ESS یا نوترون چیست و چرا ۱۳ کشور با هم متحد شدند تا این میکروسکوپ غول‌پیکر را بسازند؟

در اعماق جهان نامرئی اتم‌ها، جایی که نور توان دیدن ندارد، ذراتی پنهان شده‌اند که کلید حل بزرگترین معماهای قرن بیست و یکم هستند؛ از درمان قطعی سرطان و ساخت باتری‌هایی با عمر بی‌پایان گرفته تا درک منشأ حیات در کیهان. برای نفوذ به این دنیای اسرارآمیز، بشر به ابزاری فراتر از تخیل نیاز دارد.

ما در سایت مجله ویانامگ، امروز شما را به سفری هیجان‌انگیز در قلب یکی از بزرگترین پروژه‌های علمی تاریخ بشر می‌بریم: منبع پراش نوترونی اروپا یا ESS. این مرکز که در حاشیه شهر لوند سوئد در حال قد کشیدن است، تنها یک آزمایشگاه نیست؛ بلکه خانه‌ی یک میکروسکوپ غول‌پیکر است که با همکاری ۱۳ ملت پیشرو، قرار است درخشان‌ترین باریکه‌های نوترونی جهان را تولید کند.

اما ESS یا نوترون چیست؟ و چرا برای ساختن آن، قاره اروپا تمام نبوغ و ثروت خود را به کار گرفته است؟ در این گزارش جامع، به بررسی دقیق مکانیزم این ابرسازه، نقش حیاتی نوترون‌ها در علم مدرن و کاربردهای شگفت‌انگیز میکروسکوپ غول‌پیکر در تغییر آینده بشریت خواهیم پرداخت.

ESS دقیقا چیست و چرا به آن «میکروسکوپ غول‌پیکر» می‌گویند؟

منبع پراش نوترونی اروپا (ESS) یک کنسرسیوم زیرساخت تحقیقاتی اروپایی (ERIC) است که بر اساس پیشرفته‌ترین و قدرتمندترین منبع نوترونی مبتنی بر شتاب‌دهنده در جهان بنا شده است.

این مرکز تحقیقاتی چندرشته‌ای، ماموریت دارد تا از طریق تولید باریکه‌های نوترونی با شدت بی‌سابقه، امکان مطالعه ساختار و دینامیک مواد را در مقیاس‌های اتمی و مولکولی فراهم آورد.

اصطلاح میکروسکوپ غول‌پیکر به این دلیل به ESS اطلاق می‌شود که برخلاف میکروسکوپ‌های نوری سنتی که از فوتون‌ها برای مشاهده سطح اجسام استفاده می‌کنند، ESS از نوترون‌ها برای نفوذ به عمق مواد بهره می‌برد.

این ویژگی به دانشمندان اجازه می‌دهد تا فرآیندهای درون یک موتور هواپیما، یک سلول زنده یا یک تراشه نانوتکنولوژی را با دقتی ببینند که پیش از این هرگز ممکن نبوده است.

ساختار ESS ترکیبی پیچیده از فناوری‌های لبه است که شامل یک شتاب‌دهنده خطی پروتون به طول ۶۰۰ متر، یک ایستگاه هدف تنگستنی و مجموعه‌ای از ۱۵ ابزار علمی منحصر به فرد در فاز اولیه است.

این مرکز را می‌توان به یک پازل غول‌آسا تشبیه کرد که قطعات آن با تخصص فنی بیش از ۱۰۰ موسسه تحقیقاتی در سراسر اروپا طراحی و ساخته شده‌اند.

در حالی که ابزارهایی مانند تلسکوپ هابل به ما اجازه می‌دهند اعماق کیهان را کاوش کنیم، ESS به عنوان یک میکروسکوپ غول‌پیکر عمل می‌کند تا پایه بنیادی‌ترین نیروها و ساختارهای اتمی که جهان ما را شکل می‌دهند، درک کنیم.

دلیل علمی برتری ESS یا نوترون در این است که نوترون‌ها به دلیل نداشتن بار الکتریکی، به راحتی از ابر الکترونی اتم‌ها عبور کرده و مستقیماً با هسته برخورد می‌کنند.

این امر باعث می‌شود که آن‌ها قدرت نفوذ فوق‌العاده‌ای داشته باشند، به طوری که می‌توانند بدون ایجاد تخریب، از چندین سانتی‌متر فولاد عبور کنند و اطلاعاتی از درون آن استخراج کنند.

این میکروسکوپ غول‌پیکر نه تنها مکمل آزمایشگاه‌های سنتی است، بلکه قابلیت‌های آن تا ۱۰۰ برابر فراتر از منابع نوترونی فعلی جهان پیش‌بینی شده است.

ویژگی فنی	شرح در ESS	اهمیت علمی
ماهیت منبع	شتاب‌دهنده خطی پروتون	تولید باریکه‌های نوترونی با شدت بالا
شدت باریکه	۱۰۰ برابر درخشان‌تر از منابع فعلی	امکان مطالعه نمونه‌های کوچکتر و فرآیندهای سریع‌تر
ساختار پالس	پالس‌های طولانی (میلی‌ثانیه)	رزولوشن انرژی بالا و انعطاف‌پذیری در آزمایش
عناصر کلیدی	شتاب‌دهنده، چرخ تنگستنی، ابزارهای علمی	پوشش طیف وسیعی از تحقیقات مواد

نوترون‌ها از کجا می‌آیند؟

در دنیای اتمی، نوترون‌ها معمولاً در داخل هسته اتم‌ها محبوس هستند و به جز در موارد فروپاشی رادیواکتیو، به راحتی آزاد نمی‌شوند.

