Mūsų laikais yra daugybė naujų medžiagų: superlaidininkiai, aukštatemperatūriai, nanovamzdeliai, joniniai skysčiai, feroikai. Neutronais pašvietus į jas ir ištyrus, kaip ten jie išsklaidomi, sužinoma, kas dedasi medžiagos viduje - tai, ko iki šiol nebuvo galima sužinoti.
"Tikrai negarantuoju, kad iš karto kurioje nors Lietuvos įmonėje ant konvejerio įdiegtume kokią nors naują medžiagą, pagamintume ką nors pritrenkiančio, bet jei tokių tyrimų nedarysime, labai atsiliksime. Be jokių galimybių kada nors pasivyti kitas pasaulio šalis", - apie dalyvavimą Lunde (Švedija) pradėtame įgyvendinti naujos kartos neutronų gamybos projekte European Spallation Source Scandinavia (ESSS) sakė VU Fizikos fakulteto dekanas V.Balevičius.
ESSS bus didžiausias Europoje ir trečias pasaulyje toks centras. Pranašesnis už jau veikiančius Japonijoje ir JAV. Visos trys Baltijos šalys yra pasirašiusios supratimo memorandumą su Švedijos vyriausybe dėl dalyvavimo šiame procese, tačiau tolesni Lietuvos žingsniai, kai jau reikės prisidėti prie modernaus centro statybos, kelia nerimą Lietuvos mokslininkams.
Lunde neseniai nuspręsta ir dėl sinchotronų šviesos įrangos MAXIV statybos. Baltijos šalių mokslininkai aktyviai naudojasi jau dabar veikiančia MAXlab laboratorija ir yra labai susidomėję naujos kartos įranga. MAXIV bus vienas geriausių sinchotronų šviesos įrenginių
pasaulyje. Kaip LŽ sakė ESSS viešųjų ryšių atstovė Marianne Ekdahl, neutronų ir sinchotronų technologijos paprastai naudojamos tų pačių mokslininkų, todėl Lunde iškilsiantis ESSS, skirtas visoms ES šalims, ir MAXIV, numatytas tik Šiaurės ir Baltijos valstybėms, suteiks daugiau galimybių atlikti kompleksinius tyrimus ir aprėpti skirtingas mokslines sritis.
Kitoje šviesoje
Naujus moderniųjų technologijų žodžius kartais sunku išversti iš anglų kalbos. "Spallation" reikštų ištaškymą, atskėlimą, suskaldymą, o šio metodo esmė, pasak prof. V.Balevičius, - naujos kartos neutronų šaltiniai. Anksčiau neutronai būdavo gaunami reaktoriuose. Kaip dabar atsisakoma kaitrinių lempų, nes jos daugiau energijos išnaudoja pašaliniams dalykams, bet ne šviesai, kuri mums yra reikalinga, taip pat ir reaktoriuose išeikvojama labai daug energijos, o neutronų gaunama nedaug.
"Taikant naująjį "spallation - suskaldymo" metodą į taikinį, dažniausiai gyvsidabrį, iššaunami labai greiti protonai, - aiškino fizikas. - Jie gaunami iš vandenilio. Greitintuve vandenilio dujos jonizuojamos ir atsiradę protonai elektriniu lauku įgreitinami maždaug iki 0,9 šviesos greičio. Kai tokie labai greiti protonai smogia į gyvsidabrio atomus, po maždaug kiekvieno protono šūvio "išsitaško" apie 20-30 neutronų. Labai daug ir tikrai ekologiška neutronų gamyba."
Neutronai reikalingi medžiagoms apšviesti ir yra nepaprastas šviesos šaltinis. Pašvietus į medžiagą ir stebint, kaip neutronai yra jos išsklaidomi, medžiagos struktūroje galima pamatyti, pasak V.Balevičiaus, fantastiškų dalykų.
Kokia kaina?
Greitintuve, kaip populiariai apie būsimo ESSS veikimo mechanizmą papasakojo mokslininkas, protonai, pasiekę tokį greitį, kuris tik 10 proc. besiskiria nuo šviesos greičio, pasidalija į dvi dalis: iš visų 10 megavatų pusė eis į trumpųjų ir pusė - į ilgųjų impulsų stotis, kuriose yra maždaug 1 200 litrų gyvsidabrio talpyklos. Gyvsidabris įdomus tuo, kad jo branduolyje yra labai daug neutronų. Be to, ši medžiaga unikali, nes yra skysta ir pati save šaldo - nereikia aušinimo kaip atominėse elektrinėse.
Pro įvairias skyles išlėkę neutronai keliauja prie ratu apstatytų prietaisų, kuriais atliekami tyrimai. Prognozuojama, kad prie kiekvieno šaltinio stovės maždaug po 22 įvairius prietaisus - atsižvelgiant į tikslus, ką norima medžiagoje pamatyti.
