ESS – European Spallation Source

ESS tak otevře nové možnosti při zkoumání světa, který nás obklopuje, a vytvoří nové příležitosti pro výzkum v široké škále oborů, jako jsou například molekulární biologie a chemie, lékařství, materiálové inženýrství, energetika, částicová fyzika nebo ochrana životního prostředí a kulturního dědictví. Neutronový zdroj v ESS bude pracovat na principu tříštění těžkých jader (spallation). Jde o druh jaderné reakce, při níž částice (například proton) s velmi vysokou energií narazí do jádra těžkého atomu, které se tak rozpadne a uvolní mimo jiné značné množství neutronů. V případě ESS budou protony urychleny v 600 m dlouhém lineárním urychlovači na 95 % rychlosti světla a poté narazí na wolframový terč, kde z každého zasaženého jádra wolframu uvolní desítky neutronů s vysokou energií.

Neutrony dále projdou moderátory tvořenými vodou a kapalným vodíkem, kde se zpomalí na energii potřebnou pro výzkum, srovnatelnou s běžnou energií tepelných pohybů atomů. Úzké svazky takto zpomalených neutronů jsou pak odváděny od zdroje k jednotlivým měřicím stanicím. Těch bude celkem 22, každá z nich bude speciálně navržena pro určitý typ experimentu podle toho, jaké vlastnosti látek se na ní budou zkoumat. Každý neutron rozptýlený ve zkoumaném materiálu nese malou část informace o jeho vnitřní struktuře. Kromě vysoké intenzity neutronového zdroje proto hrají důležitou roli velkoplošné detektory neutronů, umístěné na každé z měřicích stanic, které dokáží zaznamenat přesnou polohu a čas detekce jednotlivých rozptýlených neutronů. Vznikne tak obrovský tok dat, který bude soustředěn do velkého datového centra, budovaného v nedaleké Kodani. Odtud bude možné za pomoci výkonných počítačů poskládat informaci nesenou jednotlivými neutrony do obrazu atomové či magnetické struktury zkoumaných materiálů.

Proč ESS? V současnosti existuje v Evropě několik výzkumných zařízení využívajících neutronové zdroje, což vyvolává otázku: „Proč tedy potřebujeme další neutronový zdroj?“ Většina stávajících zdrojů je totiž založena na jaderných reaktorech. Mnohé z nich byly vybudovány v 60. a 70. letech a blíží se tak konci své životnosti, do budoucna proto hrozí nedostatek výzkumné kapacity v tomto oboru. Reaktory také patrně dospěly k maximu svých možností, pokud jde o dosažení maximálního toku neutronů. K tomu se přidávají i problémy bezpečnostní, jako je používání vysoce obohaceného uranu. Při úvahách o nových výkonných zdrojích neutronů tak dostává přednost nová technologie založená na urychlovači částic. Cestou budování vysoce výkonných spalačních zdrojů se vydaly nedávno i Spojené státy a Japonsko.

ESS je budován od základů jako zcela nová mezinárodní výzkumná organizace. Na jeho výstavbě se podílí 17 partnerských zemí, včetně České republiky, a to z velké části formou tzv. „in-kind“ vkladu, tedy vývojem a dodávkou jednotlivých vědeckých a technologických celků. Vědecká obec i průmyslové podniky z těchto zemí tak získají možnost podílet se nejen na vývoji a konstrukci unikátních experimentálních zařízení, ale také na jejich budoucím využívaní. Ročně se předpokládá zapojení 2000–3000 výzkumníků do prováděných experimentů. Převážná část uživatelů bude pocházet z evropských univerzit a výzkumných ústavů, menší část z průmyslu. Naprostá většina kapacity ESS bude přístupná všem potenciálním uživatelům z partnerských zemí na principu tzv. otevřeného přístupu. Měřicí čas bude poskytován na základě výběrových řízení posuzujících kvalitu a vědecký význam prováděného výzkumu.

Také v České republice existuje silná vědecká komunita, která se bude na projektu ESS podílet. Konkrétně se jedná o neutronový difraktometr pro materiálové inženýrství (projekt BEER), na jehož návrhu a výstavbě spolupracuje Ústav jaderné fyziky AV ČR s německými partnery v Helmholtz- -Zentrum Geesthacht. Čeští výzkumní pracovníci se tak mohou podílet na vývoji nejnovějších technologií a zároveň do projektu ESS pomohou zapojit i české podniky. Jak bude ESS financován? Výstavbu a provoz ESS budou členské státy financovat společně, z části formou přímých plateb, z části to budou výše zmíněné „in-kind“ příspěvky. Jednání probíhají jednak na politické úrovni s cílem zajistit výši příspěvků, jednak na technické úrovni – čím každý partner konkrétně přispěje. V cenách roku 2013 byly náklady na výstavbu ESS vyčísleny na 1,843 miliardy eur. Téměř polovina nákladů na stavbu bude pocházet z hostitelských zemí, tedy Dánska a Švédska, druhá polovina z ostatních členských zemí.

