چرا ۱۳ کشور با هم متحد شدند تا این میکروسکوپ غول‌پیکر را بسازند؟
تصور کنید می‌خواهید چیزی را ببینید که هزاران برابر کوچک‌تر از ضخامت یک تار مو است؛ اما برای دیدن آن به یک میکروسکوپ معمولی نیاز ندارید.
به ساختمانی به اندازه یک ورزشگاه نیاز دارید؛ حلقه‌ای عظیم که الکترون‌ها را تقریباً با سرعت نور در آن حرکت می‌دهید و در نهایت از برخورد آن‌ها با تجهیزات مخصوص، نوری تولید می‌کنید که می‌تواند ساختار ماده را با جزئیاتی خارق‌العاده آشکار کند.
این همان چیزی است که European Spallation Source یا ESS در شهر لوند سوئد برای آن ساخته شده است؛ یکی از بزرگ‌ترین پروژه‌های علمی اروپا که کشورهای مختلف برای ساخت آن با یکدیگر همکاری کرده‌اند.
اما چرا چنین سازه عظیمی ساخته شده است؟
و اصلاً چطور می‌توان با یک دستگاه چند صد متری، چیزهایی را دید که با چشم غیرمسلح حتی قابل تصور نیستند؟
این «میکروسکوپ» دقیقاً چیست؟
European Spallation Source را نمی‌توان یک میکروسکوپ معمولی دانست.
ESS در واقع یک منبع نوترونی بسیار قدرتمند است که از یک شتاب‌دهنده خطی برای تولید پرتو پروتون استفاده می‌کند.
این پروتون‌ها با انرژی بسیار بالا به سمت یک هدف فلزی هدایت می‌شوند. هنگامی که پروتون‌ها به هسته اتم‌های هدف برخورد می‌کنند، فرآیندی به نام Spallation رخ می‌دهد.
در این فرآیند، برخورد پرانرژی باعث آزاد شدن تعداد زیادی نوترون از هسته اتم می‌شود.
این نوترون‌ها سپس به سمت تجهیزات آزمایشگاهی هدایت می‌شوند تا دانشمندان بتوانند ساختار مواد مختلف را بررسی کنند.
در واقع ESS به جای اینکه ماده را با نور معمولی «روشن» کند، از نوترون‌ها برای کاوش درون آن استفاده می‌کند.
چرا نوترون؟
شاید سؤال اصلی همین باشد.
چرا دانشمندان باید یک مجموعه عظیم بسازند تا نوترون تولید کنند؟
پاسخ در ویژگی‌های عجیب نوترون نهفته است.
نوترون‌ها بدون بار الکتریکی هستند. به همین دلیل می‌توانند از میان بسیاری از مواد عبور کنند و اطلاعاتی درباره ساختار داخلی آن‌ها به دست دهند.
این ویژگی باعث شده نوترون‌ها به ابزاری ارزشمند برای مطالعه موادی تبدیل شوند که با روش‌های دیگر به‌سادگی قابل بررسی نیستند.
برای مثال، دانشمندان می‌توانند با استفاده از پراکندگی نوترون‌ها بررسی کنند:
- اتم‌ها چگونه در یک ماده قرار گرفته‌اند؟
- مواد مغناطیسی چگونه رفتار می‌کنند؟
- هیدروژن درون یک ماده کجا قرار دارد؟
- باتری هنگام شارژ و تخلیه چه تغییری می‌کند؟
- پروتئین‌ها و مولکول‌های زیستی چه ساختاری دارند؟
- مواد جدید در دما و فشار بالا چگونه رفتار می‌کنند؟
بنابراین ESS در اصل یک ابزار تحقیقاتی برای دیدن رفتار ماده در مقیاس اتمی است.
چرا باید ۱۳ کشور دست به دست هم بدهند؟
ساخت چنین تأسیسات عظیمی هزینه و پیچیدگی بسیار زیادی دارد.
ESS پروژه‌ای اروپایی است و کشورهای مختلف در ساخت و تأمین مالی آن مشارکت کرده‌اند.
کشورهایی مانند سوئد، دانمارک، آلمان، فرانسه، ایتالیا، اسپانیا، سوئیس، بریتانیا، نروژ، لهستان و چند کشور اروپایی دیگر در توسعه این پروژه نقش داشته‌اند.
دلیل همکاری ساده است:
هیچ‌کدام از این کشورها به‌تنهایی الزاماً نیازی ندارند تمام هزینه ساخت چنین زیرساختی را پرداخت کنند، اما دانشمندان بسیاری از آن‌ها به دسترسی به چنین منبعی نیاز دارند.
بنابراین به‌جای ساخت چند مرکز کوچک و پراکنده، منابع و تخصص خود را روی یک مرکز بسیار قدرتمند متمرکز کرده‌اند.