برای تولید باریکه‌های نوترونی جهت استفاده در تحقیقات، دانشمندان معمولاً از دو روش اصلی استفاده می‌کنند: شکافت هسته‌ای در راکتورها و پراش (Spallation) در شتاب‌دهنده‌ها.

پراش یا اسپالاسیون فرایندی است که در آن، با یک ذره پرانرژی (مثل پروتون) به هسته یک اتم سنگین ضربه زده می‌شود. این ضربه آن‌قدر محکم است که باعث تراشیده شدن هسته اتم می‌شود و تعدادی نوترون به بیرون پرتاب شود.

ESS روش پراش را برگزیده است که فرآیندی ایمن‌تر و کارآمدتر نسبت به شکافت اورانیوم محسوب می‌شود، زیرا برخلاف راکتورها، واکنش پراش با قطع جریان پروتون‌های ورودی بلافاصله متوقف می‌شود و پسماند رادیواکتیو کمتری نیز تولید می‌کند.

فرآیند تولید نوترون در ESS یا نوترون با شتاب دادن به پروتون‌ها تا سرعت‌های نسبیتی (حدود ۹۶٪ سرعت نور) آغاز می‌شود.

هنگامی که این پروتون‌های پرانرژی به هسته‌های سنگین تنگستن برخورد می‌کنند، باعث ایجاد یک واکنش فیزیکی شدید می‌شوند که در آن، هسته هدف به اصطلاح “خرد” شده و ابری از نوترون‌های پرانرژی را به بیرون پرتاب می‌کند.

این پدیده دقیقاً همان جایی است که نام “منبع پراش” (Spallation Source) از آن نشأت گرفته است. نوترون‌های آزاد شده در این مرحله انرژی بسیار بالایی دارند و برای اینکه برای دانشمندان در میکروسکوپ غول‌پیکر قابل استفاده باشند، باید سرعت آن‌ها به شدت کاهش یابد.

این کاهش سرعت از طریق فرآیندی به نام “تعدیل” (Moderation) انجام می‌شود. نوترون‌ها از میان مخازنی حاوی آب یا هیدروژن مایع فوق‌سرد عبور می‌کنند تا با برخورد به اتم‌های هیدروژن، انرژی خود را از دست بدهند و به تعادل حرارتی برسند.

نوترون‌های “سرد” یا “حرارتی” حاصل، طول موجی متناسب با فواصل بین اتمی در مواد دارند، که همین ویژگی آن‌ها را به ابزاری ایده‌آل برای مطالعه چیدمان اتم‌ها تبدیل می‌کند.

این فرآیند تولید و تعدیل نوترون، قلب تپنده ESS است که به ۱۳ کشور عضو اجازه می‌دهد تا به عمیق‌ترین سطوح ماده نفوذ کنند.

تونل شتاب‌دهنده؛ آغاز راه

 

سفر نوترون‌ها در واقع از ۶۰۰ متر عقب‌تر، در ابتدای یک تونل شتاب‌دهنده خطی (Linac) عظیم آغاز می‌شود. این شتاب‌دهنده وظیفه دارد پروتون‌ها را از حالت سکون گرفته و انرژی آن‌ها را به سطح خیره‌کننده ۲ گیگا الکترون ولت برساند.

در ابتدای این مسیر، یک منبع یونی قرار دارد که با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی قوی و امواج مایکروویو، الکترون‌ها را از اتم‌های هیدروژن جدا کرده و پلاسمایی از پروتون‌های خالص تولید می‌کند. این پروتون‌ها سپس وارد بخش‌های مختلف شتاب‌دهنده می‌شوند تا پله‌پله سرعت بگیرند.

 

شتاب‌دهنده ESS یا نوترون از دو بخش اصلی تشکیل شده است: بخش دمای اتاق (Normal Conducting) و بخش ابررسانا (Superconducting).

در بخش ابررسانا، از حفره‌های نیوبیومی استفاده می‌شود که در دمای منفی ۲۷۱ درجه سانتی‌گراد (نزدیک به صفر مطلق) نگهداری می‌شوند.

در این حالت، مقاومت الکتریکی ناپدید شده و می‌توان با مصرف انرژی بسیار کمتر، میدان‌های الکتریکی فوق‌العاده قوی ایجاد کرد که پروتون‌ها را مانند یک موج‌سوار بر روی موج‌های رادیویی به جلو می‌راند.

این فناوری نه تنها کارایی شتاب‌دهنده را افزایش می‌دهد، بلکه آن را به قدرتمندترین شتاب‌دهنده خطی پروتون در جهان تبدیل کرده است.

نصب تجهیزات در این تونل طولانی یک چالش مهندسی بزرگ بوده است. هر بخش از شتاب‌دهنده باید با دقت میکرومتری تراز شود تا باریکه پروتون از مسیر خود منحرف نشود.

