja hallintorakennuksia. kaavakuva kiihtyttimestä, piirros Kuva: ESS hiukkaskiihdyttimet

Neutronit ovat käteviä myös siksi, että osa kappaleeseen kohdistetusta neutronisäteilystä osuu kohteessa oleviin atomeihin. Tutkimalla säteilyä tarkasti saadaan tietoa kohteessa olevista aineista. Neutronit ovat myös ikään kuin pieniä sähkövarauksettomia magneetteja, minkä ansiosta niiden avulla saadaan tietoa myös kohteen magneettisista ominaisuuksista. Tästä on iloa muun muassa elektronisten osien tutkimuksessa.

Lisäksi ESS:n avulla voidaan tutkia neutroneja itsessään. Se on siis myös alkeishiukkasfysiikan työkalu. Kosmologit haluavatkin saada sen avulla lisätietoja esimerkiksi tapahtumista heti alkupamauksen jälkeen, jolloin atomit eivät vielä olleet muodostuneet.

rakennustyömaa
Ilmakuva ESS-työmaasta viime kesältä. Parin vuoden päästä laitoksen pitäisi olla toiminnassa, rutiinihavaintoihin päästään (toivottavasti) vuonna 2023. rakennustyömaa Kuva: ESS hiukkaskiihdyttimet

Neutronien avulla saadaan siis paljon erilaista tietoa, mutta erityyppisiä tutkimuksia varten ESS tarvitsee useita, eri tavalla toimivia havaintolaitteita. Niitä on tulossa aluksi 15, mutta rakennukset on suunniteltu jo alusta alkaen sen verran suuriksi, että niitä voi olla aikanaan 22. Lattiapinta-alaa tutkimuslaitteille on varattu kolmen jalkapallokentän edestä.

Monoliitti ja maailman tehokkain hiukkaskiihdytin

ESS:n sydän on 5800 tonnia painava "monoliitti" eli teräsrakennelma. Sen keskellä on 2,6 metriä halkaisijaltaan oleva, noin seitsemän metriä korkea härveli, joka pyörii 23 kierrosta minuutissa pystyakselinsa ympäri. Härvelin sisällä on volframista, hyvin neutronirikkaasta metallista tehtyjä tiiliä, jotka muodostavat protonisuihkulle kohtion.

keinotekoista timanttia
Tässä tutkimusaseman sisällä on keinotekoista timanttia. Sen sisärakennetta voidaan tutkia myös neutroneilla. Timantin tekeminen vaatii suurta painetta ja lämpötilaa, ja yllättäen näiden kehittämisellä on yhteys myös maanjäristyksiin sekä maapallon sisärakenteen tutkimukseen. ESS on tutkinut asiaa jo nyt etukäteen yhdessä yhdysvaltalaisen Oak Ridgen kansallisen laboratorion ja Edinburghin yliopiston kanssa. keinotekoista timanttia Kuva: Roger Eriksson / ESS hiukkaskiihdyttimet

Volframiin osuvat protonit lennättävät neutroneja ympäriinsä. Ne ohjataan 42 portin kautta ulos monoliitista tutkimuslaitteille, tosin vain muutamalle kerrallaan. Porttien sisällä on muun muassa vettä, jonka tehtävänä on hidastaa ulos kiirehtiviä neutroneita noin tuhannen kilometrin tuntinopeuteen. Liian nopeasti liikkuvia neutroneita ei voisi käyttää mittauksissa.

Koska protonisuihku on hyvin voimakas, kuumenee kohtio niin paljon, että sitä pitää aktiivisesti jäähdyttää heliumilla. Se, että kohtio pyörii, auttaa myös viilentämisessä.

Protonisuihku tehdään hiukkaskiihdyttimellä, josta tulee maailman tehokkain laatuaan. Kiihdytin on suora, niin sanottu lineaarikiihdytin. Kaikkiaan laitteen pituus on kilometrin verran, mutta sen hiukkasia kiihdyttävä osuus on 600 metriä. Protonit synnytetään aivan aluksi ionilähteessä ja lopulta ne kiitävät nopeudella, joka on noin 92 % valon nopeudesta.

Kiihdytintunneli
Kirjoittaja ihmettelemässä ESS:n kiihdytintunnelia sellaisena kuin se oli vuoden alussa. Taustalla on liki kilometrin pituinen halli. Kiihdytintunneli hiukkaskiihdyttimet

Hiukkassuihku ei ole päällä koko aikaa, vaan kiihdyttimellä tehdään pulsseja. Paitsi että kohtiosta syntyvän neutronisäteilyn "kirkkaus" on noin sata kertaa nykyisin käytössä olevia tutkimuslaitteita parempi, ovat pulssien pituudetkin suurempia, jopa lähes kolme millisekuntia.

Iso ja pitkä rakennushanke

ESS:n tekeminen alkoi virallisesti syyskuussa 2014, mutta laitosta on suunniteltu jo hyvän aikaa sitä ennen. Kuten isojen kansainvälisten tutkimushankkeiden kanssa aina, on myös politiikalla ollut suuri merkitys.

