Na terenie kampusu Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie znajduje się Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS. Sercem ośrodka jest synchrotron – urządzenie, w którym przyspiesza się elektrony do prędkości bliskiej prędkości światła w próżni.
Dzięki temu wytwarza się światło o znakomitych parametrach, umożliwiających ultraprecyzyjne badania zarówno naukowe, jak i przemysłowe. Synchrotron wytwarza światło od podczerwieni aż po promieniowanie rentgenowskie.
Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS stanowi unikatową w obszarze Europy Centralnej infrastrukturę do prowadzenia wysokiej klasy badań w różnych dziedzinach nauki, wykorzystujących specyfikę promieniowania elektromagnetycznego wytwarzanego przez elektrony przyspieszone do ogromnych energii. Większość z nich nie jest dostępna w standardowych laboratoriach naukowych.
Wyjątkową cechą synchrotronu jest to, iż korzystać może z niego w tym samym czasie nawet kilkadziesiąt grup badawczych, reprezentujących często odległe dyscypliny naukowe. Specyfika wykonywanych badań zależy bowiem od charakterystyki tzw. stacji końcowych (stanowisk badawczych) linii eksperymentalnych, zainstalowanych przy synchrotronie.
Synchrotron oferuje niespotykane możliwości badawcze w wielu dziedzinach. Niech przykładami będą fizyka powierzchni, badania materiałowe, inżynieria materiałowa, badania krystalograficzne (w tym białek), chemia, geologia, archeologia, diagnostyka i terapia medyczna, badania nad nowymi lekami, przemysł półprzewodnikowy itp.
Wtedy wszystko się zaczęło
Starania związane z powstaniem synchrotronu rozpoczęły się już w 1998 roku. Grono profesorów z Instytutu Fizyki UJ i AGH, w tym również członków Polskiego Towarzystwa Promieniowania Synchrotronowego, wystąpiło do ówczesnego Komitetu Badań Naukowych (dziś w strukturach Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego) z inicjatywą utworzenia Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego oraz budowy synchrotronu. Wniosek ten wpłynął do Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w 2006 roku. Po jego złożeniu pojawiła się możliwość sfinansowania projektu dzięki funduszom unijnym przyznanym Polsce na lata 2007–2013. W 2010 roku została podpisana umowa pomiędzy Ministerstwem Nauki i Szkolnictwa Wyższego a Uniwersytetem Jagiellońskim na dofinansowanie i realizację projektu budowy synchrotronu w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007–2013.
W latach 2010–2015 dzięki środkom unijnym (POIG) został zrealizowany projekt pn. „Narodowe Centrum Promieniowania Elektromagnetycznego dla Celów Badawczych (Etap I)” – wyróżniająca się inwestycja na Polskiej Mapie Drogowej Infrastruktury Badawczej.
Celem projektu była budowa pierwszego w tej części Europy nowoczesnego ośrodka badań przy użyciu promieniowania synchrotronowego.
Realizacja projektu była przede wszystkim odpowiedzią na potrzeby zgłaszane przez 36 jednostek naukowych skupionych w ramach Konsorcjum Polski Synchrotron, oraz Polskie Towarzystwo Promieniowania Synchrotronowego, zrzeszające ponad 200 naukowców, którzy do tej pory prowadzili badania za granicą. W ramach projektu, zgodnie z założeniami, oprócz samego synchrotronu powstały dwie linie eksperymentalne wyposażone w 3 stacje końcowe zapewniające badania w różnych obszarach spektrum promieniowania synchrotronowego z zastosowaniem różnych metod i technik pomiarowych.
Czas budowy – synchrotron rośnie w siłę
Synchrotron był budowany przez polskich naukowców i inżynierów, którzy korzystali z wiedzy zagranicznych ekspertów.
Na podstawie umowy o współpracy podpisanej pomiędzy Uniwersytetem Jagiellońskim a Uniwersytetem w Lund zostały zbudowane dwa bliźniacze ośrodki promieniowania synchrotronowego w Polsce i w Szwecji. SOLARIS jest więc repliką 1,5 GeV (gigaelektronowoltowego) synchrotronu MAX IV z Lund oraz części akceleratora liniowego. Na każdym etapie realizacji synchrotronu w Krakowie polski zespół korzystał z doświadczenia i zaplecza eksperckiego szwedzkich kolegów. Nasi inżynierowie odbyli wiele wizyt w ośrodku w Lund, aby porozmawiać na temat różnych aspektów dotyczących budowy ośrodka, instalacji elektrycznych, wodnych czy też rozwiązań mechanicznych, oraz bezpośrednio się z nimi zapoznać.