در طول این مسیر، واحدهای گرم شتاب‌دهنده (LWUs) نصب شده‌اند که شامل سیستم‌های تشخیص باریکه و آهنرباهای تمرکزدهنده هستند.

نصب این واحدها در محیط‌های اتاق تمیز (Cleanroom) با استانداردهای بسیار سخت‌گیرانه انجام می‌شود تا از ورود هرگونه ذره غبار به داخل سیستم خلاء جلوگیری شود، چرا که حتی کوچکترین آلودگی می‌تواند باعث تخلیه الکتریکی و توقف کل میکروسکوپ غول‌پیکر شود.

کنترل پروتون‌ها با مغناطیس

 

وقتی پروتون‌ها با سرعتی نزدیک به نور در حرکت هستند، به دلیل بار الکتریکی مثبت هم‌نام، تمایل شدیدی دارند که از هم دور شده و باریکه را منفجر کنند. برای مهار این نیروی دافعه و نگه داشتن پروتون‌ها در یک مسیر باریک و دقیق، ESS از یک سیستم پیچیده مغناطیسی استفاده می‌کند.

در طول تونل شتاب‌دهنده، بیش از ۲۰۰ آهنربای قدرتمند نصب شده است که شامل آهنرباهای چهارقطبی (Quadrupole) برای تمرکز باریکه و آهنرباهای دوقطبی (Dipole) برای هدایت و خم کردن مسیر باریکه به سمت ایستگاه هدف است.

آهنرباهای چهارقطبی مانند لنزهای اپتیکال عمل می‌کنند؛ با این تفاوت که به جای نور، باریکه پروتون را متمرکز می‌کنند. این آهنرباها باریکه را به تناوب به صورت افقی و عمودی فشرده می‌کنند تا در نهایت یک نقطه برخورد دقیق روی هدف تنگستنی ایجاد شود.

بسیاری از این آهنرباها توسط سیستم‌های خنک‌کننده آب سرد می‌شوند تا گرمای ناشی از جریان‌های الکتریکی بالا، باعث تغییر شکل فیزیکی و افت دقت آن‌ها نشود.

این سیستم‌های مغناطیسی با همکاری نزدیک موسسات تحقیقاتی در ایتالیا (مانند INFN و Elettra) طراحی و ساخته شده‌اند که نشان‌دهنده ابعاد بین‌المللی این میکروسکوپ غول‌پیکر است.

علاوه بر تمرکز، سیستم‌های تصحیح‌کننده (Corrector Magnets) نیز وجود دارند که هرگونه انحراف کوچک ناشی از میدان‌های مغناطیسی زمین یا ناهماهنگی‌های فیزیکی را جبران می‌کنند. کل این شبکه مغناطیسی توسط ۳۹ رک مبدل قدرت پیشرفته تغذیه می‌شود که جریان‌های دقیقی تا ۴۰۰ آمپر را تامین می‌کنند.

در پایان مسیر شتاب‌دهنده، دو آهنربای دوقطبی عمودی بزرگ وظیفه دارند باریکه را از سطح تونل به سطح ایستگاه هدف بالا بیاورند تا آماده برخورد نهایی و تولید نوترون شود.

نوع آهنربا	تعداد تقریبی	وظیفه اصلی	منبع تامین (In-Kind)
چهارقطبی (Quadrupole)	۱۳۹ عدد	تمرکز باریکه پروتون (افقی و عمودی)	ایتالیا (Elettra/INFN)
تصحیح‌کننده (Corrector)	۷۱ عدد	هدایت دقیق و تصحیح مسیر باریکه	ایتالیا / بریتانیا
دوقطبی (Dipole)	چندین عدد	خم کردن مسیر و انتقال به ایستگاه هدف	ایتالیا
مبدل‌های قدرت	۲۲۳ واحد	تامین جریان الکتریکی دقیق آهنرباها	ایتالیا

سال‌ها نصب، آزمون و راه‌اندازی؛ پروژه‌ای که با صبر جلو رفت

ساخت یک ابرپروژه مانند ESS یا نوترون شباهتی به پروژه‌های ساختمانی معمولی ندارد. این فرآیندی است که بیش از یک دهه به طول انجامیده و نیازمند هماهنگی دقیق بین ۱۳ کشور عضو بوده است.

از زمان شروع رسمی ساخت در تابستان ۲۰۱۴، هر مرحله از پروژه با آزمون‌های سخت‌گیرانه همراه بوده است. یکی از مهم‌ترین دستاوردهای اخیر، اتمام نصب و تست یکپارچه تمام ۲۱۳ آهنربای شتاب‌دهنده و منابع تغذیه آن‌ها در اواخر سال ۲۰۲۴ بود که گامی حیاتی به سمت نقطه “Beam on Target” محسوب می‌شود.

مدل “مشارکت غیرنقدی” (In-Kind Contribution) که در ESS اجرا می‌شود، به این معناست که کشورهای عضو به جای پرداخت صرفاً پول نقد، قطعات حیاتی پروژه را در آزمایشگاه‌ها و صنایع ملی خود می‌سازند.

برای مثال، استونی به عنوان اولین کشور عضو، تمام تعهدات غیرنقدی خود را در سال ۲۰۲۵ با موفقیت به اتمام رساند. این رویکرد اگرچه پیچیدگی‌های لجستیکی را افزایش می‌دهد، اما باعث می‌شود دانش فنی در سراسر اروپا پخش شده و پیوند علمی بین ۱۳ کشور مستحکم‌تر شود.

