Jest jednym z kilkunastu w Europie, ale pierwszym w jej części środkowo-wschodniej. Duma polskiej nauki i ziszczone marzenie pokoleń fizyków i chemików. Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego Solaris już niedługo otworzy kolejną linię badawczą – tym razem będzie to efekt współpracy naukowców z UAM.

Położone w Krakowie, działające w strukturach Uniwersytetu Jagiellońskiego, Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego Solaris powstało z inicjatywy naukowców z UJ oraz członków Polskiego Towarzystwa Promieniowania Synchrotronowego, jednak dostępne jest dla wszystkich zainteresowanych badaniami z użyciem światła synchrotronowego (www.synchrotron.uj.edu.pl). UAM należy do członków konsorcjum „Polski Synchrotron”, wspierającego pracę Centrum Solaris, a od niedawna budowana jest linia badawcza o wdzięcznej nazwie SOLCRYS, której idea wywodzi się ze środowiska poznańskiego. Koordynatorem projektu a także jednym z pomysłodawców jest prof. Maciej Kozak z Wydziału Fizyki UAM. To między innymi dzięki jego staraniom ruszyły właśnie pierwsze prace związane z budową i uruchomieniem tej linii.

Synchrotron

Mówiąc najprościej, synchrotron to urządzenie do otrzymywania promieniowania elektromagnetycznego dla celów badawczych. Synchrotron to akcelerator kołowy, którego sercem jest pierścień akumulacyjny. W nim w próżni krążą elektrony przyspieszane w polu magnetycznym do prędkości bliskich prędkości światła. Konstrukcja ta nie jest idealnie kolista, w rzeczywistości jest to rodzaj wielokąta. W jego narożnikach umieszczone są układy elektromagnesów zakrzywiających tor przyspieszanych elektronów, które wówczas emitują promieniowanie elektromagnetyczne, czyli światło. I to właśnie światło stanowi o unikalnym charakterze synchrotronu. Jego intensywność jest ogromna: gdyby użyć porównania, można powiedzieć, że jest ono miliony razy jaśniejsze od światła, które dociera na Ziemię ze Słońca. Promieniowanie synchrotronowe obejmuje szeroki zakres: od podczerwieni, przez światło widzialne i ultrafiolet aż do promieniowania rentgenowskiego – podobnie jak promieniowanie emitowane przez Słońce.

Wiązka promieniowania synchrotronowego pozwala badaczom zajrzeć w głąb materii. Dzięki niej można badać zarówno skład substancji, jak i jej strukturę. Synchrotrony pozwalają prowadzić eksperymenty znacznie szybciej i z większą precyzją niż gdyby były realizowane metodami laboratoryjnymi.

Urządzenia te to giganci wśród aparatury badawczej. Największy europejski synchrotron, PETRA III w Hamburgu, zajmuje tunel o obwodzie, bagatela, 2,3 km i przyspiesza elektrony do energii 6 GeV. Synchrotron Solaris, w którym elektrony uzyskują energię 1,5 GeV jest obecnie jednym z najnowocześniejszych, choć nie największym takim urządzeniem na świecie. Ma zaledwie 96 metrów obwodu i umieszczony jest w tunelu przykrytym 180 płytami betonowymi, chroniącymi przed promieniowaniem, z których każda waży od trzech do pięciu ton.

Historia

Historia starań o powstanie polskiego synchrotronu sięga lat 90-tych XX wieku. W Europie jest kilkanaście takich ośrodków, ale w naszej części Europy do tej pory nie było żadnego. Konstrukcja synchrotronu w Polsce, oprócz kwestii związanych z prestiżem, dawała możliwość dostosowania profilu badań do potrzeb polskich naukowców. Budowa ruszyła na początku 2010 roku. Koszt inwestycji wyniósł blisko 200 mln zł, a środki pochodziły głównie z Unii Europejskiej.

NCPS Solaris zostało otwarte w 2015 roku, a od 2018 roku udostępnia użytkownikom pierwsze dwie linie badawcze.

Jeśli wspomniany pierścień akumulacyjny jest sercem synchrotronu, to linie badawcze zlokalizowane wokół niego decydują o jego wykorzystaniu, bowiem tam prowadzone są badania. NCPS Solaris rozwija się: następne dwie linie badawcze zostaną wkrótce uruchomione, a cztery kolejne są w budowie.

Już na etapie budowy synchrotronu poznańskie środowisko naukowe zaproponowało konstrukcję linii do badań biostrukturalnych. Za jej powstaniem optowali wówczas prof. Mariusz Jaskólski z Wydziału Chemii UAM, prof. Maciej Kozak z Wydziału Fizyki UAM oraz prof. Wojciech Rypniewski z Instytutu Chemii Bioorganicznej PAN. Ówczesny rektor UAM prof. Bronisław Marciniak podpisał nawet umowę pomiędzy UJ i UAM o wspólne starania o fundusze na budowę nowej linii pomiarowej. Niestety, nie udało się wówczas pozyskać środków na ten cel. Szanse pojawiły się niespodziewanie w 2018 roku, gdy fundusze na budowę linii SOLCRYS, w oparciu o umowę z UJ, zaproponował Zjednoczony Instytut Badań Jądrowych w Dubnej, z którym od lat współpracuje również Wydział Fizyki UAM.

