Obwarzanek za 200 milionów

Email Drukuj PDF

Niestety, nie obejdzie się bez wielkich liczb. I to liczb abstrakcyjnie wielkich. Na początek weźmy 150 milionów. Tyle kilometrów dzieli Ziemię od Słońca. Sporo, prawda?

A przecież nawet z tak wielkiej odległości blask naszej gwiazdy jest oślepiający. Słońce świeci tak silnie, że patrzenie nań okiem niezabezpieczonym musi dla oka skończyć się fatalnie.

Czy więc można sobie wyobrazić światło miliard razy silniejsze od słonecznego? Nie sto, nie tysiąc, nie milion – tylko właśnie miliard razy! Takie właśnie światło „produkuje” od kilku miesięcy najbardziej zaawansowany instrument nauki polskiej – synchrotron „Solaris”. O ile jednak Słońce jest swego rodzaju gigantycznym piecem, w którym światło powstaje w wyniku niebywale gorących reakcji termojądrowych (zachodzących w temperaturze wielu milionów stopni), o tyle „Solaris” działa bez tego typu fajerwerków. W budynku, w którym powstaje światło miliarda słońc, komfort cieplny jest taki sam jak w zwykłym biurze.

Na początku był cyklotron (przy Plantach)

Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego „Solaris” powstało w Krakowie, a konkretnie na kampusie Uniwersytetu Jagiellońskiego w Pychowicach. Jest międzywydziałową jednostką najstarszej polskiej uczelni. Niezwykły przyrząd badawczy bardzo pasuje do miejsca, w którym się znalazł, bo przypomina… krakowski obwarzanek! Sercem synchrotronu jest bowiem pierścień, w którym rozpędzone elektrony niemal dorównują prędkością światłu. Ale nie owo pokrewieństwo kształtu zadecydowało oczywiście o lokalizacji urządzenia, tylko ranga krakowskiego środowiska naukowego, które zasłużyło sobie na takie laboratorium dziesiątkami lat wytężonej pracy w dziedzinie fizyki cząstek.

Badania nad fizyką cząstek rozwinęły się w Krakowie po II wojnie światowej, gdy skupiło się tu grono znakomitych uczonych na czele z przybyłym z Wilna znanym w świecie badaczem Henrykiem Niewodniczańskim. Już w połowie lat 50. XX wieku zbudowano swego rodzaju praprzodka „Solarisa”. Był to niewielki cyklotron, uruchomiony w ówczesnej siedzibie fizyków Uniwersytetu Jagiellońskiego – w Collegium Witkowskiego, na rogu Plant i ulicy Gołębiej. Wykonany własnymi rękami, na podstawie wiedzy zaczerpniętej z książek, był pierwszym tego typu przyrządem badawczym w Polsce. Nieco później do Instytutu Fizyki Jądrowej w Bronowicach trafił znacznie większy cyklotron zakupiony w Związku Radzieckim. Już wtedy doceniono znaczenie krakowskiej fizyki, odstępując od zamiaru przekazania cennego przyrządu w ręce środowiska badaczy warszawskich. Teraz w IFJ pracuje trzeci już cyklotron AIC-144.

Chcąc jednak prowadzić zaawansowane badania, krakowscy naukowcy musieli podróżować do ośrodków wyposażonych w bardziej nowoczesną aparaturę, np. do Hamburga czy Grenoble. Od lat marzono więc w Krakowie o zbudowaniu własnego synchrotronu. Warunki po temu pojawiły się wraz z otwarciem przed nauką polską dostępu do funduszy Unii Europejskiej. Skierowanie w 2006 r. stosownego wniosku do Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego przyniosło oczekiwany efekt. W kwietniu 2010 r. zawarta została umowa między resortem a UJ w sprawie dofinansowania projektu ze środków unijnych. Budowa obiektu ruszyła na początku 2012 r. Oficjalne otwarcie Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego „Solaris” nastąpiło 21 września 2015 r. Ważniejsza jednak, warta zapisania w annałach, jest data 19 czerwca 2015 r.: prawie rok temu tego dnia po raz pierwszy uzyskano światło synchrotronowe.

„Solaris”… Solaris? Tak, tak! Nazwa centrum nieprzypadkowo nawiązuje do głośnej, dwukrotnie ekranizowanej powieści Stanisława Lema. Gdy poszukiwano odpowiedniej nazwy dla powstającego ośrodka, skojarzenie z książką cenionego pisarza, opowiadającego o świecie przyszłości, uznano za najwłaściwsze, bowiem bohaterowie Solaris w swoich poszukiwaniach rozwiązania zagadki myślącego oceanu starają się przesunąć granice ludzkiego poznania. A to będzie głównym zadaniem naukowców pracujących w Pychowicach.

