1300 fysikere fra hele Europa går nå sammen om å bygge verdens kraftigste nøytronkanon i Lund i Sverige. Anlegget skal kunne brukes til å gjennomlyse materialer og proteiner tretti ganger mer detaljert enn hva som er mulig i dag. (Illustrasjon: ESS)
1300 fysikere fra hele Europa går nå sammen om å bygge verdens kraftigste nøytronkanon i Lund i Sverige. Anlegget skal kunne brukes til å gjennomlyse materialer og proteiner tretti ganger mer detaljert enn hva som er mulig i dag. (Illustrasjon: ESS)

Knuser atomer for å lage fremtidens legemidler og solceller

Skandinavia får nå verdens kraftigste nøytronkanon for å kunne studere hvordan atomene henger sammen i alt fra menneskeproteiner til spektakulære materialer. Prislapp: tre operabygg.

Publisert

ESS

European Spallation Space (ESS) er den nye nøytronkanonen i Lund. Den skal brukes til å avfotografere molekylstrukturen i proteiner og materialer.

Når partikkelakseleratoren skyter protoner på en metallklump, bestående av grunnstoffet wolfram, blir det slått løs en mengde nøytroner. Nøytronene blir skutt igjennom det som skal analyseres.

Ved å studere hvordan nøytronene endrer retning, er det mulig å beregne plasseringen og typen til alle atomene i molekylet. For første gang i historien blir det også mulig å se verdens minste atomer, hydrogenatomene.

Nøytroner er de nøytrale partiklene i atomkjernen. Protoner er de ladde partiklene i atomkjernen.

Mulighetene:

  • Kan måle de kjemiske reaksjonene i biologiske molekyler
  • Kan designe nanopartikler til medisinsk bruk
  • Kan studere detaljer i proteiner
  • Kan studere hvordan molekylær medisin reagerer med proteiner
  • Kan designe nye materialer til hydrogenlagring, batterier og solceller
  • Kan studere spenninger og sprekker i materialer
  • Kan studere bruk av kjernefysisk avfall

Kanonen skal gjøre det mulig å fotografere molekylstrukturene i materialer og proteiner 30 ganger bedre enn hva som er mulig i dag.

Forbedringen blir som å belyse gjenstander med blits fremfor stearinlys. Den gjør det mulig å avbilde selv de minste atomene i et molekyl.

Den nye nøytronkanonen skal brukes i en rekke viktige eksperimenter innenfor nano- og materialteknologi, fysikk, medisin, farmasi, biovitenskap og arkeologi. Den har fått det klingende navnet European Spallation Space (ESS). Anlegget skal bygges i Lund i Sverige.

Prislapp: 15 milliarder kroner. Det er like mye som tre operabygg. 17 europeiske land er med på dugnaden. Norge bidrar med 375 millioner kroner. Det første spadetaket er tatt, og kanonen er klar til bruk om ni år.

Europa har i dag mer enn 5000 vitenskapsmenn som bruker nøytroner i forskningen sin.

– ESS vil ha stor betydning for europeisk forskning og åpner muligheter for å utvikle helt nye materialer. Den geografiske nærheten gir forskerne våre særlig gode muligheter, påpeker viserektor Knut Fægri ved Universitetet i Oslo (UiO).

Dugnad

Akkurat som tusenvis av fysikere har samarbeidet om å få bygget det krevende partikkelkollisjonsanlegget i Cern, der forskere skulle finne universets minste partikler og forklaringen på hva som skjedde rett etter Big Bang, går fysikere i mange land denne gang sammen om å bygge nøytronkanonen i Lund. Hvert land skal bygge sin del. 1300 forskere er involvert.

– Det blir ingen hyllevare. Maskinene er basert på superledende teknologi som er forsket frem de siste tjue årene. Det er nettopp denne forskningen ESS nyter godt av nå. Alt må designes, testes og forskes frem.

– Vi tøyer grensene for hva som er mulig, forteller ekspert på partikkelakseleratorer, førsteamanuensis Erik Adli på Fysisk institutt ved UiO.

Skyter protoner

Kort fortalt skal anlegget skyte nøytroner i en enorm hastighet inn gjennom de materialene som skal undersøkes. Måten nøytronene skifter retning på, kan brukes til å beregne hvordan strukturen ser ut inne i materialet.

Dette er lettere sagt enn gjort.

Det hele starter med å skyte protoner, som er de ladede partiklene i atomkjernen og akselerere dem opp i en enorm hastighet i en seks hundre meter lang partikkelakselerator.

Bare akseleratoren i seg selv skal settes sammen av mer enn tusen spesiallagde komponenter.

Akselereringen skjer ved å sende protonene gjennom svært sterke elektriske felt med en spenning på to milliarder volt. Spenningen er ni millioner ganger høyere enn i strømkontakten din.

– For å kunne skjønne hvor kraftig akseleratoren er, kan vi sammenligne det med å slenge inn biler på ett tonn i 100 kilometer i timen 14 ganger i sekundet, 24 timer i døgnet året rundt, forteller Erik Adli.

Knuser atomer

Når protonene har kommet opp i høy hastighet, skal de kollidere med og slå løs nøytroner fra et nøytronrikt metall, bestående av grunnstoffet wolfram.

Selv om anlegget skal gå døgnet rundt, har den bæreposestore klumpen med wolfram nok nøytroner til et helt års forbruk.