Virallisesti ESS on nimeltään European Spallation Source ERIC, ja ERIC puolestaan on Eurooppalainen tutkimusinfrastruktuurikonsortio eliEuropean Research Infrastructure Consortium. Se ei ole suoranaisesti Euroopan unionin alainen, mutta on sen lainsäädännöllisissä puitteissa toimiva kansainvälinen yhteistyöorganisaatio ja luonnollisesti osa yleistä eurooppalaista tutkimusinfrastruktuuria. Kustannuksista vastaa 13 maata, joiden joukossa Suomi ei ole.

tutkijat esitttelevät polttokennoa
Sveitsiläisen Paul Scherrer -instituutin tutkijat Victoria Manzi ja Muriel Siegwart esittelevät polttokennoa eli laitetta, jonka avulla voidaan tuottaa sähköä vedyn avulla. Sellaistenkin toimintaa voidaan tehostaa neutronikuvauksen avulla. tutkijat esitttelevät polttokennoa Kuva: Natasa Diklic, PSI hiukkaskiihdyttimet

Idea suuresta neutronitutkimuslaitoksesta syntyi 1980-luvulla, kun Isossa-Britanniassa käynnistettiin pienikokoinen laitos ja tutkijat luonnollisesti halusivat jotain parempaa. Neutronitutkimus osoittautui niin kiinnostavaksi ja tärkeäksi, että 1990-luvun lopussa maailman Taloudellisen yhteistyön ja kehityksen järjestön OECD:n puitteissa pohdittiin maailmanlaajuisten keskusten perustamista. Niitä olisi tehty kolme: yksi Pohjois-Amerikkaan, yksi Aasiaan ja yksi Eurooppaan.

Euroopassa hanketta vatuloitiin useissa eri ehdotuksissa, kunnes vuonna 2003 sellaisen tekemisestä päätettiin ja laitoksen avajaisia suunniteltiin vuodeksi 2019. ESS-hankkeen jäsenmaiden määräksi tuli 13, ja niiden kesken päätettiin sijoittaa laitos Ruotsiin, Lundiin. Ehdokkaita olivat myös Bilbao Espanjassa ja Debrecen Unkarissa.

Hankkeen kannalta tärkeä datakeskus tulee Tanskaan, Kööpenhaminaan, siis Lundista katsottuna vain parin kymmenen kilometrin päähän.

Kiihdytinosa
Näytepalanen kiihdyttimestä. Protonit kiitävät halkaisijaltaan vain viitisen senttiä olevan pitkän, ilmasta tyhjäksi pumpatun putken sisällä. Suuri haaste sen tekemisessä on se, että pitkän putken pitää olla täsmälleen suora. Lisäksi hiukkasten hallitseminen vaatii paljon ohjauslaitteita. Hiukkasia pidetään aloillaan magneetein ja kiihdytetään taajuudeltaan vaihtelevan sähkökentän avulla. Näistä laitteista tulee erilaisia mötiköitä putken ympärille. Kiihdytinosa Kuva: Jari Mäkinen hiukkaskiihdyttimet

Nyt ESS:n rakennustyöt ovat jo pitkällä ja ensimmäisiä tutkimuslaitteita on alettu asentamaan paikalleen. Ellei yllätyksiä tule, on ESS toimintakuntoinen vuonna 2022, mutta varsinaiseen tutkimustoimintaan se päässee vasta noin vuoden kestävän säätämisen jälkeen eli 2023. Täysin valmis ESS on näillä näkymin vuonna 2025, mutta jo nyt tutkijat tietysti miettivät, miten siitä saisi sen jälkeen viritettyä vieläkin paremman.

Kiinnostavaa hankkeessa on myös se, että ESS aikoo olla maailman ensimmäinen täysin uusiutuvalla energialla toimiva suuri tutkimuslaitos. Apuna tässä on tuulivoima, ja hankkeessa onkin varattu rahaa Tanskan eteläosissa olevan Nystedin tuulivoimapuiston laajentamiseen.

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Tiede

  • Näin Kerttu oppii uuden taidon – kana on avain kaikkien eläinten kouluttamiseen

    Kanojen avulla koulutustekniikka hioutuu tarkaksi.

    Näin Kerttu oppii uuden taidon – kana on avain kaikkien eläinten kouluttamiseen Tässä on Kerttu, ihan tavallinen kotkottaja Nurmijärveltä. Sillä on kenties kananaivot – mutta niillä pystyy upeisiin suorituksiin. Katso vaikka! Rohkean luonteensa ansiosta Kerttu on saanut töitä läheisen Koirakoulu Vision kanakursseilta, kuten muutamat muut reippaat lajitoverinsa.

  • Isovanhempiemme huonot kokemukset voivat näkyä geenitasolla epigeneettisinä vaikutuksina jopa kolmanteen sukupolveen saakka

    Perimän epigenomi muuttuu ympäristön vaikutuksesta.

    Ihminen on kuin perimänsä. Geenimme ovat määrätty syntymähetkellä eivätkä ne muutu elämän aikana. Mutta miltä kuulostaa ajatus, että isoisäsi tai isoäitisi huonot elämäntavat ja kokemukset tulisivatkin näkyviin elämässäsi? Kenties suurempana riskinä vaikka 2-tyypin diabetekselle, sydän- ja verisuonitaudeille tai psyykkisille häiriöille.

Uusimmat sisällöt - Tiede