صبر در این پروژه به معنای دقت است. تراز کردن راهنماهای نوترونی در فواصل ۱۶۰ متری یا نصب چرخ تنگستنی ۵ تنی در داخل مونولیت، نیاز به تست‌های تکرار شونده دارد.

در اواخر سال ۲۰۲۳، نصب چرخ هدف تنگستنی یک نقطه عطف بزرگ بود که پس از آن تست‌های ۲۴ ساعته سیستم‌های خنک‌کننده هلیومی آغاز شد.

هر قطعه‌ای که نصب می‌شود، از ستون فقرات دیجیتال گرفته تا سپرهای بتنی، بخشی از مسیری است که قرار است در سال ۲۰۲۶ به تولید اولین نوترون‌ها در این میکروسکوپ غول‌پیکر منجر شود.

قلب ESS؛ برخورد پروتون‌ها با چرخ تنگستنی

در مرکز ایستگاه هدف، چرخ هدف تنگستنی قرار دارد که به عنوان “قلب” تولید نوترون در ESS شناخته می‌شود. این چرخ یک دیسک از فولاد ضد زنگ به قطر ۲.۶ متر است که حاوی صدها آجر فلز سنگین تنگستن است. کل این مجموعه حدود ۵ تن وزن دارد و با سرعت ۲۳.۳ دور در دقیقه می‌چرخد.

علت چرخش این چرخ این است که پالس‌های شدید پروتون همیشه به یک نقطه ثابت برخورد نکنند؛ چرخش باعث می‌شود که بار حرارتی عظیم ناشی از برخورد، در کل محیط چرخ توزیع شود و از ذوب شدن فلز جلوگیری گردد.

تنگستن به دلیل عدد اتمی بالا و غنی بودن از نوترون، ماده‌ای ایده‌آل برای فرآیند پراش است. برخلاف منابع دیگر که از جیوه مایع استفاده می‌کنند، استفاده از تنگستن جامد در ESS یا نوترون باعث افزایش ایمنی و سهولت در جابه‌جایی مواد رادیواکتیو پس از پایان عمر قطعه می‌شود.

هنگامی که باریکه پروتون با قدرت ۵ مگاوات به این چرخ برخورد می‌کند، سیل عظیمی از نوترون‌ها آزاد می‌شوند. این قدرت برخورد معادل انرژی است که می‌تواند هزاران کتری برقی را به طور همزمان به جوش آورد، بنابراین مدیریت این انرژی در قلب میکروسکوپ غول‌پیکر یک شاهکار مهندسی است.

برای خنک‌سازی این سیستم، از جریان گاز هلیوم استفاده می‌شود که با سرعت بالا از بین آجرهای تنگستن عبور کرده و حرارت را به یک مبدل حرارتی آب منتقل می‌کند.

این اولین بار است که از خنک‌کننده هلیومی برای یک هدف پراش با این سطح قدرت استفاده می‌شود. طراحی این چرخ و سیستم‌های محرک آن حاصل همکاری نزدیک بین ESS و شرکای اسپانیایی در “ESS Bilbao” است که نشان‌دهنده قدرت اتحاد ۱۳ کشور در حل چالش‌های فنی بزرگ است.

وقتی گرما، تابش و وزن وارد بازی می‌شوند

ایستگاه هدف ESS مکانی است که قوانین فیزیک در شرایط حدی خود قرار دارند. بمباران مداوم پروتون‌ها نه تنها گرما تولید می‌کند،

بلکه باعث تغییر ساختار اتمی مواد در طول زمان می‌شود (پدیده آسیب تابشی). به همین دلیل، تمام اجزای داخلی ایستگاه هدف به گونه‌ای طراحی شده‌اند که عمر مفیدی داشته باشند و پس از آن تعویض شوند.

مهندسان از تحلیل‌های پیشرفته دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای اطمینان از اینکه گاز هلیوم می‌تواند تمام نقاط داغ چرخ را خنک کند، استفاده کرده‌اند.

علاوه بر حرارت، “تابش” چالش بزرگ دیگری است. برخورد پروتون‌ها ابری از نوترون‌ها و اشعه‌های گاما ایجاد می‌کند که برای انسان و تجهیزات الکترونیکی بسیار خطرناک است.

برای مهار این تابش، کل سیستم در داخل یک “مونولیت” (Monolith) عظیم قرار گرفته است. این سازه ۱۱ متری با ۶۰۰۰ تن فولاد و بتن پر شده است تا به عنوان یک سپر محافظتی عمل کند.

این وزن عظیم نیاز به پی‌بندی‌های بسیار مستحکم در زمین‌های شهر لوند داشته تا پایداری میکروسکوپ غول‌پیکر در برابر هرگونه لرزش یا نشست تضمین شود.

وزن تجهیزات متحرک نیز یک فاکتور بحرانی است. چرخ ۵ تنی باید با دقت بالایی روی یک شفت طولانی بچرخد، در حالی که لرزش‌های آن باید در حد میکرون کنترل شود تا تداخلی در مسیر باریکه‌های نوترونی خروجی ایجاد نکند.