Jak w pobliżu czarnych dziur

Czas wyjaśnić – bodaj pokrótce – czym jest synchrotron.

Pierwsza połowa XX wieku obfitowała w serię eksperymentów i odkryć, które ukształtowały w znacznym stopniu naszą wiedzę o budowie materii. Dużą rolę w tych badaniach odegrały pierwsze akceleratory służące do przyspieszania cząstek naładowanych. W 1931 roku amerykański fizyk Ernest Lawrence zbudował akcelerator, w którym cząstki mogły krążyć dzięki zakrzywianiu toru ich lotu w polu magnetycznym, co pozwalało znacznie zwiększać ich energię. Był to cyklotron. Za jego wynalezienie Lawrence otrzymał w 1939 r. Nagrodę Nobla z fizyki.

Cyklotron miał jednak pewne ograniczenia wynikające z teorii względności Einsteina, dlatego w połowie lat czterdziestych wymyślono synchrotron. W pierścieniu synchrotronu cząstki krążą po orbicie niemal dokładnie kołowej o stałym promieniu, rozpędzane przez cyklicznie zmieniające się pole magnetyczne. Ponieważ masa przyspieszanych cząstek rośnie wraz ze wzrostem prędkości (zgodnie teorią Einsteina), w synchrotronie odpowiednio wzrasta siła zakrzywiająca tor cząstek. Umożliwia to wielokrotne zwiększanie energii przyspieszanych cząstek, przy zachowaniu orbity ruchu o niezmiennym promieniu.

Tak przyspieszone do olbrzymich prędkości cząstki stają się źródłem niebywale intensywnego promieniowania elektromagnetycznego. W naturze promieniowanie o podobnym natężeniu pojawia się jako efekt gigantycznych procesów zachodzących na skutek wpływu na otoczenie supermasywnych czarnych dziur.

Po co nam synchrotron


Do tej pory na świecie zbudowano ok. 60 synchrotronów. Oddały one nauce nieocenione usługi. Pozwoliły dokonać spektakularnych odkryć nie tylko w tajemniczym świecie cząstek, ale również w dziedzinach bliższych naszemu codziennemu doświadczeniu. Z dobrodziejstw promieniowania synchrotronowego korzysta się dziś w chemii, geologii, biologii, medycynie, farmakologii, inżynierii materiałowej, krystalografii, a nawet w badaniu… dzieł sztuki. Potraktowany silną wiązką promieni X z synchrotronu obraz Vincenta van Gogha Pastwisko w kwiatach ujawnił pod widoczną warstwą farby drugie malowidło, portret kobiety. W podobny sposób udało się odczytać fragmenty opery Medea włoskiego kompozytora z przełomu XVIII i XIX wieku Luigiego Cherubiniego, który kierując się opinią krytyków, że utwór jest za długi, zamazał półtorej strony partytury swego utworu.

Sekret o wiele odleglejszej przeszłości ujawniono w trakcie badań przeprowadzonych w Europejskim Centrum Synchrotronowym w Grenoble. Poddano tam analizie kosmetyki używane w starożytnym Egipcie i okazało się, że w ich skład wchodzą m.in. laurionit i fosgenit. Ponieważ związki te nie występowały na terenach znanych w starożytności, odkrycie to doprowadziło badaczy do wniosku, że już cztery tysiące lat temu Egipcjanie potrafili przeprowadzać tzw. mokrą syntezę chemiczną. Korzyść z badań synchrotronowych odnieśli też dzisiejsi smakosze. Firma Cadbury zleciła bowiem kilkanaście lat temu badania procesu produkcji czekolady, które wykazały, że dzięki zmianom w procesie technologicznym można znacznie poprawić smak tego wyrobu, a przy okazji zaoszczędzić sporo energii.
Promieniowanie synchrotronowe wykorzystywane jest szeroko w medycynie. Brytyjscy badacze wykorzystali synchrotron Diamond Light Source do oceny poziomu żelaza w pojedynczych neuronach w mózgach osób dotkniętych parkinsonizmem, co jest ważne z punktu widzenia wczesnego diagnozowania choroby. Przytaczany jest też przykład badań, które przyczyniły się do poznania struktury rybosomów. Wyjaśniono dzięki temu, w jaki sposób jest przekazywana informacja genetyczna, co umożliwiło opracowanie antybiotyków blokujących rybosomy bakterii, a odkrycie zostało uhonorowane Nagrodą Nobla.

Dodajmy jeszcze, że wyniki penetracji materiałów światłem synchrotronowym znajdują zastosowanie w innowacyjnych gałęziach przemysłu. Można w ten sposób poznać skład badanego materiału, przyjrzeć się jego strukturze, a nawet stymulować zachodzące w jego wnętrzu procesy. Posługując się na co dzień różnymi urządzeniami, nie zdajemy sobie sprawy, że ich zalety to zasługa badań wykonanych z użyciem światła synchrotronowego.

