ESS

ESS tak otvorí nové možnosti pri skúmaní sveta, ktoré nás obklopuje, a vytvorí nové príležitosti pre výskum v širokej škále odborov, ako sú napríklad molekulárna biológia a chémia, medicíny, materiálové inžinierstvo, energetika, časticová fyzika alebo ochrana životného prostredia a kultúrneho dedičstva. Neutrónový zdroj v ESS bude pracovať na princípe trieštenia ťažkých jadier (spallation). Ide o druh jadrovej reakcie, pri ktorej častice (napríklad protón) s veľmi vysokou energiou narazí do jadra ťažkého atómu, ktoré sa tak rozpadne a uvoľní okrem iného značné množstvo neutrónov. V prípade ESS budú protóny urýchlené v 600 m dlhom lineárnom urýchľovači na 95% rýchlosti svetla a potom narazí na volfrámový terč, kde z každého zasiahnutého jadra wolfrámu uvoľní desiatky neutrónov s vysokou energiou.

Neutróny ďalej prejdú moderátormi tvorenými vodou a kvapalným vodíkom, kde sa spomalí na energiu potrebnú pre výskum, porovnateľnú s bežnou energiou tepelných pohybov atómov. Úzke zväzky takto spomalených neutrónov sú potom odvádzané od zdroja k jednotlivým meracím staniciam. Tých bude celkom 22, každá z nich bude špeciálne navrhnutá pre určitý typ experimentu podľa toho, aké vlastnosti látok sa na nej budú skúmať. Každý neutrón rozptýlený v skúmanom materiáli nesie malú časť informácie o jeho vnútornej štruktúre. Okrem vysokej intenzity neutrónového zdroja preto hrajú dôležitú úlohu veľkoplošné detektory neutrónov, umiestnené na každej z meracích staníc, ktoré dokážu zaznamenať presnú polohu a čas detekcie jednotlivých rozptýlených neutrónov. Vznikne tak obrovský tok dát, ktorý bude sústredený do veľkého dátového centra, budovaného v neďalekej Kodani. Odtiaľ bude možné za pomoci výkonných počítačov poskladať informáciu nesenú jednotlivými neutróny do obrazu atómovej či magnetickej štruktúry skúmaných materiálov.

Prečo ESS? V súčasnosti existuje v Európe niekoľko výskumných zariadení využívajúcich neutrónové zdroje, čo vyvoláva otázku: "Prečo teda potrebujeme ďalší neutrónový zdroj?" Väčšina existujúcich zdrojov je totiž založená na jadrových reaktoroch. Mnohé z nich boli vybudované v 60. a 70. rokoch a blíži sa tak koncu svojej životnosti, do budúcnosti preto hrozí nedostatok výskumnej kapacity v tomto odbore. Reaktory tiež zrejme dospeli k maximu svojich možností, pokiaľ ide o dosiahnutie maximálneho toku neutrónov. K tomu sa pridávajú aj problémy bezpečnostné, ako je používanie vysoko obohateného uránu. Pri úvahách o nových výkonných zdrojoch neutrónov tak dostáva prednosť nová technológia založená na urýchľovači častíc. Cestou budovania vysoko výkonných spalačních zdrojov sa vydali nedávno aj Spojené štáty a Japonsko.

ESS je budovaný od základov ako úplne nová medzinárodná výskumná organizácia. Na jeho výstavbe sa podieľa 17 partnerských krajín, vrátane Českej republiky, a to z veľkej časti formou tzv. "In-kind" vkladu, teda vývojom a dodávkou jednotlivých vedeckých a technologických celkov. Vedecká obec aj priemyselné podniky z týchto krajín tak získajú možnosť podieľať sa nielen na vývoji a konštrukcii unikátnych experimentálnych zariadení, ale aj na ich budúcom využívaní. Ročne sa predpokladá zapojenie 2000-3000 výskumníkov do vykonávaných experimentov. Prevažná časť užívateľov bude pochádzať z európskych univerzít a výskumných ústavov, menšia časť z priemyslu. Prevažná väčšina kapacity ESS bude prístupná všetkým potenciálnym užívateľom z partnerských krajín na princípe tzv. otvoreného prístupu. Merací čas bude poskytovaný na základe výberových konaní posudzujúcich kvalitu a vedecký význam vykonávaného výskumu.

Aj v Českej republike existuje silná vedecká komunita, ktorá sa bude na projekte ESS podieľať. Konkrétne sa jedná o neutrónový difraktometer pre materiálové inžinierstvo (projekt BEER), na ktorého návrhu a výstavbe spolupracuje Ústav jadrovej fyziky AV ČR s nemeckými partnermi v Helmholtz- -Zentrum Geesthacht. Českí výskumníci sa tak môžu podieľať na vývoji najnovších technológií a zároveň do projektu ESS pomôžu zapojiť aj české podniky. Ako bude ESS financovaný? Výstavbu a prevádzku ESS budú členské štáty financovať spoločne, z časti formou priamych platieb, z časti to budú vyššie spomínané "in-kind" príspevky. Rokovania prebiehajú jednak na politickej úrovni s cieľom zabezpečiť výšku príspevkov, jednak na technickej úrovni - čím každý partner konkrétne prispeje. V cenách roku 2013 boli náklady na výstavbu ESS vyčíslené na 1,843 miliardy eur. Takmer polovica nákladov na stavbu bude pochádzať z hostiteľských krajín, teda Dánska a Švédska, druhá polovica z iných členských krajín.

