Danmarks største partikelaccelerator tiltrækker forskere til Aarhus
Den store partikelaccelerator ASTRID2 kan levere kompakte, kraftige lysstråler. Forskerne bruger den ultraviolette stråling og røntgenstrålingen til at undersøge atomer og molekyler.
ASTRID2

Den 46 meter lange acceleratorring er omgivet af betonblokke, der stopper skadelig stråling. Helt inde ved ringen bruges også blyklodser til det samme. (Foto: S. V. Hoffmann/AU)

I kælderen under Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet er en ung dame omsværmet af forskere fra hele verden.

Forskerne må faktisk slås for at få lov til at tilbringe tid med ASTRID2, som kan noget helt specielt: 

Hun kan oplyse atomer og molekyler, så de er til at få øje på.

»ASTRID2 producerer meget kraftigt lys, særligt ultraviolet lys og det, vi kalder blød røntgenstråling. Som lyskilde er den exceptionel, det er der ingen tvivl om,« fortæller seniorforsker Søren Vrønning Hoffmann fra instituttet. Han er head of beamlines og hjælper de forskergrupper, der kommer for at bruge forskningsfaciliteten.

Jo mindre noget er, desto sværere er det at se det, men det hjælper gevaldigt, hvis der skrues rigtig godt op for lyset. Det er præcis, hvad ASTRID2 er ferm til – at fokusere ekstremt meget lys på et lillebitte område.

Serie: Danmarks dyre dimser

Hundedyre videnskabelige apparater er uundværlige for forskerne.

Denne artikel er første del af en ny serie, hvor vi fortæller om fem af Danmarks dyreste maskiner tilegnet forskningen – hvad de kan, og hvem der bruger de vilde, videnskabelige værktøjer.

Fælles for de kostbare forskningsfaciliteter er, at de ikke blot anvendes af en enkelt forskergruppe, men står til rådighed for mange forskere fra universiteter og industrien.

Elektroner udsender lys

ASTRID2 er en accelerator, hvor elektroner farer rundt med en hastighed ganske tæt på lysets.

Med en omkreds på 45,7 meter er det Danmarks største partikelaccelerator.

Det lyder måske ikke af meget i forhold til de 27 km, som er omkredsen for verdens suverænt største partikelaccelerator, CERN's Large Hadron Collider, men formålet med ASTRID2 er da også et helt andet.

Her handler det ikke om at smadre partikler sammen for at løse fysikkens største gåder, men om at producere kompakte, intense lysstråler.

De mere end 100 milliarder elektroner, der farer rundt i acceleratoren, udsender strålingen, når store magneter tvinger dem til at ændre retning.

ASTRID2 magnetsystem

Store magnetsystemer som denne såkaldte undulator sørger for at afbøje elektronernes bane, så der udsendes en meget fin, kraftig lysstråle. (Foto: S. V. Hoffmann/AU)

Elektronerne mister energi, når det kraftige lys udsendes, men der pumpes hele tiden ny energi ind til dem, så de bevarer farten og bliver ved med at udsende lige kraftigt lys.

Hvis man vil koncentrere meget lys på et lille område, er det oplagt at bruge en laser. Men ASTRID2 kan udsende kraftig stråling ved bølgelængder, hvor laserne ikke kan være med, specielt ultraviolet lys og røntgenstråling.

Nye materialer kan undersøges

Ved hjælp af de kraftige lysstråler, som det store apparat slipper ud i syv forskellige retninger, kan forskerne komme helt tæt på naturens mindste objekter.

Både fysikere, kemikere og biologer kan bruge det stærke lys, som ASTRID2 udsender.

På Aarhus Universitet er det ikke mindst en gruppe fysikere, der forsøger at udvikle helt nye materialer, der er glade for acceleratoren.

De bruger den til at nærstudere de nye materialer og finde ud af deres egenskaber. Det kan man læse mere om i denne artikel fra Ingeniøren.

