Artikkel

– Som å bygge et Hubble-teleskop inne i en kjernereaktor

European Spallation Source, ESS, i Lund.
European Spallation Source. Foto: ESS/ Team Henning Larsen Architects

– Som å bygge et Hubble-teleskop inne i en kjernereaktor

Et av verdens viktigste forskningsanlegg, ESS, er under bygging i Sverige. Prislappen er på 18 milliarder kroner og forventingene er skyhøye - også på UiO.

ESS og Norge

European Spallation Source, ESS, blir verdens kraftigste nøytronmikroskop.

Byggekostnadene er beregnet til 1,8 milliarder.

Norge er en av partnerne i ESS og skal bidra med 2,5 prosent av kostnadene, dvs. ca. 440 millioner kroner.

Inntil 175 millioner kroner av det norske bidraget til byggekostnadene kan være i form av in-kind-bidrag der norske forskningsmiljøer utvikler utstyrskomponenter eller andre leveranser til ESS.

Instrumentet som nå skal bygges ved UiO, «Target Proton Beam Imaging System», er et slikt in kind-bidrag, med budsjett på 20 millioner norske kroner.

Merk deg forkortelsen like godt først som sist: ESS, European Spallation Source. UiO-forskere har skyhøye forventninger til at det vil skje gjennombrudd innen material- og livsvitenskap ved ESS.

Byggingen av anlegget til 18 milliarder kroner er bare så vidt startet i Lund. I årene framover kommer vi til å få høre mye mer om dette forskningssenteret.

– Vi skal bygge et instrument som skal kunne ta bilde av noe veldig lite fra lang avstand. I tillegg må utstyret tåle å bli utsatt for kraftig stråling, sier Erik Adli ved UiO.

Han og kollegene ved Fysisk institutt har inngått kontrakt med ESS om å bygge en detektor. 

– Det er sammenliknbart med å skulle lage et romteleskop og plassere det inne i en kjernereaktor, sier Adli.

Erfaring fra CERN og SLAC i California

Hvorfor valgte ESS å inngå kontrakt med UiO-forskerne? Mats Lindroos, leder for akseleratordivisjonen ved ESS svarer slik:

– UiOs akseleratorgruppe er et ungt team med høye ambisjoner og stor kunnskap, med aktiviteter både på CERN og SLAC ved Stanford. Dette sammen med de resultatene de har kunnet vise fra tidligere prosjekter overbeviste oss om at de er rett partner for dette bidraget til ESS’ akselerator-instrumentering.

Erik Adli, Mats Lindroos fra ESS og instituttleder Jøran Moen
Inngikk avtale: Erik Adli, Mats Lindroos fra ESS og instituttleder ved Fysisk institutt, Jøran Moen, av Hilde Lynnebakken/UiO

I ESS er det nøytroner som skal brukes til å studere alt fra DNA til solcellematerialer på atom- og molekylnivå. Nøytroner er tett bundet i atomkjernen sammen med protoner.

For å få tak i «løse» nøytroner brukes kjernereaktorer, eller - som i ESS - kan nøytronene lages ved å skyte protoner med svært høy energi på et metall (wolfram), slik nøytronene slås løs. Metoden kalles spallation, derav navnet på anlegget.

For å akselerere protonene skal ESS bygge den kraftigste lineæreakseleratoren* noensinne.

Lineærakselerator

Partiklene akselereres langs en rett linje, i motsetning til ved LHC, eksempelvis, hvor partiklene går i ring.

Lineærakseleratorer er i bruk blant annet til strålebehandling av kreft.

Verdens første lineærakselerator ble for øvrig designet av nordmannen Rolf Widerøe.

Instrumentet som skal utvikles og lages ved UiO skal ta bilde av protonstrålen like før den slår inn i wolfram-målet. Dette er et ugjestmildt område, for å si det forsiktig, og utstyret som skal plasseres her må tåle kraftig stråling. 

– Vi kan ikke bruke glass og linser som i annen optikk, men må ta i bruk krummede metallspeil istedenfor, forteller Adli.

Akkurat hvordan detektoren skal bygges, vet ikke forskerne. Det finnes jo ikke noe makan instrument i verden.

– Det neste halvannet året skal vi bruke til å lage et detaljert design, sier Adli.

I Oslo er nyansatte Håvard Gjersdal daglig leder for prosjektet, og utviklingen skal foregå i nært samarbeid med partnere på CERN, Stanford og Uppsala i tillegg til eksperter fra ESS.

Midt i 2019 skal første protonstråle i ESS være på plass. Da må også Oslo-detektoren være klar.

En makalös manick - men hva kan den brukes til?

