Text: Alarik Haglund
Den flervetenskapliga forskningsanläggningen European Spallation Source (ESS) i Lund är ett av de största forskningsinfrastrukturprojekten i Europa i dag och de flera hundra forskare och ingenjörer från hela världen som ansvarar för anläggningens tekniska design. De har tillsammans med projektledare och byggarbetare som arbetar med projektet redan kommit en bra bit på vägen mot målet att förse det internationella forskarsamhället med de analysverktyg som krävs för att möjliggöra framtida genombrott inom allt ifrån livsvetenskap, läkemedelsforskning och nanoteknik till arkeologi, magnetism och materialvetenskap.
European Spallation Source (ESS), som organisationsmässigt är ett europeiskt forskningsinfrastrukturkonsortium (ERIC), byggs på gammal åkermark utanför Lund, granne med den världsledande synkrotronljusanläggningen MAX IV. Eftersom det inte rör sig om en vidareutveckling av en befintlig anläggning har ESS kunnat utformas med fokus både på de framtida forskningsresultaten och på att påverka miljön så lite som möjligt. Förutom att mellan 2 000 och 3 000 gästforskare från olika universitet, forskningsinstitut och företag varje år kommer att kunna använda ESS breda spektrum av vetenskapliga instrument för att utföra experiment (som till stor del inte är möjliga i dag) är ambitionen dessutom att anläggningen under sin livstid ska vara helt klimatneutral, tack vare att bara förnybar energi används och att överskottsvärmen återanvänds i bland annat fjärrvärmenät i Lund.
Vinnande arkitektur
Efter en internationell arkitekttävling, som hölls 2012, fick ett arkitektteam under ledning av den danska firman Henning Larsen Architects i uppdrag att formge ESS byggnader.
– Flexibiliteten, den mänskliga skalan och den campus-liknande utformningen i Team Henning Larsens koncept kommer att ge oss en utmärkt bas för en funktionell och variabel arbetsplats anpassad till forskarnas behov. Eftersom det kröns av en symbolisk byggnad, kommer det också att ge den glans som avspeglar framtida ESS position i det europeiska forskningslandskapet, sade Colin Carlile, som var ESS vd då beslutet fattades.
De totalt 23 byggnaderna kommer att bestå av en mer än 500 meter lång galleribyggnad, som löper längs med en underjordisk linjär protonaccelerator, och en 125 meter lång och 30 meter hög målbyggnad, där protonerna från acceleratorn (genom att träffa ett mål) genererar neutroner. Målbyggnaden kommer i sin tur att omges av tre experimenthallar, som innehåller instrument som utnyttjar de neutroner som genereras för att analysera de material som forskarna studerar. Dessutom kommer det att finnas laboratorier, kontor och en föreläsningssal. Henning Larsen Architects strävar efter att skapa en flexibel miljö som främjar möten mellan forskare inom olika forskningsområden.
För att skapa en samstämmig bild av ESS är arkitekturen inspirerad av det målhjul av volfram som utgör kärnan i målbyggnaden, experimenthallarna knyts samman av ett stort tak, där både hjulets runda form och metallen volfram används.
Håller tidsschemat
Det första spadtaget till vad som kommer att bli värdens mest kraftfulla neutronkälla togs i september 2014 och nästan tre år senare kan man nu tydligt se hur anläggningen börjar ta form.
Byggarbetet, som hanteras av Skanska, har än så länge flutit på enligt tidsschemat och i november 2016 påbörjades de första tekniska installationerna. Sedan dess har den ena specialdesignade komponenten efter den andra installerats av ESS eller av de olika europeiska samarbetspartners som designat och konstruerat komponenterna. Några av de första tekniska installationerna var stråldumpen i målbyggnaden, testutrustning i acceleratorns galleribyggnad och heliumtankar, kompressorer och annan utrustning i den intilliggande kryobyggnaden, där helium kommer att kylas ner till mycket låga temperaturer för att användas i bland annat acceleratorn.
Parallellt med installationen av den tekniska utrustningen fortsätter dessutom byggarbetet. Så sent som i maj 2017 avslutades till exempel byggandet av den underjordiska acceleratortunneln och den lämnades över till ESS, som nu kan ta sig an arbetet med att börja installera utrustning till själva acceleratorn.
Forskningen vid anläggningen ska, om allt går som planerat, sätta igång 2023.
Innovativ lösning
En av de stora utmaningarna under arbetet med ESS har varit strömförsörjningen till acceleratorn, som med tanke på att den blir världens mest kraftfulla linjära protonaccelerator ställer stora krav som det med befintlig teknik skulle ha varit svårt att leva upp till.
Lösningen, som tagits fram av Carlos Martins, ESS Power Converters Section Leader, och hans forsknings- och utvecklingsgrupp vid ESS i samarbete med forskare från Lunds universitet, är en ny högspänningsmodulator, som efter att den första prototypen levererades 2016 nu tas i produktion i Bilbao i Spanien.