این همان فلسفه‌ای است که پشت بسیاری از پروژه‌های علمی بزرگ جهان قرار دارد.
قلب پروژه؛ شتاب‌دهنده‌ای به طول صدها متر
برای تولید نوترون‌های مورد نیاز، ESS به یک شتاب‌دهنده خطی بسیار بزرگ مجهز شده است.
در این شتاب‌دهنده، پروتون‌ها مرحله‌به‌مرحله انرژی می‌گیرند.
پروتون ابتدا وارد بخش‌های ابتدایی شتاب‌دهنده می‌شود و سپس در طول مسیر انرژی بیشتری دریافت می‌کند.
در نهایت، پرتو پروتون با انرژی بسیار بالا به سمت هدف تنگستن هدایت می‌شود.
این هدف همان جایی است که فرآیند Spallation رخ می‌دهد.
تصور کنید یک گلوله بسیار پرانرژی را به سمت یک ساختار اتمی شلیک کنید و از برخورد آن، تعداد زیادی نوترون آزاد شود.
تقریباً چنین اتفاقی در قلب ESS رخ می‌دهد.
تنگستن؛ هدفی که باید ضربه را تحمل کند
انتخاب ماده هدف تصادفی نیست.
ESS از یک هدف چرخان متشکل از بلوک‌های تنگستن استفاده می‌کند.
تنگستن به دلیل ویژگی‌هایی مانند چگالی بالا و مقاومت در برابر دماهای زیاد، گزینه مناسبی برای چنین کاربردی است.
اما مسئله فقط تولید نوترون نیست.
پرتو پروتون مقدار بسیار زیادی انرژی وارد هدف می‌کند و این انرژی باید مدیریت شود.
به همین دلیل طراحی سیستم خنک‌کننده و مهندسی حرارتی هدف، یکی از پیچیده‌ترین بخش‌های پروژه محسوب می‌شود.
در چنین مقیاسی، کوچک‌ترین خطای مهندسی می‌تواند به آسیب شدید تجهیزات منجر شود.
این دستگاه چه چیزی را «می‌بیند»؟
اینجا بخش جذاب ماجرا شروع می‌شود.
نوترون‌ها پس از تولید به سمت مجموعه‌ای از ابزارهای علمی هدایت می‌شوند.
نمونه مورد مطالعه در مسیر پرتو قرار می‌گیرد و نوترون‌ها با اتم‌های موجود در نمونه برهم‌کنش می‌کنند.
دستگاه‌های آشکارساز، الگوی پراکندگی نوترون‌ها را ثبت می‌کنند.
سپس دانشمندان با تحلیل این الگو می‌توانند درباره ساختار داخلی ماده اطلاعات به دست آورند.
در نتیجه، ESS عملاً یک تصویر معمولی تولید نمی‌کند.
بلکه داده‌هایی تولید می‌کند که دانشمندان از روی آن‌ها ساختار و رفتار ماده را بازسازی می‌کنند.
به همین دلیل مقایسه آن با میکروسکوپ کمی ساده‌سازی‌شده است؛ اما برای درک مفهوم، تشبیه بسیار خوبی محسوب می‌شود.
از باتری خودرو تا داروهای آینده
کاربردهای ESS فقط به فیزیک محدود نمی‌شود.
یکی از حوزه‌های مهم، تحقیق روی باتری‌ها است.
دانشمندان می‌توانند با روش‌های نوترونی بررسی کنند یون‌ها چگونه در مواد باتری حرکت می‌کنند و ساختار داخلی باتری در هنگام شارژ و تخلیه چگونه تغییر می‌کند.
این اطلاعات می‌تواند در توسعه نسل‌های جدید باتری برای خودروهای برقی، تجهیزات الکترونیکی و ذخیره‌سازی انرژی مفید باشد.
اما کاربردهای زیستی نیز اهمیت زیادی دارند.
نوترون‌ها به‌ویژه برای بررسی مواد حاوی هیدروژن بسیار مفید هستند.
از آنجا که هیدروژن نقش مهمی در ساختار آب، پروتئین‌ها و بسیاری از مولکول‌های زیستی دارد، روش‌های نوترونی می‌توانند اطلاعات ارزشمندی در تحقیقات زیست‌شناسی و داروسازی ارائه کنند.
چرا سوئد انتخاب شد؟
ساخت چنین تأسیسات عظیمی به محیط مناسب، زیرساخت گسترده و همکاری علمی بین‌المللی نیاز دارد.
شهر Lund در جنوب سوئد به دلیل سابقه قدرتمند دانشگاهی و پژوهشی خود و همچنین موقعیت مناسب در منطقه اسکاندیناوی، به محل ساخت ESS تبدیل شد.