Celkové náklady zahrnují i stavbu a vybavení 22 neutronových tras s přístroji do roku 2025. Roční provozní náklady se odhadují na částku okolo 140 milionů eur. Očekávaný český příspěvek do projektu ESS je okolo 1–2 % z celkového rozpočtu ESS, což kromě menší části v podobě přímé platby zahrnuje i již zmíněnou výstavbu neutronového difraktometru a některých dalších technologií, o jejichž konkrétní podobě se v současné době jedná. Věda s využitím neutronů a její dopad na každodenní život Výzkum s pomocí neutronů je nedílnou součástí vědy, která pomáhá zlepšit náš každodenní život, zdraví a životní prostředí. Hraje důležitou roli ve vývoji nových materiálů pro automobilový a letecký průmysl, energetiku, stavebnictví či lékařství. Pomáhá při vývoji lepších počítačových čipů, vysokokapacitních baterií a palivových článků, léčiv, barviv, kosmetiky, textilu nebo plastů. Výsledkem jsou tisíce produktů, které jsou nezbytné pro zlepšení kvality našeho života a udržitelný hospodářský rozvoj. Výzkum využívající neutrony se snaží rozluštit některé z přetrvávajících složitých problémů, se kterými se potýká věda a medicína.

Patří sem například dosud neznámé mechanismy, kterými DNA udržuje život na molekulární úrovni, a přesné pozice, struktura a funkce proteinů, které ovlivňují její strukturu. Intenzivní neutronové svazky v ESS umožní přesněji trojrozměrně modelovat takovéto biologické struktury a studovat, jak proteiny, enzymy a jiné biomolekuly fungují na atomové a molekulární úrovni. Neutronové metody mají vysokou rozlišovací schopnost, pokud jde o struktury obsahující lehké prvky, zejména vodík. Uplatňují se proto významnou měrou například při vývoji nových materiálů pro palivové články, které jsou zdrojem elektřiny pro elektromobily využívající spalování vodíku. Díky neutronům můžeme sledovat transport vodíku v baterii jak na atomové úrovni pomocí neutronového rozptylu, například při přechodu přes membránu mezi elektrodami, tak na makroskopické úrovni metodou neutronové tomografie. Díky schopnosti neutronů pronikat do hloubky materiálů tak lze sledovat, co se děje uvnitř článku během všech fází jeho životního cyklu, a to v „přímém přenosu“ (in operando).

Unikátní vlastnosti nově vyvíjených high-tech materiálů pro průmyslové aplikace, jako jsou například vysoká pevnost, tepelná a chemická odolnost a elasticita, úzce souvisejí s jejich vnitřní strukturou, respektive se schopností materiálů tuto strukturu měnit v závislosti na vnějším tepelném a mechanickém namáhání při procesech zpracování a následném používání. Neutrony umožňují tyto strukturální změny sledovat tzv. „in-situ“, ve speciálních zařízeních, které tyto často extrémní mechanické a tepelné podmínky simulují. Neutronová měření tak pomáhají optimalizovat proces výroby a výsledné vlastnosti nových materiálů pro specifické aplikace. Příkladem jsou třeba vysokoteplotní slitiny, umožňující turbínám leteckých motorů pracovat za vyšších teplot a tím i s nižší spotřebou paliva, nebo speciální lehké slitiny s vysokou pevností. Ty zase zvyšují pasivní bezpečnost automobilů při současném snížení jejich hmotnosti (a tím i spotřeby paliva) nebo zlepšují odolnost stavebních konstrukcí.

Pomocí neutronů lze také odhalit strukturní degradaci materiálů uvnitř strojních komponent v důsledku jejich namáhání při provozu, například akumulaci elastických napětí nebo mikrotrhlin, a tím přispět ke zvyšování jejich bezpečnosti a doby života. Pro tento typ experimentů bude určen neutronový difraktometr pro materiálové inženýrství v ESS, na jehož výstavbě se bude podílet Česká republika. Přesná měření základních fyzikálních vlastností neutronu jsou předmětem experimentů na plánovaném zařízení pro fundamentální a částicovou fyziku v ESS. Výsledky těchto měření budou mít důsledky pro některá základní dilemata, s nimiž se potýká současná částicová fyzika, astrofyzika a kosmologie. Spolupráce s průmyslem V rámci budování spolupráce s průmyslem vyzývá ESS všechny firmy a poskytovatele služeb, aby zaregistrovaly své obchodní profily na webu ESS.