Początkowo głównie to my czerpaliśmy z ich doświadczenia i wiedzy, ale w kolejnej fazie projektu role te się odwróciły. Z racji tego, że wcześniej zaczęliśmy instalację pierścienia akumulacyjnego, szwedzcy koledzy mogli skorzystać z naszej wiedzy i podpatrzeć pewne rozwiązania technologiczne dotyczące instalacji. Także podczas rozruchu maszyny byliśmy w ciągłym kontakcie ze szwedzkimi naukowcami. Dzieliliśmy się wiedzą, problemami i ich rozwiązaniami.
Dzięki tej bezprecedensowej współpracy ze Szwecją udało się zbudować synchrotron w znacznie krótszym czasie i za znacznie mniejszą kwotę.
W procesie budowy synchrotronu uczestniczyły głównie polskie przedsiębiorstwa. Firmy biorące udział w przetargach na realizację budynku oraz instalację elementów maszyny, dzięki kontaktom naszego Centrum z ośrodkami w Szwecji i we Włoszech, poprzez dostęp do unikatowego know-how, wykonały ogromny skok technologiczny. W konsekwencji zyskały wyjątkowe doświadczenie i potencjał w zakresie zaawansowanej infrastruktury obiektu, jego właściwości konstrukcyjnych, zabezpieczeń antywibracyjnych, systemów zasilania elektrycznego, wody chłodzącej czy zaawansowanych układów BMS.
Warto w tym miejscu wspomnieć, że każdy synchrotron jest niepowtarzalny i budowany z części produkowanych na specjalne zamówienie. Po zbudowaniu należy wszystko dograć, a co ważniejsze nauczyć się obsługi urządzenia. Wprawdzie możemy korzystać z eksperckiej wiedzy zagranicznych kolegów, ale każdy synchrotron jest inny i wymaga indywidualnego podejścia. Tak więc nowe rozwiązania dla pojawiających się problemów musimy wypracowywać samodzielnie.
Linie badawcze w synchrotronie – stan aktualny i plany rozbudowy
Obecnie synchrotron oferuje pomiary na dwóch liniach badawczych: UARPES oraz PEEM/XAS.
Linia badawcza UARPES pozwala napomiary właściwości elektrycznych powierzchni materiałów. Linia PEEM/XAS umożliwia natomiast badania związane z określeniem ukształtowania, budowy chemicznej oraz właściwości magnetycznych próbek.
SOLARIS cały czas się rozwija. Obecnie trwają prace nad budową następnych linii badawczych, które umożliwią pracę z wykorzystaniem kilku kolejnych technik naukowych. W miarę ich powstawania oferta dla różnych sektorów przemysłu będzie się rozszerzać. Obecnie z naszych rozwiązań mogą korzystać branże związane z badaniami materiałowymi. Zaliczyć można do nich przemysły: lotniczy i motoryzacyjny, chemiczny, elektroniczny czy petrochemiczny.
W budowie są już dwie inne linie badawcze – PHELIX i XMCD. Budowa pierwszej z nich ruszyła kilka miesięcy temu. PHELIX będzie wykorzystywała miękkie promieniowanie rentgenowskie. Jej stacja badawcza umożliwi szeroki zakres badań spektroskopowych i absorpcyjnych, charakteryzujących się różną czułością powierzchniową. Użytkownicy będą zatem mogli prowadzić badania nowych materiałów, cienkich warstw i wielowarstw, katalizatorów i biomateriałów, badania powierzchni materiałów litych, stanów powierzchniowych spolaryzowanych spinowo oraz zachodzących na powierzchni reakcji chemicznych.
Kolejną linią w budowie jest linia eksperymentalna miękkiego promieniowania rentgenowskiego przeznaczona do badań magnetycznego dichroizmu kołowego XMCD (technika pozwalająca na badanie właściwości materiałów magnetycznych).
Linia XMCD działała w ośrodku badawczym MaxLab w Lund (Szwecja). W lutym 2016 r. została zdemontowana i przetransportowana do Krakowa przez członków zespołu SOLARIS wspieranych przez przedstawicieli kilku innych polskich ośrodków naukowych.