Kan føre til bedre solceller

Seniorforsker Stela Canulescu fra Institut for Fotonik på Danmarks Tekniske Universitet har også benyttet ASTRID2 i flere omgange i løbet af de seneste fem år – senest til studiet af tynde solceller, fortæller hun:

Forsøgsopstilling ASTRID2 Aarhus

Syv steder kommer der meget intense lysstråler ud fra acceleratoren. Strålingen bruges i forsøgsopstillinger som denne, hvor forskerne kan følge, hvordan biomolekyler folder sig. (Foto: S. V. Hoffmann/AU)

»I vores gruppe udvikler vi funktionelle materialer baseret på miljøvenlige grundstoffer som kobber, zink, tin og svovl til brug i solceller. Men ydelsen fra en solcelle afhænger ikke kun af materialerne, men også af grænsefladerne mellem dem.«

I den forbindelse bruger Stela Canulescu og hendes gruppe de bløde røntgenstråler fra ASTRID2 til at studere disse grænseflader for at forstå detaljerne i deres struktur.

»ASTRID2 har nogle unikke egenskaber. Specielt er den bløde røntgenstråling velegnet til at karakterisere overflader og lagene mellem materialer lige under overfladen. Det kunne vi ikke gøre på den schweiziske facilitet, hvor vi tidligere foretog vores eksperimenter,« siger Stela Canulescu.

Proteiner og dna kommer under luppen

Forskerne arbejder også med meget andet end nye materialer.

»For eksempel biomolekyler som proteiner og DNA. Det ultraviolette lys fra ASTRID2 er perfekt til at studere disse store molekyler,« fortæller Søren Vrønning Hoffmann.

Lyset kan afsløre, hvordan proteiner folder, og hvordan DNA opfører sig under forskellige betingelser.

For nyligt undersøgte forskerne for eksempel, hvad der sker med DNA når det udsættes for ultraviolet stråling som fra Solen. Den forskning kan føre til en bedre forståelse af, hvorfor man kan få hudkræft af at være for meget ude i solen.

ASTRID2 bruges også til at studere, om de mange forskellige stoffer, vi udleder i atmosfæren, bidrager til drivhuseffekten eller påvirker ozonlaget.

Mange vil til fadet

Listen over anvendelser er alenlang, og der er rift om acceleratoren, der er i gang døgnet rundt.

En gang om året kan forskere ansøge om at få lov til at bruge ASTRID2, og så bliver forslagene vurderet af et internationalt panel.

Masser af ny viden

Forskerne bruger ASTRID2 til eksperimenter, der gør dem klogere på naturen.

De nye erkendelser bliver formidlet til omverdenen via videnskabelige artikler, hvor kollegerne og vi andre kan læse, hvad forskerne har fundet ud af.

Alene i 2017 blev det til 40 artikler baseret på resultater fra ASTRID2.

De fleste forslag er gode – forskerne har solide argumenter for, at ASTRID2 kan bringe forskningen videre inden for deres felt. Og de kommer fra hele verden.

»Hvert år får vi cirka 60 henvendelser fra folk, der gerne vil rejse hertil for at bruge vores instrument. Mange kommer fra europæiske lande, men vi har også brugere langvejs fra. I år får vi for eksempel besøg fra en gruppe fra Brasilien og en anden fra Australien, og en inder har også meldt sig på banen,« siger Søren Vrønning Hoffmann.

Staten gav 37 millioner til at starte med

ASTRID2 er en dyr dame, men hun er ikke helt nem at sætte pris på. Eventyret startede i 2008, hvor der blev bevilget 37 millioner kroner fra statens pulje til forskningsinfrastruktur.

Så kunne arbejdet med at bygge acceleratoren gå i gang, og den udsendte sit første lys i 2012.

Diverse fonde som for eksempel Lundbeckfonden og Carlsbergfondet har også bidraget til ASTRID2, som løbende er blevet udbygget.

Alt i alt har hele forskningsfaciliteten nok kostet omkring 175 millioner igennem årene, og det inkluderer forløberen ASTRID (Aarhus STorage RIng in Denmark). Den fungerer i dag fungerer som for-accelerator for ASTRID2.

ASTRID og ASTRID2

Elektroner fra acceleratoren ASTRID til venstre sendes videre til ASTRID2 til højre. (Illustration: ISA)

Og de penge er givet rigtig godt ud, mener Søren Vrønning Hoffmann. Både fordi ASTRID2 kan bruges til så mange forskellige ting, men også fordi den er en del af et stort, internationalt spil, hvor forskerne deles om et begrænset antal forskningsfaciliteter.

Når udenlandske forskere får lov til at bruge ASTRID2 uden beregning, bliver dørene åbnet for danske forskere, der gerne vil benytte de udenlandske instrumenter.

Og i den tid, hvor forskere fra andre universiteter er i Aarhus, udveksler de ideer og erfaringer med de lokale forskere, hvilket kan være guld værd.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.