این مجموعه در نزدیکی دانشگاه لوند قرار گرفته و بخشی از یک اکوسیستم علمی بزرگ‌تر در منطقه محسوب می‌شود.
در واقع، هدف فقط ساخت یک شتاب‌دهنده نبود.
قرار بود یک مرکز تحقیقاتی بین‌المللی ساخته شود که دانشمندان کشورهای مختلف بتوانند برای انجام آزمایش‌های خود از آن استفاده کنند.
چرا این پروژه اهمیت دارد؟
پروژه‌هایی مانند ESS شاید در نگاه اول ارتباط مستقیمی با زندگی روزمره نداشته باشند.
اما فناوری‌های مهم معمولاً از همین تحقیقات بنیادی شروع می‌شوند.
دانشمندان ابتدا رفتار ماده را در سطح اتمی بررسی می‌کنند؛ سپس مهندسان از این دانش برای ساخت مواد، باتری‌ها، تجهیزات پزشکی، فناوری‌های انرژی و محصولات صنعتی جدید استفاده می‌کنند.
به همین دلیل، سرمایه‌گذاری روی چنین زیرساخت‌هایی در واقع سرمایه‌گذاری روی فناوری‌های چند دهه آینده است.
آیا واقعاً بزرگ‌ترین میکروسکوپ جهان است؟
اگر بخواهیم دقیق باشیم، بهتر است ESS را «میکروسکوپ» به معنای سنتی کلمه ندانیم.
این مجموعه یک منبع نوترونی و مرکز تحقیقاتی عظیم است.
اما تشبیه میکروسکوپ از این جهت جذاب است که ESS به دانشمندان اجازه می‌دهد اطلاعاتی درباره ساختار ماده در مقیاس اتمی به دست آورند؛ چیزی که با چشم یا میکروسکوپ‌های نوری معمولی امکان‌پذیر نیست.
بنابراین وقتی درباره «میکروسکوپ غول‌پیکر» صحبت می‌کنیم، در واقع درباره یکی از پیشرفته‌ترین ابزارهای بشر برای مطالعه ماده حرف می‌زنیم.
یک آزمایشگاه برای آینده
ESS فقط یک ساختمان بزرگ پر از تجهیزات نیست.
این پروژه نمونه‌ای از چیزی است که علم مدرن به آن نیاز دارد:
همکاری بین کشورها، مهندسی در مقیاس عظیم و دسترسی آزاد پژوهشگران به زیرساخت‌های گران‌قیمت.
ساخت چنین مرکزی برای یک کشور به‌تنهایی بسیار دشوار و پرهزینه است؛ اما زمانی که چندین کشور دانش، نیروی انسانی و منابع مالی خود را ترکیب می‌کنند، ساخت ابزاری امکان‌پذیر می‌شود که می‌تواند سال‌ها در خدمت جامعه علمی باشد.
شاید مهم‌ترین نکته درباره ESS همین باشد.
دانشمندان اینجا قرار نیست فقط چیزهای کوچک را ببینند.
آن‌ها می‌خواهند بفهمند جهان از چه ساخته شده و مواد اطراف ما در عمیق‌ترین سطح چگونه رفتار می‌کنند.
و برای پاسخ به چنین سؤالی، گاهی لازم است یک «میکروسکوپ» به اندازه یک شهر کوچک بسازیم.
سوالات متداول
ESS چیست؟
ESS یا European Spallation Source یک مرکز تحقیقاتی بزرگ در شهر لوند سوئد است که با استفاده از شتاب‌دهنده پروتون و فرآیند Spallation، پرتوهای نوترونی قدرتمند تولید می‌کند.
فرآیند Spallation چیست؟
در این فرآیند، پروتون‌های پرانرژی به یک هدف سنگین مانند تنگستن برخورد می‌کنند و در نتیجه تعداد زیادی نوترون از هسته‌های اتمی آزاد می‌شود.
ESS چه کاربردی دارد؟
از این مرکز برای مطالعه ساختار و رفتار مواد در مقیاس اتمی استفاده می‌شود؛ از جمله تحقیقات مربوط به باتری‌ها، مواد مغناطیسی، مواد مهندسی، شیمی، زیست‌شناسی و داروسازی.
چرا کشورهای مختلف در ESS همکاری کرده‌اند؟
هزینه و پیچیدگی ساخت چنین زیرساختی بسیار زیاد است. همکاری بین‌المللی باعث می‌شود کشورهای مختلف بتوانند هزینه، تخصص و امکانات خود را به اشتراک بگذارند و پژوهشگرانشان به یک مرکز تحقیقاتی بسیار قدرتمند دسترسی داشته باشند.
ESS کجاست؟
این مرکز در شهر Lund در سوئد ساخته شده است و در کنار مجموعه علمی و دانشگاهی منطقه قرار دارد.