مدیریت همزمان این سه فاکتور – گرمای ۵ مگاواتی، تابش شدید رادیواکتیو و وزن هزاران تنی – چیزی است که ESS یا نوترون را به یکی از پیچیده‌ترین آزمایشگاه‌های ساخته شده به دست بشر تبدیل کرده است.

مونولیت و سلول فعال؛ جایی که انسان جایش را به ربات می‌دهد

به دلیل سطح بالای رادیواکتیویته در قلب میکروسکوپ غول‌پیکر، پس از شروع عملیات، هیچ انسانی اجازه ورود به داخل مونولیت یا مناطق اطراف هدف را نخواهد داشت. اینجاست که “سلول‌های فعال” (Active Cells) و سیستم‌های رباتیک پیشرفته وارد میدان می‌شوند.

سلول فعال یک تالار کاملاً ایزوله با دیوارهای بتنی ضخیم و پنجره‌های سربی است که در آن، قطعات رادیواکتیو دمونتاژ، تعمیر یا برای دفع نهایی آماده می‌شوند.

در داخل این سلول‌ها، از بازوهای رباتیک فوق‌پیشرفته‌ای به نام TELBOT استفاده می‌شود. این ربات‌ها دارای بازوهای مهروموم شده و مفاصلی هستند که می‌توانند به طور نامحدود بچرخند، که آن‌ها را در برابر تابش و آلودگی بسیار مقاوم می‌کند.

اپراتورها در یک اتاق کنترل ایمن می‌نشینند و با استفاده از سیستم‌های بازخورد لمسی (Haptic)، ربات را هدایت می‌کنند. این سیستم به گونه‌ای است که اپراتور “مقاومت” پیچ‌ها یا سنگینی قطعات را در دستان خود حس می‌کند، گویی که خودش مستقیماً در حال انجام کار است.

وظایف این ربات‌ها در ESS یا نوترون بسیار متنوع است:

• باز و بسته کردن اتصالات: چرخاندن پیچ‌ها و کوپلینگ‌های الکتریکی پیچیده.

• مدیریت کابل‌ها: جمع‌آوری و wrap کردن کابل‌های آسیب‌دیده.

• نمونه‌برداری: جمع‌آوری نمونه‌های کوچک برای تحلیل‌های مهندسی.

• جابه‌جایی سنگین: جابه‌جایی قطعات با وزن بالا با کمک جرثقیل‌های تحت کنترل ربات. این سیستم رباتیک که توسط شرکت‌های آلمانی و مجارستانی تامین شده، تضمین می‌کند که نگهداری از این میکروسکوپ غول‌پیکر بدون به خطر افتادن جان انسان‌ها انجام شود.

بعد از تولید نوترون چه اتفاقی می‌افتد؟

پس از اینکه نوترون‌ها در قلب تنگستنی تولید و توسط تعدیل‌کننده‌ها به سرعت مناسب رسیدند، باید به سمت ابزارهای علمی هدایت شوند. این کار از طریق ۴۲ پورت باریکه که مانند پره‌های یک چرخ از مرکز مونولیت به بیرون منشعب شده‌اند، انجام می‌گیرد.

نوترون‌ها وارد “راهنماهای نوترونی” می‌شوند؛ لوله‌های خلاء طولانی که دیواره‌های داخلی آن‌ها با مواد منعکس‌کننده فوق‌پیشرفته پوشانده شده است تا نوترون‌ها را با کمترین اتلاف به فواصل دور (گاهی بیش از ۱۵۰ متر) منتقل کنند.

در این مسیر، دستگاه‌هایی به نام “چاپِر” (Chopper) قرار دارند. این دستگاه‌ها دیسک‌های دواری هستند که با سرعت بسیار بالا می‌چرخند و وظیفه دارند باریکه نوترون را به قطعات یا “پالس‌های” زمانی دقیق تقسیم کنند.

این کار به دانشمندان اجازه می‌دهد تا فقط نوترون‌هایی با سرعت و انرژی مشخص را به نمونه خود بتابانند. این سطح از کنترل بر روی ذرات زیراتمی در ESS یا نوترون، دقت میکروسکوپ غول‌پیکر را به سطحی می‌رساند که می‌تواند حرکت تک‌تک اتم‌ها را در زمان واقعی ثبت کند.

در انتهای این مسیرهای طولانی، تالارهای ابزار قرار دارند؛ جایی که نمونه‌های علمی (مانند پروتئین‌ها، قطعات باتری یا آلیاژهای جدید) قرار داده می‌شوند. نوترون‌ها پس از برخورد به نمونه، در جهت‌های مختلف پراکنده می‌شوند.

دتکتورهای (آشکارسازهای) فوق‌حساس، این نوترون‌های پراکنده شده را ثبت کرده و اطلاعات آن‌ها را به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند.

این حجم عظیم از داده‌ها سپس به “مرکز مدیریت داده و نرم‌افزار” (DMSC) در کپنهاگ ارسال می‌شود تا با استفاده از ابررایانه‌ها، به تصاویر و مدل‌های سه‌بعدی از ساختار اتمی ماده تبدیل گردند.

ابزارها، نام‌ها و داده‌ها؛ از Dream تا Odin

در فاز اول بهره‌برداری از ESS، پانزده ابزار علمی نصب خواهد شد که هر کدام یک “چشم” تخصصی برای این میکروسکوپ غول‌پیکر محسوب می‌شوند. نام‌های این ابزارها با دقت انتخاب شده‌اند تا بیانگر عملکرد آن‌ها باشند.