Technika XMCD znajduje zastosowanie w badaniach m.in.: warstw magnetycznych, nanostruktur, struktury magnetycznej i elektronicznej.
W czerwcu 2018 r. podpisaliśmy umowę ze Zjednoczonym Instytutem Badań Jądrowych w Dubnej (Rosja) na budowę linii krystalograficznej, która ma ogromny potencjał, jeśli chodzi o badania dla przemysłu.
Na mocy umowy powstanie Laboratorium Badań Strukturalnych Makromolekuł i Nowych Materiałów, którego podstawę stanowić będzie linia do badań strukturalnych. Linia ta jest jedną z najbardziej pożądanych przez polskie środowisko naukowe, jak również przemysłowe. Jej stanowiska badawcze umożliwią badania o charakterze podstawowym, a także aplikacyjnym, takie jak:
- kompleksowe badania struktur krystalicznych próbek różnych materiałów, w tym próbek biologicznych (białek, kompleksów białkowych, kwasów nukleinowych itd.), makrocząsteczek biologicznych w roztworach, zawiesin nanocząstek, nowych nanomateriałów (układów polimerowych, sit molekularnych, nanokompozytów, ciekłych kryształów itd.);
- badania struktur krystalicznych materiałów funkcjonalnych pod wysokim ciśnieniem;
- badania strukturalnych przejść fazowych pod wysokim ciśnieniem;
- badania struktur obiektów nieuporządkowanych (białek, białek błonowych i kulistych, kompleksów wielkocząsteczkowych, wirusów i cząstek wirusopodobnych, błon biologicznych, kwasów nukleinowych i ich kompleksów z białkami i/lub zespołami do dostarczania leków).
Centrum SOLARIS złożyło także wnioski do Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na finansowanie dwóch linii badawczych oraz stacji badawczej:
- FTIR – utworzenie linii badawczej mikroskopii absorpcyjnej w zakresie podczerwieni;
- Polyx – synchrotronowa linia badawcza do multimodalnego obrazowania rentgenowskiego;
- budowa stacji badawczej skaningowej mikroskopii rentgenowskiej STXM – w ramach projektu zostanie wytworzona stacja badawcza skaningowej transmisyjnej mikroskopii rentgenowskiej (STXM), stanowiąca element gałęzi linii badawczej XMCD.
Koszt budowy jednej linii to kwota od kilku do kilkudziesięciu milionów złotych. Warto wspomnieć, że aby móc ubiegać się o fundusze, w przypadku każdej linii należy opracować i złożyć osobny projekt.
Wpływ synchrotronu na przemysł
Synchrotron SOLARIS jest pierwszą tego typu infrastrukturą badawczą w Polsce. Naszym głównym celem jest rozwój nauki, jednak nie mniej ważna jest dla nas współpraca z firmami, która zaowocuje zwiększeniem ich konkurencyjności na rynkach krajowych i międzynarodowych.
Już na etapie budowy Centrum staraliśmy się angażować głównie polskie firmy oraz firmy z Unii Europejskiej. Podobnie teraz chcemy wspierać wszystkie przedsiębiorstwa, które chciałyby z nami współpracować.
Jak pokazuje praktyka, w krajach, w których synchrotrony funkcjonują już od wielu lat, rozwój takich ośrodków jest ściśle związany z pozytywną współpracą z przemysłem. Ponadto obecność takiego centrum bezsprzecznie wpływa na możliwości powstawania nowych firm, produktów, patentów. Synchrotrony służą przede wszystkim do realizacji najbardziej zaawansowanych badań podstawowych. Promieniowanie wytwarzane przez synchrotron jest wszechstronnym narzędziem badawczym dla wszystkich dyscyplin nauk przyrodniczych i technicznych, w tym też badań bezpośrednio aplikacyjnych. Uruchomienie źródła promieniowania synchrotronowego z pewnością przyczyni się do unowocześnienia wielu produktów polskiego przemysłu.
Wyniki uzyskiwane przy użyciu synchrotronów często mają bezpośrednie zastosowanie w przemyśle. Przykładem mogą tu być badania nad optymalnym procesem produkcji czekolady prowadzone przez firmę Cadbury. Bez synchrotronów znacznie trudniej także stworzyć nowe leki czy ulepszyć skład kosmetyków, dzięki nim można również badać działanie antybiotyków. Stąd synchrotrony wykorzystywane są często przez przemysł farmaceutyczny i kosmetyczny.
