Knuser atomer for å designe fremtidens legemidler og solceller

Norden får nå tidenes kraftigste nøytronkanon. Kanonen skal gjøre det mulig å avfotografere molekylstrukturene i materialer og proteiner tretti ganger bedre enn hva som er mulig i dag. Forbedringen blir som å belyse gjenstander med blitzlys fremfor stearinlys. Den gjør det mulig å avbilde selv de minste atomene i et molekyl.

Nært Norge

Den nye nøytronkanonen, som blir historiens mest avanserte, nordiske forskningsanlegg, skal brukes i en rekke viktige eksperimenter innenfor nano- og materialteknologi, fysikk, medisin, farmasi, biovitenskap og arkeologi. Den har fått det klingende navnet European Spallation Source (ESS). Anlegget skal bygges i Lund i Sverige. Prislapp: Femten milliarder kroner. Det er like mye som tre operabygg. 17 europeiske land er med på dugnaden. Norge bidrar med 375 millioner kroner. Det første spadetaket er tatt. Kanonen er klar til bruk om ni år.

Europa har i dag mer enn 5000 vitenskapsmenn som bruker nøytroner i forskningen sin.

– ESS vil ha stor betydning for europeisk forskning og åpner muligheter for å utvikle helt nye materialer. Den geografiske nærheten gir forskerne våre særlig gode muligheter, påpeker  viserektor Knut Fægri ved Universitetet i Oslo.

Enorm dugnad

Akkurat som tusenvis av fysikere har samarbeidet om å få bygget det krevende partikkelkollisjonsanlegget i CERN, der forskere skulle finne universets minste partikler og forklaringen på hva som skjedde rett etter Big Bang, går fysikere i mange land denne gang sammen om å bygge nøytronkanonen i Lund. Hvert land skal bygge sin del. 1300 forskere er involvert.

– Det blir ingen hyllevare. Maskinene er basert på superledende teknologi som er forsket frem de siste tjue årene. Det er nettopp denne forskningen ESS nyter godt av nå. Alt må designes, testes og forskes frem. Vi tøyer grensene for hva som er mulig, forteller ekspert på partikkelakseleratorer, førsteamanuensis Erik Adli på Fysisk institutt.

Skyter protoner

Kort fortalt skal anlegget skyte nøytroner i en enorm hastighet inn gjennom de materialene som skal undersøkes. Måten nøytronene skifter retning på, kan brukes til å beregne hvordan strukturen ser ut inne i materialet.

Dette er lettere sagt enn gjort.

Det hele starter med å skyte protoner, som er de  ladde partiklene i atomkjernen, og akselerere dem opp i en enorm hastighet i en seks hundre meter lang partikkelakselerator.

Bare akseleratoren i seg selv skal settes sammen av mer enn tusen spesiallagde komponenter.

Akselereringen skjer ved å sende protonene gjennom svært sterke elektriske felt med en spenning på hele to milliarder volt. Spenningen er ni millioner ganger høyere enn i strømkontakten din.

– For å kunne skjønne hvor kraftig akseleratoren er, kan vi sammenligne det med å slenge inn biler på ett tonn i 100 kilometer i timen fjorten ganger i sekundet, 24 timer i døgnet året rundt, forteller Erik Adli.

Knuser atomer

Når protonene har kommet opp i høy hastighet, skal de kollidere med og slå løs nøytroner fra et nøytronrikt metall, bestående av grunnstoffet wolfram.

Selv om anlegget skal gå døgnet rundt, har den bæreposestore klumpen med wolfram nok nøytroner til et helt års forbruk.

For hvert proton som sendes inn i wolframklumpen, skal det slås løs 20 nøytroner. Det kan derfor kjøres 20 parallelle eksperimenter samtidig. Oppløsningen vil bli overveldende god.

– Det vil bli mulig å se detaljer så små som en hundremilliontedels millimeter, som er bredden på atomene i et molekyl.

Samtidig vil systemet gjøre det mulig å se hvordan et materiale molekylært endrer seg i en kjemisk reaksjon. Her er det snakk om en tidsoppløsning på en milliontedels sekund.

– Vi kan da se hvordan molekylene reagerer med hverandre.

Forskningsgruppen til Erik Adli jobber med å designe hvordan protonstålen skal akselereres frem til wolfram-klumpen. Dette skjer i samarbeid med fysikere i mange land.

En av de store utfordringene er å bygge opp en så kraftig protonstråle uten å ødelegge alt på veien.  Hvis strålen går feil vei, kan skadene lamme anlegget i flere måneder.

– Akseleratoren må derfor være like robust som en kjernereaktor, poengterer Erik Adli.

Reagerer på medisiner

Nøytronkanonen kan brukes til å få en dypere forståelse av hvordan cellene våre reagerer på legemidler.

– Med ESS kan vi gjøre mange nye typer målinger på biologiske molekyler og studere de kjemiske reaksjonene i mikrosekunder. Det er ikke mulig i dag. Vi kan også designe nanopartikler til medisinsk bruk, forteller postdoktor Reidar Lund på Kjemisk institutt.

Forsker Preben Morth, som er leder for forskergruppen Membrane transportsystemer på Norsk senter for molekylærmedisin, har tatt et dypdykk i hvordan proteiner pumper ioner, som altså er ladde atomer, gjennom celleveggene for å opprettholde likevekten av salter i cellene.