Celkové náklady zahŕňajú aj stavbu a vybavenie 22 neutrónových trás s prístrojmi do roku 2025. Ročné prevádzkové náklady sa odhadujú na sumu okolo 140 miliónov eur. Očakávaný český príspevok do projektu ESS je okolo 1-2% z celkového rozpočtu ESS, čo okrem menšej časti v podobe priamej platby zahŕňa aj už spomínanú výstavbu neutrónového difraktometra a niektorých ďalších technológií, o ktorých konkrétnej podobe sa v súčasnosti rokuje. Veda s využitím neutrónov a jej dopad na každodenný život Výskum s pomocou neutrónov je neoddeliteľnou súčasťou vedy, ktorá pomáha zlepšiť náš každodenný život, zdravie a životné prostredie. Hrá dôležitú úlohu vo vývoji nových materiálov pre automobilový a letecký priemysel, energetiku, stavebníctvo či lekárstvo. Pomáha pri vývoji lepších počítačových čipov, vysokokapacitných batérií a palivových článkov, liečiv, farbív, kozmetiky, textilu alebo plastov. Výsledkom sú tisíce produktov, ktoré sú nevyhnutné pre zlepšenie kvality nášho života a udržateľný hospodársky rozvoj. Výskum využívajúci neutróny, sa snaží rozlúštiť niektoré z pretrvávajúcich zložitých problémov, s ktorými sa stretáva veda a medicína.

Patrí sem napríklad doteraz neznáme mechanizmy, ktorými DNA udržuje život na molekulárnej úrovni, a presné pozície, štruktúra a funkcie proteínov, ktoré ovplyvňujú jej štruktúru. Intenzívne neutrónové zväzky v ESS umožní presnejšie trojrozmerne modelovať takéto biologické štruktúry a študovať, ako proteíny, enzýmy a iné biomolekuly fungujú na atómovej a molekulárnej úrovni. Neutrónové metódy majú vysokú rozlišovaciu schopnosť, pokiaľ ide o štruktúry obsahujúce ľahké prvky, najmä vodík. Uplatňujú sa preto významnou mierou napríklad pri vývoji nových materiálov pre palivové články, ktoré sú zdrojom elektriny pre elektromobily využívajúce spaľovanie vodíka. Vďaka neutronům môžeme sledovať transport vodíka v batérii ako na atómovej úrovni pomocou neutrónového rozptylu, napríklad pri prechode cez membránu medzi elektródami, tak na makroskopickej úrovni metódou neutrónovej tomografie. Vďaka schopnosti neutrónov prenikať do hĺbky materiálov tak možno sledovať, čo sa deje vo vnútri článku počas všetkých fáz jeho životného cyklu, a to v "priamom prenose" (in operandi).

Unikátne vlastnosti novo vyvíjaných high-tech materiálov pre priemyselné aplikácie, ako sú napríklad vysoká pevnosť, tepelná a chemická odolnosť a elasticita, úzko súvisia s ich vnútornou štruktúrou, respektíve so schopnosťou materiálov túto štruktúru meniť v závislosti na vonkajšom tepelnom a mechanickom namáhaní pri procesoch spracovania a následnom používaní. Neutróny umožňujú tieto štrukturálne zmeny sledovať tzv. "in-situ", v špeciálnych zariadeniach, ktoré tieto často extrémne mechanické a tepelné podmienky simulujú. Neutrónové merania tak pomáhajú optimalizovať proces výroby a výsledné vlastnosti nových materiálov pre špecifické aplikácie. Príkladom sú napríklad vysokoteplotné zliatiny, umožňujúci turbínam leteckých motorov pracovať za vyšších teplôt a tým aj s nižšou spotrebou paliva, alebo špeciálne ľahké zliatiny s vysokou pevnosťou. Tie zase zvyšujú pasívnu bezpečnosť automobilov pri súčasnom znížení ich hmotnosti (a tým aj spotreby paliva) alebo zlepšujú odolnosť stavebných konštrukcií.

Pomocou neutrónov možno tiež odhaliť štruktúrnu degradáciu materiálov vnútri strojných komponentov v dôsledku ich namáhania pri prevádzke, napríklad akumuláciu elastických napätia alebo mikrotrhlín, a tým prispieť k zvyšovaniu ich bezpečnosti a doby života. Pre tento typ experimentov bude určený neutrónový difraktometer pre materiálové inžinierstvo v ESS, na ktorého výstavbe sa bude podieľať Česká republika. Presné merania základných fyzikálnych vlastností neutrónu sú predmetom experimentov na plánovanom zariadení pre fundamentálnu a časticovú fyziku v ESS. Výsledky týchto meraní budú mať dôsledky pre niektoré základné dilemy, s ktorými sa stretáva súčasná časticová fyzika, astrofyzika a kozmológie. Spolupráca s priemyslom v rámci budovaní spolupráce s priemyslom vyzýva ESS všetky firmy a poskytovateľov služieb, aby zaregistrovali svoje obchodné profily na webe ESS.