برای مثال، ابزار DREAM (پراش‌سنج پودری دوطیفی) برای حل معماهای ساختار اتمی در نانومواد و باتری‌ها طراحی شده است. این ابزار می‌تواند با استفاده از پالس‌های درخشان نوترون، چیدمان اتم‌ها را در مواد پیچیده با رزولوشن رکوردشکن شناسایی کند.

ابزار ODIN (تصویربرداری چندمنظوره) یکی دیگر از ابزارهای هیجان‌انگیز است. برخلاف اشعه ایکس که بیشتر توسط مواد سنگین جذب می‌شود، نوترون‌ها در ODIN می‌توانند عناصر سبک مانند آب یا هیدروژن را حتی در پشت دیواره‌های ضخیم فلزی ببینند.

این ابزار می‌تواند برای دیدن نحوه حرکت سوخت در داخل موتور یک فضاپیما یا بررسی ریشه‌های یک گیاه زنده در داخل خاک استفاده شود. همچنین ابزاری به نام BEER وجود دارد که مخصوص مهندسی مواد است و می‌تواند تنش‌های داخلی را در قطعات بزرگ صنعتی در حین کار بررسی کند.

نام ابزار	کلاس علمی	کاربرد کلیدی	مشارکت‌کنندگان اصلی
DREAM	پراش (Diffraction)	باتری‌های لیتیومی، نانوتکنولوژی	آلمان، فرانسه
ODIN	تصویربرداری (Imaging)	مهندسی خودرو، باستان‌شناسی، ریشه گیاهان	آلمان، سوئیس
BIFROST	طیف‌سنجی (Spectroscopy)	ابررساناهای دمای بالا، مواد کوانتومی	دانمارک، نروژ، سوئیس
LOKI	پراکندگی زاویه کوچک (SANS)	دارورسانی، پلیمرها، مواد غذایی	بریتانیا
BEER	پراش مهندسی	فرآیندهای ساخت، قطعات هوافضا	آلمان، جمهوری چک
NMX	بلورشناسی مولکولی	ساختار پروتئین‌های پیچیده، طراحی دارو	مجارستان، فرانسه

قدرت واقعی این ابزارها در ESS یا نوترون در این است که آن‌ها می‌توانند نمونه‌ها را در شرایط واقعی (In-situ) مطالعه کنند؛ یعنی مثلاً یک باتری را در حین شارژ و دشارژ یا یک موتور را در حین احتراق زیر نظر بگیرند.

این قابلیت، میکروسکوپ غول‌پیکر را به ابزاری بی‌بدیل برای نوآوری‌های صنعتی در ۱۳ کشور عضو و کل جهان تبدیل می‌کند.

ESS چه کمکی به جهان واقعی می‌کند؟

شاید این سوال پیش بیاید که یک میکروسکوپ غول‌پیکر در سوئد چه تاثیری بر زندگی روزمره مردم دارد؟ پاسخ در وسعت کاربردهای ESS یا نوترون نهفته است.

در حوزه انرژی، تحقیقات نوترونی به ما کمک می‌کند تا باتری‌هایی با ظرفیت بالاتر و ایمنی بیشتر بسازیم که برای گذار به خودروهای برقی حیاتی هستند.

نوترون‌ها تنها ابزاری هستند که می‌توانند حرکت یون‌های لیتیوم را در داخل الکترودهای باتری بدون باز کردن آن مشاهده کنند.

در بخش پزشکی و سلامت، ESS انقلابی در طراحی داروها ایجاد خواهد کرد. با درک دقیق ساختار پروتئین‌ها و نحوه پیوند مولکول‌های دارو به آن‌ها، می‌توان داروهای موثرتر با عوارض جانبی کمتر تولید کرد.

همچنین، توسعه ابررساناهای جدید با کمک تحقیقات ESS می‌تواند منجر به ساخت دستگاه‌های MRI ارزان‌تر و با دقت بالاتر شود.

این میکروسکوپ غول‌پیکر حتی می‌تواند در درک بیماری‌های پیچیده مانند آلزایمر از طریق مطالعه فیبرهای پروتئینی در مغز نقش کلیدی ایفا کند.

در حوزه محیط زیست و کشاورزی، دانشمندان از نوترون‌ها برای مطالعه فرآیندهای تصفیه آب، جذب دی‌اکسید کربن در خاک و بهبود بهره‌وری کودها استفاده می‌کنند.

توانایی دیدن آب در داخل خاک و ریشه گیاهان به صورت زنده، به ما اجازه می‌دهد تا گیاهانی مقاوم‌تر در برابر خشکسالی پرورش دهیم.

بنابراین، ESS یا نوترون صرفاً یک پروژه فیزیک بنیادی نیست، بلکه کارخانه‌ای برای تولید راهکارهای علمی جهت مقابله با چالش‌های بزرگ قرن حاضر است.

چرا این پروژه بدون همکاری بین‌المللی ممکن نبود؟

هزینه ساخت ESS بالغ بر ۱.۸۴ میلیارد یورو برآورد شده است و عملیات سالانه آن به حدود ۱۴۰ میلیون یورو نیاز دارد. هیچ کشوری در اروپا به تنهایی نمی‌توانست چنین بار مالی و فنی عظیمی را تحمل کند.

