Fizyka nie z tego świata

Na co naprawdę zmarł Beethoven? Czy da się zrobić lepszą czekoladę i pieluchy, które lepiej wchłaniają wilgoć? Odpowiedź tkwi w synchrotronach - maszynach, dzięki którym naukowcy rozpędzają elektrony niemal do prędkości światła

Do ogromnego, ogrodzonego płotem budynku wiedzie droga. Przy bramie szczegółowa kontrola dokumentów, potem długie oczekiwanie przed wejściem. Wreszcie zjawia się Dean Morris. To szef zespołu technicznego Australian Synchrotron, laboratorium, w którym znajduje się jeden z najnowocześniejszych synchrotronów na świecie. Krótki spacer krętymi korytarzami i po schodach. Jestem na miejscu. W samym sercu synchrotronu.

Prawie z prędkością światła

Synchrotron to specyficzny rodzaj akceleratora o wielkości boiska piłkarskiego, w którym pole elektryczne - przy wykorzystaniu pola magnetycznego - przyspiesza cząstki. Najpierw wystrzeliwuje się je z elektronowego działka i rozpędza w akceleratorze liniowym do 99,9997 proc. prędkości światła. Gdy mkną już prawie tak szybko jak światło, trzeba przyspieszyć je jeszcze bardziej - tym razem do około 99,999999 proc.

Ale ten proces nie może już się odbywać w akceleratorze liniowym, bo ten musiałby mieć długość dziesiątków, a nawet setek kilometrów. Zamiast tego wstrzykuje się wiązkę cząstek do akceleratora kołowego, czyli - obrazowo mówiąc - do rury, której dwa końce stykają się ze sobą.

Akcelerator kołowy to główna część synchrotronu. Choć takie zwinięcie tego urządzenia pozwala sprowadzić jego wielkość do rozsądnej skali, to obwód rury próżniowej, w której krążą elektrony, wynosi czasami grubo ponad kilometr.

synchrotron.org.au

rys. synchrotron.org.au

Kogo w synchrotronie ciągnie koń

Pole elektryczne w synchrotronie zachowuje się trochę jak koń ciągnący wóz. Bardzo dokładne urządzenia pilnują, by znak pola zmieniał się i zawsze był przeciwny, niż wiązka elektronów. W efekcie można powiedzieć, że zmieniające się pole elektryczne „ciągnie” wiązkę elektronów. A gdy pole przyspiesza, przyspieszają też elektrony.

Gdyby nie pole magnetyczne, rozpędzane cząstki poruszałyby się po liniach prostych, wypadając na zakrętach z rury. To ono wymusza zmiany kierunku naładowanych cząstek. Bardzo precyzyjnie dobrane parametry pola powodują, że pędzące z gigantyczną prędkością cząstki pozostają dokładnie w samym środku próżniowej rury. Nie wszystko jednak udaje się tam utrzymać i każdy zakręt elektronów wiąże się z emisją promieniowania. Elektrony skręcają w polu magnetycznym, ale promieniowanie nie skręca - podąża prosto. Tak właśnie powstaje promieniowanie synchrotronowe. I to ono jest celem budowy infrastruktury kosztującej ogromne pieniądze i angażującej setki specjalistów.

Promieniowanie synchrotronowe ma z punktu widzenia fizyka same zalety. Jest bardzo intensywne - setki tysięcy razy bardziej niż promieniowanie słoneczne. Gdyby dało się je zobaczyć gołym okiem, można by powiedzieć, że jest bardzo jasne. Dlaczego jest to ważne, zrozumie każdy, kto kiedykolwiek robił zdjęcia. Im jaśniejsze jest światło, tym krótszy czas naświetlania jest potrzebny, by uchwycić dane zjawisko. I tym szybciej można fotografować zachodzące procesy. Promieniowanie synchrotronowe przypomina gigantyczną lampę błyskową, dzięki której „na kliszy” można utrwalić materię na poziomie pojedynczych molekuł, zarejestrować proces, który trwa ułamki sekund, jak na przykład procesy chemiczne czy reakcje biologiczne.

