- Man kan se det lidt som materialeforskningens schweizerkniv.
Sådan beskriver forskningsingeniør ved DTU Peter Kjær Willendrup den neutronaccelerator, som Danmark og Sverige er gået sammen om at etablere i Lund over de kommende år.
Projektet har fået navnet European Spallation Source (ESS), og mandag inviterede Big Science Sekretariatet, der er den danske organisation for kommerciel deltagelse i opbygningen af bl.a. ESS, virksomheder og interessenter inviteret til konference på DTU, for at høre om mulighederne for at blive en del af projektet. Et projekt, der skal være med til at teste og forme fremtidens materialer.
Verden største neutronaccelerator
- Neutronacceleratoren bliver den største af sin art i verden, fortæller Peter Kjær Willendrup til dr.dk/viden. Vi regner med, at op mod 5000 videnskabsfolk fra hele verden årligt vil besøge og benytte acceleratoren til at lave målinger.
ESS-neutronkilden er baseret på en protonaccelerator og kommer til at fungere som en samling mikroskoper, der kan studere materialer ned på mikro- og nanoniveau. De fleste kender nok acceleratorerne på CERN, men hvor CERN stiler mod at forstå universets sammensætning, for eksempel med fundet af Higgs-partiklen, så fokuserer ESS mere på anvendelig forskning, og er i langt højere grad rettet mod industrien, forklarer Peter Kjær Willendrup.
ESS vil ud over selve neutronkilden bestå af en stribe forskellige neutron-instrumenter, der kan måle inden for en række forskellige områder, forklarer han. Han nævner blandt andet biologiske materialer ned til nanometerskala som fedtkugler i mælkeprodukter og strukturer af protein, men instrumenterne vil også kunne bruges til at måle på magnetiske materialer, samt forskning i nye materialer som superledere.
Særlige danske kompetencer
Tilbage i 2009 blev det besluttet, at ESS skulle placeres i Sverige med Danmark som medvært. Med i opløbet var også Ungarn og Spanien. Peter Kjær Willendrup fortæller til dr.dk/viden, at der indtil år 2000 faktisk var en dansk neutronkilde i form af reaktoren DR3 på forskningscenter Risø ved Roskilde, men at den nu er lukket.
Til gengæld sidder der stadig en lang række kompetencer hos danske forskere. Særligt inden for beregninger og databehandling, råder danskerne over ekspertviden og har også store regnemaskiner til rådighed. Derfor bliver der også oprettet et særligt Databehandlingscenter i København, hvor al analyse af målinger fra acceleratoren skal finde sted.
Peter Kjær Willendrup kommer selv fra gruppen NEXMAP ved DTU Fysik, der undersøger hvordan røntgen- og neutronstråler som i den kommende accelerator, kan bruges til at undersøge materialer, og er derudover teknisk projektleder på projektet McStas, der skal bruges til at simulere ESS' måleinstrumenter.
Neutroner som måleapparat
Neutronkilden på ESS er tilknyttet en række instrumenter, som man kan betragte som forskellige mikroskoper. Første del af kilden er et kammer, hvor en gas af hydrogen varmes op. Hydrogen består af en enkelt proton, samt en elektron. Protoner og elektroner er hinandens modstykker, og har henholdsvis positiv og negativ ladning. Neutronen optræder i større grundstoffer, og er som navnet antyder neutral. Neutronen og protonen findes i et stofs kerne og har masse og vægt (selvom det er utroligt lidt), mens elektronen næsten er masseløs i forhold til de to andre.
Når man bruger spallation, som navnet European Spallation Source hentyder til, tager man en partikel med en masse, her en proton, og skyder den ind i en større kerne med utrolig høj fart. I acceleratoren i Lund, varmer man hydrogengassen op, sådan at den på et tidspunkt afgiver sine elektroner. Tilbage har man så de enlige protoner, som accelereres op til en hastighed tæt på lysets.
I Lund bliver tunnelen til at accelerere protonerne lige under 500 meter. Herefter rammer de et mål, et såkaldt target af Wolfram, og vil her skyde nogle neutroner væk fra Wolframkernen. Neutronerne bliver nu passende nedkølet i såkaldte moderatorer, og kan derefter bruges til målingerne i de enkelte neutron-instrumenter.
Instrumenter til 3D-scanning og materialestruktur
I 2019 står protonacceleratoren og neutronkilden færdig, og Peter Kjær Willendrup fortæller til dr.dk/viden, at også de første syv instrumenter vil være på plads og klar til at foretage målinger. De næste par år vil der gradvist blive tilknyttet flere og flere instrumenter, indtil der i 2025 er åbnet de indtil videre planlagte 22 instrumenter.
Allerede nu er der dog stor interesse omkring projektet, og Peter Kjær Willendrup fortæller, at de forestiller sig, at der kan blive plads til helt op til 40 instrumenter med en række forskellige funktioner. Som eksempel kunne det være et instrument, der sender specifikke bølgelængder af neutronstråler ind imod et materiale og hvor afstande i materialet kan måles helt ned til atomniveau ved hjælp af diffraktion.
Et andet eksempel kunne være et instrument, der udnytter at neutroner er gode til at "se" hydrogenatomer, og derfor kan bruges til at lave 3D-scanninger af kørende processer en i hydrogen-brændselscelle.
Næste skridt er byggefasen
Projektet er nu på vej ind i byggefasen, og da den politiske opbakning allerede er på plads, mangler nu kun den sidste finansiering. Peter Kjær Willendrup forklarer, hvordan Danmark, Norge og Sverige har indvilget i at betale halvdelen af projektet, mens resten skal hentes hos de europæiske samarbejdslande. Indtil videre har landene tilkendegivet, at de vil støtte projektet, så i løbet af efteråret skal den endelige fordeling af beløbet besluttes.
Dernæst kommer selve byggefasen, der for alvor går i gang til næste sommer, og i 2019 flyver så endelig de første neutroner.