– ESS åpner muligheten for en mer dyptgående forskning i strukturell biologi, forteller Morth og trekker frem muligheten til å teste ut hvordan medisiner reagerer på molekylnivå i cellene.

– Tabletter inneholder molekyler som kommer fra den kjemiske industrien. Det er viktig å teste hvordan de kunstige molekylene reagerer i kroppen, slik som hvordan de reagerer med proteiner i cellene og påvirker dynamikken i cellemembranene. Vi vil gjerne forstå dette nøyaktig, poengterer Preben Morth.

Avslører proteiner

Professor K. Kristoffer Andersson på Institutt for biovitenskap sier nøytronkanonen kan gi ny informasjon om strukturen og funksjonen til proteiner.

– ESS gjør det mulig å se små, viktige detaljer i proteiner, som er meget vanskelige å få øye på med vanlig røntgen. Ett eksempel er hydrogenbindingene med andre atomer. Forskningsanlegget kan derfor gi oss ny informasjon som kan bli viktig for å utvikle nye legemidler, sier Andersson.

Professor Ute Krengel på Kjemisk institutt forsker på proteiner i levende celler og er nå i gang med å finne ny medisin mot tuberkulose.

Noen ganger drar hun til «den europeiske synkrotronen », en kraftig røntgenmaskin, i Grenoble for å undersøke proteiner. Synkrotronen har en svær strålekilde med en omkrets på nesten en kilometer.  Uheldigvis påvirker røntgenstråler ømfintlige, biologiske prøver.

– Derimot er det nesten ingen stråleskader på materialet når man bombarderer det med nøytroner, fremhever Ute Krengel.

Helt nye materialer

Materialforskerne vil også ha stor glede av nøytronkanonen.

– Nøytroner er svært egnet for å trenge inn og avdekke spenninger og sprekker i forskjellige typer metaller og materialer uten å ødelegge dem. Med ESS kan vi for første gang observere hydrogenatomer i faste materialer. Det er viktig for å kunne forske på materialer til hydrogenlagring, brenselceller, batterier og solceller, poengterer Bjørn Hauback, som både er professor på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo og forskningsleder på avdeling for fysikk ved Institutt for energiteknikk på Kjeller.

Professor Helmer Fjellvåg på Kjemisk institutt er trolig den forskeren ved UiO som har mest erfaring med nøytronanalyser de siste tretti årene.

– ESS kan bli viktig for norsk materialforskning og vil være et svært viktig supplement til røntgenbaserte studier når man skal studere kontraster mellom nabogrunnstoffer i det periodiske systemet og bindinger mellom lette og tunge grunnstoffer, påpeker Helmer Fjellvåg.

Atomkraftverk

ESS kan også brukes til å studere nye egenskaper i den neste generasjonen kjernekraftreaktorer.

Her skal det brukes nøytroner med større bevegelsesenergi enn i dagens reaktorer.

– Ved å bruke høyere bevegelsesenergi på nøytroner, kan vi benytte andre typer isotoper som brensel enn i dag. Ett eksempel er Thorium. Vi kan også bedre bruken av fossilt materiale. Det betyr at vi kan bruke mer atomavfall til energi og dermed kvitte oss med mer av det gamle avfallet, sier stipendiat Sunniva Rose i gruppen Kjerne- og energifysikk på Fysisk institutt.

Næringslivet

Takket være forskningsreaktoren Jeep II på Kjeller, mener Bjørn Hauback at norske forskere vil kunne få et betydelig konkurransefortrinn.

– Reaktoren på Kjeller vil være viktig for opplæring og testing i forkant av eksperimentene på ESS, poengterer Hauback.

Professor Sunniva Siem, leder av gruppen Kjerne-og energifysikk på Fysisk institutt, har invitert det norske næringslivet til å bidra gjennom Cluster for accelerator technology (CATE).

Poenget er å øke kompetansen til bedriftene innen akseleratorteknologi, slik at nordiske firmaer kan levere en del av utstyret til ESS.

– Bedrifter i Skagerak-regionen skal samarbeide om å levere deler til akseleratoren. Når ESS kommer på anbud, skal de ha den teknologiske kompetansen til å levere, forteller Sunniva Siems samarbeidspartner, postdoktor Gry Tveten.

Foreløpig har danske og svenske bedrifter vist langt større interesse enn det norske næringslivet.

Ett av mange verktøy

Forskningsdekan Svein Stølen på det Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet påpeker at ESS helt klart vil sprenge vitenskapelige barrierer.

– ESS er et fantastisk anlegg. Nøytroner kan brukes til å avsløre struktur og dynamikk i molekyler og faste stoffer. Men det er ikke slik at dette anlegget nødvendigvis direkte og alene gir nye materialer og medisiner, selv om det er det politikerne ønsker å høre. Men jeg er overbevist om at anlegget, i kombinasjon med andre forskningsanlegg, vil være viktig, poengterer Svein Stølen, som minner om at materialforskerne trenger en svær verktøykasse og at ESS bare er ett av de mange verktøyene forskerne trenger.

Synkrotronen

Røntgenundersøkelsene i synkrotroner vil fortsatt dominere materialforskningen. Vegg i vegg med nøytronkanonen skal det derfor bygges en ny synkrotron, kalt Max IV4.

– Denne synkrotronen vil kanskje være vel så viktig for forskerne våre, antyder viserektor Knut Fægri.