For hvert proton som sendes inn i wolframklumpen, skal det slås løs 20 nøytroner. Det kan derfor kjøres 20 parallelle eksperimenter samtidig. Oppløsningen vil bli overveldende god.

– Det vil bli mulig å se detaljer så små som en hundremilliontedels millimeter, som er bredden på atomene i et molekyl.

Samtidig vil systemet gjøre det mulig å se hvordan et materiale endrer seg molekylært i en kjemisk reaksjon. Her er det snakk om en tidsoppløsning på en milliontedels sekund.

– Vi kan da se hvordan molekylene reagerer med hverandre.

En av de store utfordringene er å bygge opp en så kraftig protonstråle uten å ødelegge alt på veien. Hvis strålen går feil vei, kan skadene lamme anlegget i flere måneder.

– Akseleratoren må derfor være like robust som en kjernereaktor, poengterer Erik Adli.

Reagerer på medisiner

Nøytronkanonen kan brukes til å få en dypere forståelse av hvordan cellene våre reagerer på legemidler.

– Med ESS kan vi gjøre mange nye typer målinger på biologiske molekyler og studere de kjemiske reaksjonene i mikrosekunder. Det er ikke mulig i dag. Vi kan også lage nanopartikler til medisinsk bruk, forteller postdoktor Reidar Lund.

Forsker Preben Morth ved Norsk senter for molekylærmedisin, har tatt et dypdykk i hvordan proteiner pumper ioner, som altså er ladde atomer, gjennom celleveggene for å opprettholde likevekten av salter i cellene.

– ESS åpner muligheten for en mer dyptgående forskning i strukturell biologi, forteller Morth og trekker frem muligheten til å teste ut hvordan medisiner reagerer på molekylnivå i cellene.

– Tabletter inneholder molekyler som kommer fra den kjemiske industrien. Det er viktig å teste hvordan de kunstige molekylene reagerer i kroppen, slik som hvordan de reagerer med proteiner i cellene og påvirker dynamikken i cellemembranene. Vi vil gjerne forstå dette nøyaktig, poengterer Preben Morth.

Avslører proteiner

Professor K. Kristoffer Andersson på Institutt for biovitenskap ved UiO sier nøytronkanonen kan gi ny informasjon om strukturen og funksjonen til proteiner.

– ESS gjør det mulig å se små, viktige detaljer i proteiner, som er meget vanskelige å få øye på med vanlig røntgen. Ett eksempel er hydrogenbindingene med andre atomer. Forskningsanlegget kan derfor gi oss ny informasjon som kan bli viktig for å utvikle nye legemidler, sier Andersson.

Professor Ute Krengel på Kjemisk institutt forsker på proteiner i levende celler og er nå i gang med å finne ny medisin mot tuberkulose.

Noen ganger drar hun til «den europeiske synkrotronen », en kraftig røntgenmaskin, i Grenoble for å undersøke proteiner. Synkrotronen har en svær strålekilde med en omkrets på nesten en kilometer. Uheldigvis påvirker røntgenstråler ømfintlige, biologiske prøver.

– Derimot er det nesten ingen stråleskader på materialet når man bombarderer det med nøytroner, fremhever Krengel.

Helt nye materialer

Materialforskerne vil også ha stor glede av nøytronkanonen.

– Nøytroner er svært egnet for å trenge inn og avdekke spenninger og sprekker i forskjellige typer metaller og materialer uten å ødelegge dem. Med ESS kan vi for første gang observere hydrogenatomer i faste materialer, sier Bjørn Hauback.

Han er både professor på Fysisk institutt ved UiO og forskningsleder på avdeling for fysikk ved Institutt for energiteknikk på Kjeller.

– Dette er viktig for å kunne forske på materialer til hydrogenlagring, brenselceller, batterier og solceller, poengterer Hauback.

Kjemiprofessor Helmer Fjellvåg på UiO har 30 års erfaring med nøytronanalyser.

– ESS kan bli viktig for norsk materialforskning og vil være et svært viktig supplement til røntgenbaserte studier når man skal studere kontraster mellom nabogrunnstoffer i det periodiske systemet og bindinger mellom lette og tunge grunnstoffer, påpeker Fjellvåg.

Atomkraftverk

ESS kan også brukes til å studere nye egenskaper i den neste generasjonen kjernekraftreaktorer. Her skal det brukes nøytroner med større bevegelsesenergi enn i dagens reaktorer.

– Ved å bruke høyere bevegelsesenergi på nøytroner, kan vi benytte andre typer isotoper som brensel enn i dag. Ett eksempel er Thorium, sier stipendiat Sunniva Rose.

– Vi kan også bedre bruken av fossilt materiale. Det betyr at vi kan bruke mer atomavfall til energi og dermed kvitte oss med mer av det gamle avfallet, sier hun.

Ett av mange verktøy

Forskningsdekan Svein Stølen på det Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet ved UiO påpeker at ESS helt klart vil sprenge vitenskapelige barrierer.

– Nøytroner kan brukes til å avsløre struktur og dynamikk i molekyler og faste stoffer. Men det er ikke slik at dette anlegget nødvendigvis direkte og alene gir nye materialer og medisiner, selv om det er det politikerne ønsker å høre.

– Men jeg er overbevist om at anlegget, i kombinasjon med andre forskningsanlegg, vil være viktig, poengterer Svein Stølen, som minner om at materialforskerne trenger en svær verktøykasse og at ESS bare er ett av de mange verktøyene forskerne trenger, sier Stølen.