Na UJ, ale dla całej polskiej nauki

Krakowskie centrum synchrotronowe kosztowało – to jeszcze jedna wielka liczba w tej opowieści – blisko 200 milionów złotych. Powstanie ośrodka było możliwe dzięki pozyskaniu środków z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007–2013. Sam instrument badawczy został zbudowany we współpracy ze specjalistami szwedzkimi. Udostępnili oni projekt jednego z dwu pierścieni budowanych u siebie, w centrum synchrotronowym Max IV Laboratory na uniwersytecie w Lund. Nasz „Solaris” jest repliką tego obiektu. Dodajmy: obiektu tak nowoczesnego, że artykuł na temat zastosowanych w nim rozwiązań zdecydował się opublikować prestiżowy periodyk „Nature”. Współpraca ze Szwedami była korzystna dla obu stron, bowiem budowę naszego synchrotronu rozpoczęto wcześniej i specjaliści z drugiej strony Bałtyku mogli przyjrzeć się tej pracy, zanim rozpoczęli montaż u siebie.

„Solaris” to przede wszystkim wspomniany już olbrzymi „obwarzanek”, czyli pierścień o obwodzie 96 metrów. Znajduje się on w hali położonej trzy metry poniżej poziomu terenu. Elektrony krążące w pierścieniu wytwarza tzw. działo elektronowe, a następnie są one wstępnie rozpędzane w akceleratorze liniowym liczącym ok. 50 metrów długości. Tak przyspieszona wiązka jest wstrzeliwana do pierścienia, w którym jest 12 potężnych elektromagnesów, rozmieszczonych na obwodzie w równych odległościach. To właśnie wytwarzane przez nie pole magnetyczne zmusza elektrony do krążenia wewnątrz pierścienia.

Choć urządzenie jest zlokalizowane na Uniwersytecie Jagiellońskim, ma służyć – co podkreśla dyrektor centrum prof. Marek Stankiewicz – całemu środowisku naukowemu w Polsce. W pierwszych miesiącach funkcjonowania ośrodka umowy o współpracy z Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego „Solaris” podpisały obie krakowskie uczelnie techniczne – w styczniu Politechnika Krakowska (której specjaliści wcześniej zadbali o izolowanie obiektu od wpływów zewnętrznych, m.in. drgań wywoływanych przez przejeżdżające w pobliżu tramwaje), a niebawem także Akademia Górniczo-Hutnicza. Prowadzeniem tu eksperymentów jest zainteresowanych wiele zespołów z całego kraju. Swoje badania będą mogli wykonywać nie tylko utytułowani naukowcy, ale także studenci przygotowujący prace dyplomowe. Nie trzeba tłumaczyć, jak duże znaczenie dla młodych ludzi kończących studia będzie miał kontakt, jeszcze przed rozpoczęciem kariery zawodowej, z tak zaawansowaną aparaturą.

Oficjalne otwarcie NCPS „Solaris” we wrześniu ubiegłego roku nie oznaczało zakończenia prac nad wyposażaniem centrum w potrzebne oprzyrządowanie. Do dyspozycji naukowców oddano dwie linie badawcze z trzema stacjami pomiarowymi, ale aby potencjał akceleratora mógł być w pełni wykorzystany, konieczne jest utworzenie kilkunastu linii badawczych i nawet ćwierć setki stacji pomiarowych. Będą powstawać w miarę pozyskiwania funduszy. W centrum zdolnym do wykorzystywania w pełni swego potencjału naukowego będzie można prowadzić eksperymenty użyteczne dla różnego typu jednostek badawczych, a także dla przemysłu. Przykładowo wymienia się takie obszary jak: fizyka półprzewodników, fizykochemia materiałów, badania nowych materiałów elektronicznych i nanostruktur, realizowanie komplementarnych technik spektroskopowych i mikroskopowych.

Do jakich wyników „Solaris” doprowadzi posługujących się nim uczonych? Jakie zagadki pozwoli rozwiązać? A może postawi badaczy w obliczu tajemnicy podobnej do tej, przed jaką stanęli bohaterowie powieści Lema? Kto wie…

Lesław Peters

Zdjęcia: Jan Zych

Artykuł opublikowany w czerwcowym (2016) numerze miesięcznika "Kraków"

Komentarze  

 
0 #1 Alphonso 2017-09-16 01:48
Czy tekst jest wartościowy i wiele wnosi? Nie wiem. Ale jest bardzo ciekawy i dobrze napisany.


Check out my page prace inżynierskie: http://www.slonecznaakademia.pl/kontakt.html/
Cytować
 

Dodaj komentarz

Kod antysapmowy
Odśwież