Genom att använda den nya, innovativa modulatordesignen kan kostnaderna minskas kraftigt, samtidigt som modulatorerna tar mycket mindre plats än vad de hade gjort om man hade använt sig av en traditionell modulatordesign. Det betyder att den nya högspänningsmodulatorn inte bara är oumbärlig för ESS utan även skulle kunna leda till ett paradigmskifte för strömförsörjningen av linjära partikelacceleratorer världen över.
I unikt laboratorium
Lunds universitet är inte det enda svenska universitet som är engagerat i arbetet med ESS. Vid Uppsala universitet invigdes 2013 FREIA-laboratoriet, vars syfte är att utveckla och testa utrustning i första hand till den linjära acceleratorn vid ESS.
Idén att skapa FREIA-laboratoriet, som är unikt i Sverige, kläcktes enligt Tord Ekelöf, som är professor i elementarpartikelfysik och föreståndare för FREIA-laboratoriet, så fort ESS-projektet fick klartecken och grundade sig på de tidigare erfarenheterna vid Uppsala universitet av att sedan på 1950-talet bygga och driva acceleratorer vid The Svedberg-laboratoriet samt på universitetets mångåriga samarbete med partikelfysiklaboratoriet CERN.
– Vi har mycket erfarenhet från CERN när det gäller utveckling av både detektorinstrument och acceleratorer. Vi har på Uppsala universitet deltagit i utvecklingen av LHC (Large Hadron Collider), som är den accelerator som nu används vid CERN, och CLIC (Compact Linear Collider), som är ett framtida acceleratorprojekt. Dessutom har vi nyligen skrivit en överenskommelse med CERN om tester i FREIA-laboratoriet av komponenter för den framtida uppgraderingen av LHC, berättar Tord Ekelöf.
Han talar också om att skapandet av FREIA-laboratoriet motiverades av ett intresse för fysiken och teknologin bakom acceleratorer samt en avsikt att möjliggöra för svensk industri att bli mer delaktig i utvecklingen och leveranserna av ledande komponenter till internationella acceleratorlaboratorier som CERN och ESS och därmed öka sin konkurrenskraft på den högteknologiska världsmarknaden.
Den finansiering som krävts för att bygga upp laboratoriet, som är 1 000 kvadratmeter stort och för närvarande har 20 anställda, har förutom från ESS kommit från regeringen, Uppsala universitet och Wallenbergstiftelsen, vilken enligt Tord Ekelöf bidragit med en stor kryoanläggning för produktion av flytande helium.
Prototyp testas
Tord Ekelöf meddelar att FREIA-laboratoriet idag är i full gång och att de i våras tog emot den första prototypen av en accelerationskavitet, som det kommer att finnas många av utefter acceleratorns längd för att accelerera protonerna.
– Om protonstrålen kommer in i accelerationskaviteten vid rätt ögonblick får den en skjuts av de kraftfulla radiofrekvensvågor som leds in i kaviteten, förklarar Tord Ekelöf.
Just nu håller de enligt Tord Ekelöf på att testa prototypen av accelerationskaviteten, som är nerkyld till minus 271 grader Celsius med hjälp av flytande helium och därmed är supraledande. De matar kaviteten, som är placerad i en vakuumkammare, med radiofrekvensvågor och gör mätningar för att bland annat studera hur kavitetens form deformeras och bestämma storleken hos värmeförlusterna, som trots att kaviteten är supraledande inte kan undvikas helt.
– Det finns många laboratorier ute i Europa som bidrar med många olika komponenter, men vi är det enda laboratoriet som hittills testat en accelerationskavitet för ESS vid full effekt, säger Tord Ekelöf, som dessutom påpekar att accelerationskaviteten i fråga, som utvecklats av Orsay-laboratoriet utanför Paris, är av en helt ny typ som inte tidigare använts i en protonaccelerator.
Serieproduktion
Efter den utvecklingsfas som nu pågår och där FREIA-laboratoriet deltar aktivt berättar Tord Ekelöf att den accelerationskavitet som nu testas ska serieproduceras i 26 exemplar.
– Det är först när vi har testat prototypen som dess design kan godkännas för serieproduktion i industrin, säger Tord Ekelöf.
Därefter ska var och en av de serieproducerade accelerationskaviteterna, som kommer från industrin, acceptanstestas innan de sätts in i acceleratorn, vilket enligt Tord Ekelöf också kommer att göras vid FREIA-laboratoriet mellan 2018 och 2019.
Källa: European Spallation Source (ESS)
Fakta
Byggfakta för ESS
Anläggningens totala längd: 650 meter
Byggnadernas totala area: 65 000 kvadratmeter
Byggnadernas totala volym: 400 000 kubikmeter
Betong: 50 000 kubikmeter
Armeringsjärn: 6 000 ton
Rör: 40 kilometer
Kablar: 2 000 kilometer