Reidar Lund i Nasjonal røntgenfasilitet (RECX) ved UiO.
Reidar Lund i Nasjonal røntgenfasilitet (RECX) ved UiO, av Hilde Lynnebakken/UiO

En av dem som gleder seg til å ta i bruk ESS i livsvitenskapsforskning, er Reidar Lund ved Kjemisk institutt.

Han er overbevist om at kunnskap på molekylnivå kommer til å gi de største gjennombruddene innen livsvitenskapen i tida framover.

Mye interessant forskning skjer også med hjelp av røntgen-teknologi; men, forklarer Lund:

– Nøytroner gir oss helt spesielle muligheter, og ESS blir verdens beste nøytronmikroskop.

Nøytroner har en kjempestor fordel sammenliknet med røntgen: Med nøytroner er det mulig å se hydrogenmolekyler, og dermed vann.

Vi kan også ”merke” enkelte molekyler for å isolere strukturen av disse blant potensielt sett tusenvis av andre. Da kan vi se på mer og mer komplekse strukturer slik som levende celler. Nøytroner ødelegger heller ikke prøvene slik som røntgenstrålingen i synkrotroner ofte gjør.

Kunnskap om Alzheimer og Parkinson

Livsvitenskap og partikkelakseleratorer

UiO:Livsvitenskap er UiOs største satsing noensinne.

Med satsingen vil UiO skaffe ny innsikt i hva liv er og hva aldring og sykdom er og bidra til å løse samfunnsutfordringer innen helse og miljø.

Livsvitenskap er en plattform for ny næring for Norge og omstilling til en grønnere økonomi med nye tjenester, produkter og arbeidsplasser.

UiO har som mål å gjøre Osloregionen til nordisk kraftsenter for livsvitenskap.

ESS er bare ett av flere eksempler på hvordan banebrytende livsvitenskap nå muliggjøres av partikkelakseleratorer, maskiner som i utgangspunktet har blitt utviklet for partikkelfysikk

Nøytroner gjør det også mulig å se på utvikling i prosesser over tid. Nevrologiske lidelser som Alzheimer og Parkinson skyldes feilfolding av proteiner.

ESS kan gi oss bedre kunnskap om slike mekanismer på molekylnivå og dermed hvordan vi kan stoppe sykdommene.

Med ESS kan forskerne studere prosesser opp imot et mikrosekund, som er omtrent en dobling sammenliknet med dagens nøytronanlegg. – Det gir muligheter til å studere langsomme prosesser som diffusjon, forklarer Lund.

– Vi kan også lage videoer ved å skyte nøytroner i raske pulser og se hvordan materialene forandrer seg på molekyl- og nanonivå. Dette kan med ESS gjøres helt ned til mikro- og millisekundnivå.

– Det blir som å lage molekylære filmer, sier Lund.

– Vi kan se HVA som skjer, ikke bare konstatere at det har skjedd noe.

ESS har også mye mer intens stråling enn de nøytronkildene som brukes i dag. Da blir det mulig å se på stoff som finnes i bare ørsmå mengder, og som finnes i lav konsentrasjon.

– Dette er helt essensielt for biologiske molekyler, som generelt sett bare er tilgjengelig i små mengder. Bare dette vil gi oss en voldsomt ”boost” i mulighetene med nøytroner innenfor molekylær livsvitenskap, forteller Lund.

Naturlige bakteriedrepere

Et konkret eksempel Lund gjerne vil bruke ESS til er å studere en type molekyler som finnes overalt i naturen, og som har anti-bakterielle egenskaper.

De kalles AMP, anti-mikrobielle peptider.

– AMP er veldig effektive bakteriedrepere. Og de har en annen viktig egenskap: De har unngått resistens, forteller Lund.

– Klart vi har lyst til å bruke slike molekyler i bakteriebekjempelse! sier han.

– Men først må vi forstå hvordan de faktisk virker, og der kommer nøytronmikroskopet ved ESS inn: Her vil vi kunne se HVORDAN AMPer faktisk ødelegger cellemembranene til bakteriene.

Les også på Titan.uio.no:

Smartere strøm med nytt materiale

Rundtur i fysikkens mekka

Titan - mikroskopet som kan "se" atomer

Kontakt:

Førsteamanuensis Erik Adli ved Fysisk institutt

Forsker Reidar Lund ved Kjemisk institutt

Les mer:

UiO i partnerskap med sju andre universiteter får 9.5 millioner Euro for nøytron- og synkrotronforskning - UiO-rektor Ottesens blogg

Knuser atomer for å designe fremtidens legemidler og solceller – Apollon

Molekylforskning kan gi ny medisin mot tuberkulose - Apollon

Partikkelakseleratorer: fra partikkelfysikk til samfunnsnytte - Aftenposten Viten

Les også