Kolejna zaleta - promieniowanie synchrotronowe ma bardzo szeroki zakres: od mikrofal, przez podczerwień, promieniowanie widzialne, ultrafiolet, do promieniowania X włącznie. Z pewnym przybliżeniem można powiedzieć, że lampa błyskowa fałszuje obraz, bo świeci tylko światłem białym. W przypadku synchrotronu nie ma mowy o zafałszowaniu obserwacji, bo badacze w zależności od wymagań konkretnego eksperymentu mogą dobrać długość fali.

Co więcej, promieniowanie synchrotronowe jest spolaryzowane i silnie skolimowane, czyli w największym skrócie - uporządkowane i poruszające się po torach zbliżonych do równoległych.

1, 2, 3! Uśmiech, proszę!

Czas na kluczowe pytanie: po co to wszystko? Co się uzyskuje dzięki urządzeniom droższym od sond kosmicznych i bardziej skomplikowanym od myśliwców najnowszej generacji?

- Cóż, ograniczeniem jest tu w zasadzie tylko nasza wyobraźnia - odpowiada krótko profesor Gustav Nossal, biolog i dyrektor The Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research w Melbourne.

Przykłady?

Przeprowadzone na zlecenie firmy Dow Chemical badania synchrotronowe doprowadziły np. do opracowania polimerowych kulek pochłaniających wilgoć. A w praktyce kulki zastosowano w jednorazowych pieluszkach. Wcześniej robiono je z ligniny, która wchłaniała wilgoć, ale pod wpływem nacisku oddawała ciecz jak gąbka. Polimerowe kulki przytrzymują wilgoć, nawet gdy maluch upadnie na pupę lub przez całą noc przewraca się w łóżeczku.

W innych badaniach opracowano materiały niezmieniające swojej struktury w ekstremalnie wysokich temperaturach. Są wykorzystywane w silnikach odrzutowców.

Takie badania zleca fizykom nie tylko przemysł lotniczy czy kosmiczny, ale też samochodowy. Z jakich stopów budować tłoki w silniku? Odpowiedź na to pytanie warta jest miliony dolarów.

A jak smakuje czekolada?

Czekolada i włosy Beethovena

Kilkanaście lat temu brytyjski koncern spożywczy Cadbury postanowił sprawdzić, czy stosowana w jego fabryce metoda produkcji czekolady jest optymalna. Produkcja tzw. twardej czekolady jest dosyć skomplikowana. Kruszenie śruty kakaowej, rozgniatanie, konszowanie, zmniejszanie wilgotności, a na końcu dodawanie masła kakaowego. Wszystko w odpowiedniej kolejności i w odpowiednio wysokiej temperaturze.

Badania zlecono fizykom z Synchrotron Radiation Source w Daresbury w Wielkiej Brytanii. Cały proces produkcji czekolady naukowcy prześwietlili (dosłownie!) na poziomie pojedynczych molekuł. A konkretnie rozpraszali na próbkach promienie X pod małymi kątami, przyglądając się z uwagą głównie krystalizacji masła kakaowego. To podobno kluczowy moment dla całego procesu powstawania twardej czekolady. Dzięki badaniom synchrotronowym odkryto, że wprowadzając pewne zmiany technologiczne, można poprawić jakość produkowanej czekolady i... przy okazji zaoszczędzić sporo energii. Być może dałoby się dojść do podobnych wniosków metodą prób i błędów, ale wymagałoby to znacznie więcej czasu i środków.