Możliwości synchrotronu pozwoliły także opracować nowe materiały o nadzwyczajnych własnościach oraz udoskonalić materiały dla elektroniki i fotoniki. Jednym z przykładów może być badanie struktury budowy łopatek silników samolotowych.
Współpraca SOLARIS z przemysłem na etapie budowy
Najlepszym przykładem ukazującym pozytywny wpływ SOLARIS na gospodarkę to współpraca z przemysłem podczas realizacji budowy synchrotronu. Ciągle podkreślamy fakt, że większość z firm biorących udział w procesie budowy polskiego synchrotronu to polskie przedsiębiorstwa. Każdy z kilkudziesięciu wybudowanych do tej pory na świecie synchrotronów to jednostka wyjątkowa, także pod względem rozwiązań architektonicznych. Współpraca z firmami wykonawczymi na etapie powstawania budynku miała więc charakter unikatowy i indywidualny. Z każdym z podwykonawców podpisana została odrębna umowa, często zakładająca zastosowanie oryginalnych rozwiązań, które stanowiły wyzwanie nie tylko dla zespołu naukowców, ale przede wszystkim dla każdej z poszczególnych firm. Wiele z nich deklaruje, że etap współpracy z SOLARIS wzbogacił ich ofertę marketingową oraz zaowocował zdobyciem nowych kwalifikacji oraz podniesieniem kompetencji pracowników, jak również wprowadził do ich oferty nowe produkty i nowe usługi.
Poniżej przedstawiamy krótką listę wybranych produktów i usług, o których mowa:
- nowoczesne urządzenia, m.in. specjalne urządzenia do obsługi maszyn, przenośne komory do wytwarzania specjalnego środowiska dla pracowników obsługi;
- modyfikacja systemu domykania ciężkich drzwi specjalistycznych;
- specjalistyczna forma do produkcji elementów betonowych pod magnesy, a następnie dostawa oraz montaż gotowych podpór betonowych z bardzo dużą dokładnością do 0,1 mm;
- manipulator dla luster i przesłon do stacji eksperymentalnej;
- nowatorski sposób ochrony obiektu przed emisją drgań w sposób dotychczas niestosowany;
- nowe usługi w zakresie technik próżniowych.
Formy współpracy: przemysł – synchrotron
Najbardziej zaawansowaną formą współpracy ośrodków synchrotronowych z przemysłem jest umożliwienie przedsiębiorstwom realizacji własnej linii eksperymentalnej przy synchrotronie. Koszty takich linii to wydatek od kilku do kilkunastu milionów euro. Przedsiębiorstwo inwestujące w linię mogłoby mieć pewną pulę tzw. czasu badawczego, natomiast pozostały czas dzielony byłby pomiędzy innych zainteresowanych badaczy.
Mniej zaawansowaną finansowo, ale równie ważną formą partnerstwa jest budowa infrastruktury stacji końcowych dla istniejących już linii badawczych. Dla potencjalnego inwestora taki rodzaj współpracy – tak jak w przypadku budowy całej linii – mógłby wiązać się z ułatwionym dostępem do czasu pracy na danej stacji. Każdorazowo warunki takiej współpracy określałaby umowa. Najbardziej powszechną formą współpracy jest wykupienie czasu badawczego lub zlecenie ośrodkowi wykonania pomiarów.
Synchrotron SOLARIS powstał stosunkowo niedawno i nie ma jeszcze rozbudowanej bazy przykładów badań wykonanych dla przemysłu. Takie można jednak sprawdzić dla synchrotronu Diamond w Wielkiej Brytanii oraz synchrotronu ESRF.
Centrum SOLARIS jest otwarte na wszelkie formy współpracy, zarówno z firmami, które mają już kontakt z grupami badawczymi z instytucji naukowych, jak i z tymi, które nigdy nie współpracowały z naukowcami. Należy pamiętać, że synchrotron to nie tylko aparatura badawcza, lecz także najlepiej wyszkolona kadra naukowa w dziedzinie elektroniki, mechaniki, systemów sterowania czy systemów próżniowych.
Autorka artykułu: Emilia Król, Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS
www.synchrotron.uj.edu.pl