اما فراتر از بحث مالی، ESS یا نوترون نماد تجمع نخبگان است. هر یک از ۱۳ کشور عضو، تخصص منحصر به فردی را به میز مذاکره آورده‌اند؛ از دانش عمیق آلمان در ساخت دتکتورها تا مهارت ایتالیا در شتاب‌دهنده‌ها و تخصص سوئد در مدیریت پروژه‌های بزرگ زیرساختی.

مدل کنسرسیوم ERIC به این ۱۳ کشور اجازه داده تا یک شخصیت حقوقی واحد برای این میکروسکوپ غول‌پیکر ایجاد کنند که فراتر از دولت‌های گذرا عمل می‌کند.

این همکاری باعث شده تا ESS به یک مرکز جذب استعداد جهانی تبدیل شود که بیش از ۵۰۰ کارمند ثابت و سالانه ۳۰۰۰ محقق مهمان را میزبانی خواهد کرد.

این تبادل دانش بین‌المللی، موتور محرک نوآوری در قاره اروپاست و به کشورهای کوچکتر مانند استونی یا مجارستان اجازه می‌دهد تا در لبه دانش جهانی حرکت کنند.

اعضای این کنسرسیوم عبارتند از:

• کشورهای میزبان: سوئد و دانمارک.

• سایر اعضا: آلمان، فرانسه، ایتالیا، بریتانیا، اسپانیا، لهستان، جمهوری چک، مجارستان، نروژ، سوئیس و استونی. این اتحاد نه تنها برای ساخت فیزیکی مجموعه، بلکه برای اشتراک‌گذاری داده‌های علمی و توسعه نرم‌افزارهای تحلیل داده نیز حیاتی است. ESS نشان داد که وقتی ۱۳ کشور برای یک هدف علمی بزرگ متحد می‌شوند، هیچ مانع فنی غیرقابل عبوری وجود ندارد.

ESS در کنار دیگر منابع نوترونی جهان

برای درک عظمت ESS یا نوترون، باید آن را با سایر منابع بزرگ جهان مقایسه کرد. در حال حاضر، مراکزی مانند SNS در آمریکا و J-PARC در ژاپن پیشرو هستند. با این حال، ESS با طراحی نوین خود، درخشش نوترونی را به سطحی می‌رساند که منابع فعلی را پشت سر می‌گذارد.

یکی از تفاوت‌های کلیدی در “ساختار پالس” است؛ در حالی که SNS از پالس‌های بسیار کوتاه (میکروثانیه) استفاده می‌کند، ESS پالس‌های طولانی (میلی‌ثانیه) تولید می‌کند که برای بسیاری از آزمایش‌های مواد، کارایی و رزولوشن بسیار بالاتری دارد.

استفاده از شتاب‌دهنده خطی به جای راکتورهای هسته‌ای (مانند مرکز ILL در فرانسه)، ESS را به منبعی “پالس‌محور” تبدیل کرده است که به دانشمندان اجازه می‌دهد از تکنیک زمان پرواز (Time-of-Flight) با دقت بسیار بالاتری استفاده کنند.

همچنین، برخلاف راکتورها که جریانی مداوم اما با شدت کمتر تولید می‌کنند، میکروسکوپ غول‌پیکر ESS نوترون‌ها را در پله‌های فوق‌العاده درخشان ارائه می‌دهد که برای دیدن فرآیندهای بسیار سریع اتمی ضروری است.

مرکز تحقیقاتی	مکان	نوع منبع	قدرت / ویژگی بارز
ESS	سوئد	شتاب‌دهنده (پالس طولانی)	قدرتمندترین در جهان، ۱۰۰ برابر درخشان‌تر
SNS	آمریکا	شتاب‌دهنده (پالس کوتاه)	پیشرو در پالس‌های فوق کوتاه
J-PARC	ژاپن	شتاب‌دهنده	دارای بالاترین شدت باریکه فعلی
ISIS	بریتانیا	شتاب‌دهنده	از قدیمی‌ترین و با تجربه‌ترین منابع پالسی
ILL	فرانسه	راکتور هسته‌ای	برترین منبع نوترونی پیوسته (غیر پالسی)

این رقابت جهانی در واقع یک رفاقت علمی است، زیرا هر یک از این منابع مکمل دیگری هستند. با این حال، با شروع به کار ESS، اروپا بار دیگر رهبری جهان را در حوزه علوم نوترونی و مطالعه ماده به دست خواهد آورد.

معماری، محیط‌زیست و پیوند با شهر

پروژه ESS یا نوترون نه تنها یک ابرسازه فیزیکی، بلکه مدلی از تعامل با محیط زیست و جامعه شهری است. این مرکز در شمال شرقی شهر لوند، در منطقه‌ای به نام “دهکده علمی” (Science Village) واقع شده است.

طراحی معماری آن که توسط گروه‌های مشهور بین‌المللی انجام شده، بر شفافیت و ادغام با مناظر طبیعی سوئد تاکید دارد تا فضایی الهام‌بخش برای ۳۰۰۰ محققی که سالانه به اینجا می‌آیند، فراهم کند.

یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد این میکروسکوپ غول‌پیکر، هدف آن برای تبدیل شدن به اولین مرکز تحقیقاتی بزرگ با “کربن خنثی” است.

ESS با همکاری شرکت‌های انرژی محلی، سیستمی را طراحی کرده که در آن گرمای اضافی تولید شده توسط شتاب‌دهنده و هدف (که مقدار بسیار زیادی است)، هدر نمی‌رود.

این گرما از طریق شبکه‌های تبادل حرارتی به سیستم گرمایش شهری لوند تزریق می‌شود تا خانه‌ها و ساختمان‌های شهر را گرم کند. این پیوند نمادین بین “علم لبه” و “زندگی روزمره مردم”، ESS را به پروژه‌ای محبوب در میان ساکنان منطقه تبدیل کرده است.

علاوه بر این، برق مورد نیاز برای شتاب دادن به پروتون‌ها قرار است از منابع کاملاً تجدیدپذیر، به ویژه مزارع بادی در دریای بالتیک تامین شود.

این رویکرد نشان می‌دهد که حتی بزرگترین پروژه‌های Big Science می‌توانند با اصول توسعه پایدار همسو باشند. در واقع، ۱۳ کشور عضو نه تنها یک ابزار علمی، بلکه یک بیانیه زیست‌محیطی را در قلب اسکاندیناوی بنا کرده‌اند.

جدول زمانی آینده؛ از آزمایش پرتو تا نخستین نوترون‌ها

انتظار برای دیدن نخستین نتایج از این میکروسکوپ غول‌پیکر به پایان خود نزدیک می‌شود. طبق آخرین جدول زمانی، ESS در حال حاضر در فاز نهایی نصب و پیش‌راه‌اندازی (Commissioning) قرار دارد.

سال ۲۰۲۵ به عنوان سال “تست‌های کارخانه‌ای نوترون” نام‌گذاری شده است که در آن تمام سیستم‌های هدف، خنک‌کننده و کنترل به طور یکپارچه تحت بار عملیاتی قرار می‌گیرند. هدف اصلی و بزرگ پروژه، رسیدن به مرحله “Beam on Target” و تولید نخستین نوترون‌ها در مارس ۲۰۲۶ است.

پس از تولید اولین نوترون‌ها، یک دوره گذار برای کالیبره کردن ابزارهای علمی آغاز خواهد شد. پیش‌بینی می‌شود که اولین محققان و دانشمندان مهمان در سال ۲۰۲۷ بتوانند آزمایش‌های خود را در ESS یا نوترون شروع کنند.

تا سال ۲۰۲۸، این مرکز به ظرفیت کامل عملیاتی خود با ۱۵ ابزار اولیه خواهد رسید و در دهه‌های بعد، تعداد ابزارها می‌تواند تا ۲۲ عدد افزایش یابد.

جدول زمانی نقاط عطف کلیدی:

• مارس ۲۰۲۶: پرتاب اولین باریکه پروتون به هدف و تولید نخستین پالس‌های نوترونی.

• ۲۰۲۶ – ۲۰۲۷: راه‌اندازی ابزارهای کلیدی مانند LOKI، ODIN و DREAM با نوترون‌های واقعی.

• ۲۰۲۷: شروع رسمی برنامه کاربری و پذیرش پیشنهادات تحقیقاتی از سراسر جهان.

• ۲۰۲۸: بهره‌برداری کامل و شروع به کار ستون فقرات دیجیتال برای پردازش داده‌های کلان.

این میکروسکوپ غول‌پیکر برای ۴۰ سال فعالیت مداوم طراحی شده است، به این معنی که فرزندان ما شاهد کشفیاتی خواهند بود که در دهه ۲۰۲۰ در لوند پایه‌گذاری شده‌اند.

ما در مجله ویانامگ مفتخریم که شما را با این پروژه عظیم آشنا کردیم؛ جایی که ۱۳ ملت با هم متحد شدند تا از قدرت نوترون برای روشن کردن آینده بشریت استفاده کنند.

نتیجه‌گیری و چشم‌انداز

پروژه ESS یا نوترون فراتر از یک آزمایشگاه فیزیک، نمادی از آرزوهای بلندپروازانه بشر برای درک عمیق‌تر جهان است. ساخت این میکروسکوپ غول‌پیکر نشان داد که چالش‌های فنی بزرگ – از سرد کردن تجهیزات تا دمای نزدیک به صفر مطلق تا کنترل ذرات با سرعت ۹۶ درصد سرعت نور – تنها با همکاری بین‌المللی و صبر راهبردی قابل حل هستند.

با نزدیک شدن به سال ۲۰۲۶ و تولید اولین نوترون‌ها، جهان در آستانه عصر جدیدی از کشفیات در علوم مواد، پزشکی و انرژی قرار می‌گیرد.

ESS نه تنها به ما می‌گوید که مواد از چه ساخته شده‌اند، بلکه به ما یاد می‌دهد که چگونه می‌توانیم با الهام از ساختارهای اتمی، دنیایی پایدارتر و پیشرفته‌تر بسازیم.

این اتحاد ۱۳ کشور، میراثی علمی است که برای دهه‌های آینده، مرزهای دانش را جابه‌جا خواهد کرد و نام لوند سوئد را به عنوان پایتخت نوترونی جهان در تاریخ ثبت خواهد نمود.