Νέα ματιά στη δομή της ύλης

Με τη βοήθεια των λέιζερ ακτίνων Χ και ταχύτητες παρόμοιες με αυτήν του φωτός ο ευρωπαϊκός επιταχυντής ΧFΕL που κατασκευάζεται στη Γερμανία θα «φωτογραφίζει» μοριακές δομές και χημικές αντιδράσεις ανοίγοντας καινούργιους δρόμους για την επιστήμη

Η μηχανή ΤULΑ αρχίζει τη διάνοιξη της σήραγγας τον περασμένο Ιούνιο

Τρεις σήραγγες μήκους 3,4 χιλιομέτρων, ακτινοβολία λέιζερ με ένταση δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτήν των συμβατικών πηγών και ταχύτητες που ξεπερνούν ό,τι είναι γνωστό ως σήμερα στον τομέα. Κάποιοι υποστηρίζουν ότι ο ευρωπαϊκός επιταχυντής λέιζερ ακτίνων Χ ελεύθερων ηλεκτρονίων (Εuropean ΧFΕL) που κατασκευάζεται στο Αμβούργο είναι κάτι ανάλογο με τον CΕRΝ για τις ακτίνες Χ. Ακόμη και αν αυτό μπορεί να θεωρηθεί υπερβολικό, το βέβαιο είναι ότι πρόκειται για ένα από τα πλέον φιλόδοξα προγράμματα που υλοποιούνται σήμερα, όχι μόνο σε ευρωπαϊκό αλλά σε παγκόσμιο επίπεδο. Οταν ολοκληρωθεί, θα είναι ο μεγαλύτερος και καλύτερος επιταχυντής στο είδος του στον πλανήτη, ανοίγοντας νέα πεδία έρευνας που θα επιτρέψουν την ανάπτυξη αποτελεσματικότερων φαρμάκων, τον σχεδιασμό νέων υλικών και την καλύτερη κατανόηση του Σύμπαντος.

Γνώση της ατομικής δομής
«Οι ακτίνες Χ είναι το κατ΄ εξοχήν μέσο που διαθέτουμε για να μελετήσουμε την ατομική δομή.Μπορούν να μας επιτρέψουν να “δούμε” τη θέση που έχουν τα άτομα στον χώρο και αυτό είναι πολύ σημαντικό από πολλές απόψεις για την επιστήμη» λέει μιλώντας στο «Βήμα» ο Μάσιμο Αλταρέλι , διευθυντής του Εuropean ΧFΕL. Αυτό ακριβώς φιλοδοξεί να κάνει ο νέος επιταχυντής, προσφέροντας γνώσεις που σήμερα είναι αδύνατον να αποκτήσουμε με άλλους τρόπους, όπως εξήγησε ο ιταλός καθηγητής μιλώντας στο 10ο Ευρωπαϊκό Συνέδριο Επιταχυντών στην Εφαρμοσμένη Ερευνα και Τεχνολογία (Εcaart-10) που διεξήχθη την περασμένη εβδομάδα στην Αθήνα.

Πρόκειται για ένα από τα σημαντικότερα διεθνώς συνέδρια σχετικά με τις ειρηνικές εφαρμογές της ατομικής και πυρηνικής φυσικής με χρήση επιταχυντών, το οποίο διοργανώθηκε για πρώτη φορά στην Ελλάδα, με τη συμμετοχή όλων των κύριων ιδρυμάτων της χώρας που δραστηριοποιούνται στην πυρηνική φυσική (Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, ΕΚΠΑ, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος). Πρόεδρος της τοπικής οργανωτικής επιτροπής ήταν ο Παναγιώτης Μισαηλίδης, καθηγητής Ραδιοχημείας στο ΑΠΘ, και αντιπρόεδρος ο Μιχάλης Κόκκορης, επίκουρος καθηγητής Πυρηνικής Φυσικής στη Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών του ΕΜΠ.

Μοναδικός και με διαφορά

Ο Μάσιμο Αλταρέλι, επικεφαλής του Εuropean ΧFΕL

Επιταχυντές που λειτουργούν με ανάλογο τρόπο με τον ΧFΕL υπάρχουν ήδη: ο SLΑC στο Στάνφορντ της Καλιφόρνιας ή ο Diamond Light Source στη Βρετανία. Ο ευρωπαϊκός επιταχυντής θα είναι όμως πολύ πιο ισχυρός. Τι είναι αυτό που τον κάνει να ξεχωρίζει; «Ο ΧFΕL έχει δύο κυρίως χαρακτηριστικά που τον καθιστούν μοναδικό» απαντά ο κ. Αλταρέλι. Το ένα, τονίζει, είναι η τεράστια ένταση της ακτινοβολίας του: «Αυτό που τεχνικά ονομάζουμε λαμπρότητα και δηλώνει την ένταση της φωτεινής πηγής,πόσες δηλαδή ακτίνες Χ παράγονται».