Z podobnych badań bardzo chętnie korzystają firmy farmaceutyczne i laboratoria kryminalistyczne. Synchrotron jest bardzo czułym urządzeniem i potrafi zidentyfikować najmniejsze drobinki materii, takie jak pyłki kwiatów znalezione na ubraniu podejrzanego czy śladowe ilości trucizny. I to nie tylko z niedalekiej przeszłości. 173 lata po śmierci Ludwika van Beethovena zlecono badania synchrotronowe mające raz na zawsze rozwiązać zagadkę jego śmierci. Powszechnie uważano, że wielki kompozytor umarł na skutek syfilisu. W 2000 roku uczeni ze znajdującego się pod Chicago Argonne National Laboratory rozwiali wszelkie wątpliwości. Mając do dyspozycji zaledwie sześć włosów Beethovena, ustalili, że przyczyną jego śmierci było zatrucie ołowiem - czyli ołowica. Stężenie tego metalu w próbkach jego włosów było przekroczone stukrotnie! Skąd u kompozytora zatrucie ołowiem? Zapewne z powodu używania ołowianych naczyń.

W odwiedzonym przeze mnie austalijskim synchrotronie biolodzy badali między innymi kompleksy białkowe limfocytów T. Analizowali i manipulowali białkowymi łańcuchami, które zwijają się w bardzo złożony sposób i dotąd nie udawało się stwierdzić, jak funkcjonują. Dopiero promieniowanie X z synchrotronu pozwoliło odkryć tajemnice tych policjantów naszego układu immunologicznego. A to kluczowe dla opracowania wielu nowych terapii, wpływających bezpośrednio na naturalne reakcje odpornościowe organizmu. Pracę Australijczyków opublikowano w październiku w prestiżowym magazynie "Nature”.

Wnętrze austalijskiego synchrotronu / fot. John O'Neill / GNU FDL
Panorama wnętrza austalijskiego synchrotronu / fot. John O'Neill / GNU FDL

Deszcz trzęsie synchrotronem

Synchrotron to machina niebezpieczna i wrażliwa. Rura, w której rozpędzane są elektrony, musi być ukryta pod grubą warstwą betonu. Gdyby nie taka osłona, w czasie pracy urządzenia wszyscy znajdujący się w ośrodku zostaliby napromieniowani. Ze szczelnego bunkra w Australian Synchrotron promieniowanie wyprowadzane jest w 13 różnych miejscach. Każde z nich jest osobnym stanowiskiem pomiarowym, każde dostosowane do innego typu badań.

Przy budowie synchrotronu konstruktorzy muszą brać pod uwagę nie tylko zakrzywienie powierzchni Ziemi - zwłaszcza gdy ustawiają magnesy regulujące bieg wiązki elektronów - ale także obecność w okolicy ciężarówki czy opady deszczu.

Nie bez powodu synchrotrony buduje się na pustkowiu. Hamująca nawet kilkadziesiąt kilometrów od ośrodka ciężarówka lub pociąg zatrzymujący się na stacji wprawiają grunt w drgania, które przenoszą się na magnesy zakrzywiające wiązkę elektronów. Żeby ograniczyć do minimum wpływ środowiska zewnętrznego, stosuje się niezwykle wyrafinowane rozwiązania konstrukcyjne. - Kolumny podtrzymujące dach i ściany budynku, w którym znajduje się synchrotron, musiały zostać dokładnie odizolowane od podłogi, na której ustawione są elementy urządzenia - tłumaczy Dean Morris. Dlaczego? Ponieważ wiejący wiatr wprawia w drgania ściany budynku, a te przenoszą się na podłogę i dalej na elementy synchrotronu. Ten sam problem pojawia się, gdy pada deszcz. Dach drga, a wraz z nim podłoga. To wystarczy, by kompletnie zrujnować wyniki precyzyjnych badań. A razem z nimi, kto wie, może i smak czekolady.

Podyskutuj o  synchrotronach: facebook.com/madrzejszy.swiat

Tomasz Rożek jest doktorem fizyki i publicystą naukowym. Kieruje działem Nauka i Gospodarka w tygodniku "Gość Niedzielny". Jest założycielem Stowarzyszenia Śląska Kawiarnia Naukowa i autorem książki "Nauka po prostu. Wywiady z wybitnymi".

Więcej o: