Europejski synchrotron

Najprościej mówiąc

Wyobraźmy sobie, że chcemy wiedzieć, jak zmienia się nowy materiał w baterii podczas ładowania albo jak białko wirusa chwyta się ludzkiej komórki. Zwykły mikroskop nic tu nie pomoże: atomy są tysiące razy mniejsze od długości fali światła widzialnego. Potrzebne jest światło o znacznie krótszej fali i to w dużej ilości. ESRF to fabryka właśnie takiego światła.

Naukowcy przywożą do Grenoble swoje próbki, ustawiają je w wiązce promieniowania rentgenowskiego i rejestrują, jak promieniowanie się rozprasza albo pochłania. Z tych obrazów odczytują, gdzie są atomy i jak się poruszają. Maszyna zostaje w Grenoble, a naukowcy zabierają do domu dane.

Do czego służy

Większość światła z ESRF to promieniowanie rentgenowskie o długości fali około 0,1 nanometra, czyli mniej więcej rozmiaru atomu. Właśnie dlatego jest tak przydatne: tak krótkie i tak jasne promieniowanie pokazuje, gdzie leżą atomy w krysztale, jak materiał zmienia się pod ciśnieniem albo jak zwinięte jest białko.

Prowadzi się tu badania z biologii, chemii, nauki o materiałach i fizyki, a także z medycyny, ochrony dziedzictwa kulturowego i nauk kwantowych. ESRF porównuje swoje promieniowanie z tym używanym w szpitalach i podaje, że jest ono co najmniej sto miliardów razy jaśniejsze. Jak maszyna je wytwarza, wyjaśniamy na stronie Od działa elektronowego do linii pomiarowej.

Co tu badano

Przykłady podawane przez sam ESRF dobrze pokazują rozpiętość tematów. Gdy w 2020 roku ruszyło zmodernizowane źródło, ESRF wymienił m.in. trójwymiarowe skany całych ludzkich narządów z rozdzielczością mikrometrową, mapowanie mózgu aż do poziomu synaps, śledzenie atomów litu w ładującej się baterii, wykrywanie śladowych ilości nanocząstek w glebie oraz „wirtualne sekcje” mumii bez otwierania sarkofagów. Już w kwietniu 2020 roku badacze używali nowej wiązki do badań wirusa SARS-CoV-2.

Paleontologia to specjalność z długą tradycją. ESRF datuje pierwsze skany skamieniałości wykonane przez Paula Tafforeau na 2000 rok, kiedy próbki miały centymetr czy dwa; dziś specjalna linia pomiarowa przyjmuje obiekty o wysokości do 2,5 metra i masie około 300 kilogramów. Biologia strukturalna zawsze stanowiła dużą część prac, a wśród użytkowników ESRF są dwaj laureaci Nagrody Nobla z chemii z 2009 roku, Ada Yonath i Venki Ramakrishnan: grupa Ramakrishnana korzystała z ESRF w badaniach budowy rybosomu, komórkowej fabryki białek.

Kto go prowadzi

ESRF to organizacja międzynarodowa, którą wspiera 19 państw partnerskich: 13 członków i 6 stowarzyszonych członków naukowych. Największe udziały mają Francja i Niemcy, a Polska jest jednym z członków stowarzyszonych. Przystąpiła 26 kwietnia 2004 roku, dwa tygodnie przed wejściem do Unii Europejskiej.

Każdego roku do Grenoble przyjeżdża ponad 9000 naukowców z całego świata, żeby prowadzić eksperymenty. Linie pomiarowe, czyli stanowiska rozmieszczone wokół pierścienia, pracują całą dobę, siedem dni w tygodniu; według zestawienia kluczowych danych ESRF jest ich 44. ESRF podaje też, że na podstawie jego danych powstaje blisko 2000 publikacji naukowych rocznie, a 30% badań publicznych prowadzi się z udziałem przemysłu.

Krótka historia

Pomysł jest starszy od maszyny. W 1975 roku fizyk William Garton z Imperial College London napisał do Europejskiej Fundacji Nauki z apelem o europejską współpracę w badaniach synchrotronowych, a pod koniec lat 70. grupy ekspertów opracowały parametry urządzenia. Ministrowie nauki 11 państw europejskich podpisali konwencję ESRF w Paryżu w 1988 roku, tworząc – jak pisze ESRF – pierwszy na świecie synchrotron trzeciej generacji. Pierwsza wiązka elektronów okrążyła pierścień akumulacyjny w 1992 roku i wtedy też przyjechali pierwsi użytkownicy. Oficjalne otwarcie, z 15 liniami pomiarowymi, odbyło się w 1994 roku, a w 1998 roku linii było już 40.

Pierwszy program modernizacji, w latach 2009–2015, dodał 19 nowych linii i nową halę eksperymentalną o powierzchni 8000 metrów kwadratowych. W 2015 roku ESRF rozpoczął projekt Extremely Brilliant Source (EBS): budowę nowego pierścienia akumulacyjnego w istniejącym tunelu. Stary pierścień wyłączono 10 grudnia 2018 roku, po 26 latach pracy; elektrony po raz pierwszy okrążyły nowy 28 listopada 2019 roku, a dla użytkowników otwarto go 25 sierpnia 2020 roku. ESRF nazywa go pierwszym wysokoenergetycznym synchrotronem czwartej generacji i podaje, że jasność i spójność wiązek wzrosły dzięki niemu stukrotnie. Projekt kosztował 150 milionów euro.

Jak naukowcy dostają czas pomiarowy

W badaniach akademickich czas na liniach pomiarowych przydziela się w drodze recenzji. Naukowcy składają wnioski, które oceniają panele recenzentów: jest ich 13, każdy obejmuje grupę linii, a każdy recenzent wystawia ocenę od 0 do 5,5. Osobno sprawdza się wykonalność techniczną i bezpieczeństwo. Standardowe terminy składania wniosków to 1 marca i 10 września, a decyzje zapadają mniej więcej trzy miesiące później. Chętnych nie brakuje: w 1995 roku ESRF otrzymał 792 wnioski, a w 2024 roku 2200.

Czas pomiarowy mogą też kupić firmy. ESRF zapewnia im poufny dostęp i wymienia takie branże jak farmacja, chemia, kosmetyki, żywność, energetyka, półprzewodniki i metalurgia; według ESRF w ciągu pięciu lat z poufnych badań skorzystało ponad 150 klientów.

Dlaczego to ważne

Jeden synchrotron obsługuje tysiące zespołów badawczych, które nigdy nie zbudowałyby takiej maszyny same. Na tym polega logika ESRF: państwa łączą pieniądze na jedno bardzo duże urządzenie i dzielą się czasem pracy na nim. Ta sama idea stoi za jego sąsiadem, źródłem neutronów opisanym na stronie Europejskie źródło neutronów, a oba urządzenia często wykorzystuje się razem – wyjaśniamy to na stronie Dwa sposoby patrzenia na atomy.