Lietuvos mokslininkai suinteresuoti turėti prieigą prie kurio nors prietaiso, kad galėtų atlikti reikalingus tyrimus. Pasak prof. V.Balevičiaus, susirašinėta su Švietimo ir mokslo ministerija, ji prašė įvertinti kainas, tačiau tyrėjai neįsivaizduoja, kaip jas apskaičiuoti - šis darbas sunkiausias.
Būtų galima palyginti, kiek panašūs tyrimai kainuoja Laue-Langevin institute Grenoblyje, Prancūzijoje, išlaikomame galingiausių Europos valstybių Prancūzijos, Vokietijos, taip pat Rusijos. Ten eksperimentai labai brangūs ir neutronai gaunami iš reaktoriaus. Lunde būtų naujos kartos neutronai ir du kanalai po penkis megavatus protonų, kai JAV pastatyto Oak Ridge nacionalinės laboratorijos centro galingumas - tik du megavatai. Manoma, kad kai kuriais parametrais Lundo įranga net ne penkiskart, o maždaug dešimtis kartų lenks esančias JAV ir Japonijoje.
"Planuojama projekto suma - apie 1,5 mlrd. eurų. Kaip skelbė žiniasklaida, Danija šiemet jau davė 140 mln. eurų. Kiek mes duosime?! - svarstė mokslininkas. - Lietuva neremia Grenoblio, bet aš ten buvau - išmaldos principu. Susitari su valstybėmis, kurios remia, pasiūlai idėją, bet vėliau turi dalytis autoryste."
Nustatytomis valandomis
VU Bendrosios fizikos ir spektroskopijos katedros vadovas prof. V.Balevičius Laue-Langevin institute Grenoblyje 2003 metais atliko labai brangius neutronų difrakcijos monokristaluose tyrimus. Mokslininką domino būtent toks išlekiančių neutronų srautas, kuris leistų nustatyti, kur vandeniliniame ryšyje yra protonas.
"Visos vandens molekulės yra susietos vandeniliniais ryšiais, - aiškino fizikas. - Ir nei rentgenu, nei kitais metodais neįmanoma nustatyti, kuriame taške vandenilio atomas lokalizuotas, o neutronai leidžia tai pamatyti."
Vienas matavimas truko net penkias dienas. Tyrimus parėmė Vokietija ir Slovėnija. Tarpininkavo V.Balevičiaus anksčiau įgyvendinto Alexanderio von Humboldto fondo projekto vadovas Darmštato technikos universiteto profesorius Hartmutas Fuessas. Jis dalyvauja komisijoje, kuri skirsto laiką prie prietaisų, pastatytų aplink išlekiančius iš reaktoriaus neutronus. Slovėnijos nacionalinio chemijos instituto, kuriame dirba pasaulinio garso mokslininkas prof. Dušanas Hadži, laboratorijoje buvo užaugintas monokristalas.
"Lunde, matyt, irgi atsižvelgiant į valstybės indėlį būtų nustatytas tam tikras valandų skaičius dirbti su prietaisais. Paprastai tai labai lankstus dalykas. Jeigu jau yra indėlis, visada gali gauti truputį daugiau valandų, - sakė mokslininkas. -
Svarbiausia, kad esi to projekto dalininkas, o ne išmaldos prašytojas."
Pavyksta arba tik svajojama
Idėjų Lietuvos tyrėjams netrūktų. Nemažai mokslininkų dirba medžiagotyros srityje, sintetina naujas medžiagas. VU Fizikos fakultete įkurtam Medžiagotyros ir taikomųjų mokslų institutui vadovauja prof. Artūras Žukauskas, pasaulyje vertinamas naujos kartos šviesos šaltinių žinovas. VU mokslo reikalų prorektorius, Fizikos fakulteto Radiofizikos katedros profesorius Juras Banys dirba su taip pat labai naujomis medžiagomis feroikais. Pasak prof. V.Balevičiaus, tiriamų medžiagų savybės labai įdomios, o kaip bus pritaikyta - arba pavyksta, arba kartais dar tik svajojama.
VU Chemijos fakultete dirba kelios tyrėjų grupės. Dabar pasaulyje labai madinga tyrimų sritis - joniniai skysčiai. Kelis tokius joninius skysčius jau sėkmingai susintetino organinės chemijos grupė, vadovaujama prof. Sigito Tumkevičiaus. Sėkmingai sintetinamos ir vadinamosios nanostruktūros. Darbo vadovas - prof. Arūnas Ramanavičius. Bendrosios ir neorganinės chemijos katedroje, vadovaujamoje prof. Jurgio Barkausko, jau gaminami ir nanovamzdeliai.
Smalsumo vedami
ESSS neutronų perdavimo centruose, vadinamosiose eksperimentų stotyse, neutronai, kaip pasakojo M.Ekdahl, leis pažvelgti į įvairių rūšių medžiagas ir bus gaunama labai daug sudėtingos informacijos. Tyrėjams suprasti neutronų perduodamus itin sudėtingus molekulių vaizdinius padės labai galingi kompiuteriai. Gauti duomenys bus nagrinėjami superkompiuterių centre ir leis aiškiai įsivaizduoti, kaip atrodo vienos ar kitos medžiagos molekulės. Toks, galima sakyti, jungtinis mikroskopas naudoja neutronus vietoj šviesos, kad būtų galima pamatyti viską atomų lygiu.