– Jedną z zalet naszej linii jest jej uniwersalność – mówi prof. Maciej Kozak. – Będzie można na niej prowadzić pomiary dyfrakcji i rozproszenia promieniowania na szerokiej gamie układów. Mogą to być zarówno makrocząsteczki, takie jak białka lub kwasy

nukleinowe, jak i małe molekuły. Możliwości badań są bardzo szerokie: od układów biologicznych do takich o zastosowaniu stricte materiałowym. To, co stanowi o atrakcyjności tej linii, to badania krystalograficzne, które obecnie są intensywnie wykorzystywane przez przemysł farmaceutyczny.

Pierwsze pomiary w nowej linii badawczej planowane są na 2023 rok. Linia SOLCRYS mieć będzie ponad 47 metrów długości, dlatego równolegle przygotowywana jest rozbudowa hali eksperymentalnej. Czasu wymaga też odpowiednie zaprojektowanie układów pomiarowych. Obecnie prowadzone są symulacje numeryczne przebiegu promieniowania przez poszczególne elementy optyczne aparatury badawczej oraz konstruowany jest wiggler.

Linia SOLCRYS

Energia krakowskiego synchrotronu nie do końca wpisywała się w koncepcje nowej linii badawczej. Dlatego konieczne jest umieszczenie w pierścieniu synchrotronu Solaris tak zwanego urządzenia wstawkowego – wigglera nadprzewodzącego.

– Wiggler to urządzenie zbudowane z układu magnesów, które wymuszają okresowe odchylenie toru elektronów, co w konsekwencji powoduje emisję promieniowania o wyższej energii i intensywności. Innymi słowy, dzięki wigglerowi uzyskamy taki zakres energetyczny i intensywność promieniowania, jakie są nam potrzebne – tłumaczy prof. Kozak.

Linia składać się będzie z dwóch stacji badawczych. Pierwsza przeznaczona została dla krystalografii białek. Pozwoli na badania struktury białek, ich kompleksów, a nawet struktur wirusów. Warto podkreślić, że znajomość struktury białek pozwala projektować oddziałujące z nimi cząsteczki, w tym leki, czego najlepszym przykładem są leki antywirusowe stosowane w terapii HIV, które zaprojektowano dzięki poznaniu struktury białek tego wirusa. Badania prowadzone na tej stacji pozwolą również zrozumieć procesy zachodzące w białkach, np. badać mutacje, które towarzyszą powstawaniu gnębiących ludzkość chorób.

Drugi aspekt to badania ciśnieniowe – ściśle związane z chemią i fizyka materiałową oraz badania w temperaturach ciekłego helu. Te ostatnie, chociaż uchodzą za bardzo kosztowne, są niezwykle atrakcyjne dla badaczy.

Druga stacja badawcza prowadzić będzie badania z zakresu małokątowego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego. Znajdą one zastosowanie zarówno w poznawaniu struktury układów biologicznych w roztworach jak i w charakterystyce nowych materiałów polimerowych czy ciekłokrystalicznych.

Praca na zmiany

Synchrotrony udostępniają użytkownikom czas pomiarowy w sposób ciągły, czyli w systemie 24/7. Poza planowanymi wyjątkami – gdy dwa razy w roku urządzenie jest wyłączane na czas konserwacji i modernizacji. To, co przemawia do wyobraźni młodych naukowców, to właśnie system zmianowy. Czas na pomiary może wypaść na późne godziny wieczorne lub noc. – Gotowi jesteśmy na model pracy trzyzmianowej – typowy dla wszystkich synchrotronów – mówi prof. Kozak – Użytkownikom synchrotronu przydzielany jest czas pomiarowy w tzw. szychtach, które trwają 8 godzin. Grupa badawcza, aplikując o dostęp do naszej linii, będzie miała przydzielaną jedną do trzech szycht. Oznacza to od 8 do nawet 24 godzin nieprzerwanych pomiarów. Spodziewamy się, że dzięki takiemu systemowi pracy uzyskamy optymalne wykorzystanie aparatury pomiarowej. W ciągu jednego dnia z badań na linii SOLCRYS skorzystać będą mogły nawet trzy grupy badawcze. Co więcej, planowane są również pomiary realizowane w trybie zdalnym, prowadzone za pośrednictwem Internetu na próbkach przesyłanych przez użytkowników.

Czas pomiarowy w synchrotronie przyznawany jest w konkursie. Konieczne jest złożenie aplikacji, w której zainteresowani przedstawią zakres badań. O dostępie do aparatury decyduje panel naukowy. – Jeśli założymy, że mamy około 150 dni pomiarowych, to w przeliczeniu na każdą linię badawczą daje nam to nawet 450 szycht pomiarowych rocznie. Dodatkowo należy uwzględnić unikalne parametry urządzeń. Krakowski synchrotron oferuje najnowocześniejsze rozwiązania, co w przypadku linii SOLCRYS zapewne przełoży się na krótszy czas badań i jakość wyników. Wniosek nasuwa się sam. W godzinę często jesteśmy w stanie zebrać taką ilość danych, jaką w laboratorium trzeba by zbierać nawet przez kilka miesięcy – mówi prof. Kozak.

zob też.