Το δεύτερο είναι η ταχύτητά του. «Η ακτινοβολία Χ» εξηγεί ο καθηγητής «θα παράγεται σε πολύ σύντομες “λάμψεις”, σαν ένα φωτογραφικό φλας,αλλά σε υπερβολικά μικρή χρονική κλίμακα». Η κλίμακα αυτή είναι της τάξεως των 10 femtosecondsδηλαδή 10 εκατομμυριοστών του ενός δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. «Για να πάρετε μια ιδέα τού πόσο μικρά είναι αυτά τα χρονικά διαστήματα» διευκρινίζει «σκεφθείτε ότι το φως χρειάζεται περίπου ένα δευτερόλεπτο για να φθάσει από τη Σελήνη ως τη Γη και 100 ως 200 femtoseconds για να διατρέξει κατά πλάτος μια τρίχα από τα μαλλιά σας». Αυτές οι διαστημικές ταχύτητες επιτρέπουν στο «φλας» του επιταχυντή να «παγώσει» στον χρόνο στιγμιότυπα από εξαιρετικά ταχείες διεργασίες, όπως για παράδειγμα αυτές που συντελούνται κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης, και να δώσει, κατά κάποιον τρόπο, μια φωτογραφία τους. «Δεν εννοούμε φυσικά μια συμβατική φωτογραφία, πρόκειται για στοιχεία που επεξεργαζόμαστε στον υπολογιστή, από αυτά παίρνουμε όμως μια πιστή απεικόνιση» εξηγεί ο κ. Αλταρέλι.

Πολύτιμες εφαρμογές
Οι απεικονίσεις αυτές είναι πολύτιμες για πολλούς ερευνητικούς τομείς. Ενας από αυτούς είναι η δομική βιολογία, η επιστήμη που μελετά τη δομή των βιολογικών μορίων. «Αυτό,ξέρετε,είναι το πρώτο βήμα για να κατανοήσει κανείς τη λειτουργία των βιολογικών μηχανισμών,ώστε να είναι σε θέση να γνωρίσει καλύτερα τις ασθένειες και να αναπτύξει θεραπείες και φάρμακα για την καταπολέμησή τους» λέει ο κ. Αλταρέλι. Σήμερα η μόνη μέθοδος για αυτή τη μελέτη είναι η κρυσταλλογραφία, η οποία όμως, όπως τονίζει, έχει το μειονέκτημα ότι πρέπει κανείς να αναπτύξει από τα μόρια κρυστάλλους σχηματίζοντας περιοδικά στερεά. «Τα βιολογικά συστήματα όμως, οι ζωντανοί οργανισμοί όπως εγώ ή εσείς» εξηγεί «δεν είναι περιοδικά στερεά.Πολλά μόρια είναι πολύ δύσκολο να κρυσταλλογραφηθούν.Ελπίζουμε λοιπόν ότι αυτός ο επιταχυντής θα μας επιτρέψει να προσδιορίσουμε τη δομή τους χωρίς την ανάγκη της κρυσταλλογραφίας. Κάτι τέτοιο θα αποτελέσει ένα τεράστιο βήμα για τη βιολογία και την ιατρική». Αλλος τομέας που θα ωφεληθεί σημαντικά είναι η επιστήμη των υλικών. «Στη νανοτεχνολογία,για παράδειγμα, θα δούμε πώς σχηματίζονται τα υλικά ή,στη χημεία,θα μπορέσουμε για πρώτη φορά να παρακολουθήσουμε τις χημικές αντιδράσεις σαν να βλέπουμε ταινία και να κατανοήσουμε επιτέλους τον ακριβή ρόλο που παίζει ο κάθε “ηθοποιός” σε αυτές». Η κατανόηση αυτή, προσθέτει, θα μας επιτρέψει να σχεδιάσουμε νέα υλικά ή να βελτιώσουμε τις υπάρχουσες διαδικασίες, από την παραγωγή λιπασμάτων και τη διύλιση πετρελαίου ως την ανάπτυξη συστημάτων αποθήκευσης υδρογόνου και φωτοβολταϊκών υλικών. Τέλος, ο ΧFΕL θα δώσει νέα ώθηση στη φυσική πλάσματος και στην αστροφυσική, προσφέροντας στους ερευνητές τη δυνατότητα να δημιουργήσουν στο εργαστήριο ακραίες συνθήκες που επικρατούν στο αστροφυσικό περιβάλλον.

lalina@tovima.gr

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΙ ΑΡΙΘΜΟΙ

Μακέτα των εγκαταστάσεων του επιταχυντή με τα υπόγεια εργαστήρια και τις σήραγγες

Ο Εuropean ΧFΕL θα διαθέτει τρεις υπόγειες σήραγγες συνολικού μήκους 3,4 χιλιομέτρων που θα ξεκινούν από τις εγκαταστάσεις της Deutsches Εlektronen-Synchrotron (DΕSΥ) στο Αμβούργο και θα φθάνουν στο Σένεφελντ του γειτονικού κρατιδίου Σλέσβιχ-Χολστάιν, όπου θα βρίσκονται τα διοικητικά κτίρια και οι πειραμα τικοί και ερευνητικοί σταθμοί.

Τα ηλεκτρόνια θα επιταχύνονται σχεδόν ως την ταχύτητα του φωτός σε έναν γραμμικό επιταχυντή και στη συνέχεια θα περνούν μέσα από ένα σύστημα κυματογράφων,μια διάταξη μαγνητών που θα τα οδηγεί σε πορεία «σλάλομ», ενισχύοντας την ακτινοβολία Χ που εκπέμπ ουν και τακτοποιώντας τα σε σειρές λεπ τών δίσκων που θα εκπέμπουν συγχρονισμέν α πολύ σύντομα «φλας» με τις ιδιότητες της ακτινοβολίας λέιζερ.

Ο προϋπολογισμός του ανέρχεται σε 986 εκατ. ευρώ και χρηματοδοτείται από 12 χώρες,μετ αξύ των οποίων η Ελλάδα. Αναμένεται να αρχίσει να λειτουργεί το 2014.

http://www.tovima.gr/