ESSS atstovė pabrėžė, kad labai svarbus ir greitintuvo pajėgumas, nes jei pagaminama daugiau neutronų, jų šaltiniai yra galingesni ir galima atlikti išsamesnius mokslinius tyrimus, gauti geresnius rezultatus. Paprasčiau tariant, labai stiprioje šviesoje galima pamatyti daugiau dalykų ir mokslininkams atsiranda naujų galimybių atlikti tyrimus, kurie neįmanomi dabar.
"ESSS bus vienas didžiausių mokslinių pajėgumų pasaulyje ir, žinoma, labai sudėtingas, - sakė M.Ekdahl. - Jei nori turėti geriausią mokslinę įrangą, reikia tarptautinio bendradarbiavimo, nes pasaulyje yra labai mažai mokslininkų ir inžinierių, kurie gali pastatyti ką nors panašaus. Kitas dalykas - tikslus finansinis paketas, kurios šalys ir kokia dalimi prisidės. Didžiosios Europos valstybės, pavyzdžiui, Vokietija, Didžioji Britanija, Prancūzija, turi gana modernią mokslinę įrangą. Lunde suteikiama galimybė mažesnėms ES šalims įsitraukti į didįjį mokslą."
ESSS bus atliekama daugybė mokslinių programų, nes ir pati medžiagotyros sritis yra labai plati. Tiek neutronus, tiek sinchotronus galima taikyti energijos mokslams. Pavyzdžiui, mėginant sukurti tokius degalus, kad automobiliai neterštų aplinkos ir nebūtų jokio poveikio klimatui. Tarp naujų energijos šaltinių M.Ekdahl minėjo ir saulės elementus, kuriamas veiksmingesnes baterijas, kurios ypač svarbios gaminant elektrinius automobilius.
Buitinės chemijos srityje taip pat laukia nemažai iššūkių. Pavyzdžiui, sukurti dažus, atsparius saulei ir lietui, arba valiklius - veiksmingus ir nekenkiančius aplinkai. Daugybė naujų nanomedžiagų naudojama gaminant mobiliuosius telefonus. Jiems, taip pat ir kompiuteriams gaminti naudojamos tokios naujos medžiagos kaip šviesos diodai.
Vis dažniau neutronus pasitelkia gyvybės mokslai. Pavyzdžiui, medicinos srityje atliekami tyrimai, kokie implantai žmogaus kūne nesukeltų alerginės reakcijos ir organizmas jų neatmestų. Farmakologijos srityje neutronai naudojami tiriant enzimus ir proteinus, kūno sandarą, kaip funkcionuoja skeletas ir kaip sudaryti kaulai. Tai labai svarbu nuo amžiaus priklausomoms ligoms, taip pat dantims gydyti.
"Taikomieji mokslai per įvairias kompanijas ir pramonę imasi spręsti konkrečias problemas, tačiau mokslą į priekį veda smalsumas, - sakė ESSS atstovė. - Negalima numatyti visų atradimų. Daugiausia jų padaroma atsitiktinai, todėl labai svarbūs tokie fundamentinių mokslų tyrimai, kuriuos mokslininkams tiesiog smalsu atlikti. ESSS, žinoma, bus plėtojami abiejų rūšių mokslai."
Išlaikant lyderystę
Europoje, M.Ekdahl duomenimis, yra apie 5 tūkst. mokslininkų, kurie savo tyrimams naudoja neutronus. Kur kas daugiau nei Amerikoje ir Azijoje. Pavyzdžiui, JAV yra apie 1 tūkst., Japonijoje - apie 500 jų. Vadinasi, Europa turi ir daugiausia žinių neutronų srityje ir šiuo požiūriu yra stipriausia pasaulyje.
Statomas ESSS padės išlaikyti lyderystę ir kartu neprarasti geriausių mokslininkų. Pavyzdžiui, kai JAV buvo pastatytas toks centras, nemažai labai gerų Europos mokslininkų patraukė modernesnė tyrimų įranga ir geresnės darbo sąlygos. Dabar Lundas stengiasi pritraukti patyrusių mokslininkų. Pavyzdžiui, ESSS direktorius Colinas Carlile'as anksčiau Prancūzijoje vadovavo Laue-Langevin institutui, o ESSS mokslo reikalų direktorius Christianas Votleris ten ėjo tas pačias pareigas kaip dabar Lunde. Į ESSS bus pakviestas ir vengrų mokslininkas Ferencas Mezei. Būtent jo buvo ilgųjų impulsų neutronų šaltinio idėja.
Pasak M.Ekdahl, dabartiniai neutronų šaltiniai yra arba trumpi, arba ištisinių impulsų. Ilgus impulsus labai sunku sukurti ir tokių neutronų šaltinių nebuvo pasaulyje, o tūkstantį kartų ilgesni impulsai leis truputį kitaip pažvelgti į medžiagas.
