Maailma eredaima valgusega MAX-kiirendi ootab Eesti teadlasi

Üks viimaste aastate Eesti suurimaid teadustaristu projekte on jõudnud märgiliste tulemusteni: kiirendatud elektronide poolt kiiratud maailma eredaim valguskiirgus kihutab piki kiirekanaleid. Esimene teadustöö on Tartu Ülikooli kiirekanali tulemuste põhjal juba ilmunud. Eesti-Rootsi koostöö raames avavad MAX-i kiirekanalid oma uksed vajalikeks uuringuteks ka teistele Eesti teadlastele ja ettevõtjatele. Kirjutab kaasautor Randel Kreitsberg.

Millisest müstilisest kiirendist siis õigupoolest jutt käib? Teemaga mitte nii hästi kursis olev inimene on reeglina kuulnud ehk vaid CERN-i* kiirendist, teadmata et on teisigi, mõnevõrra väiksemaid, kuid samavõrd kõrgetasemelisi materjalide uuringuid võimaldavaid kiirendeid. Erinevates kiirendites ringlevad mitmesugused elementaarosakesed – kas siis uute osakeste leidmiseks (nt CERN-is tekitatakse osakeste põrkumisel „plahvatusi”, kus osake laguneb väiksemateks – nii leiti nt kuulus Higgsi boson) või hoopis rakendatakse nende poolt kiiratud kiirgust, et näiteks selgitada välja nanomõõtmelise struktuuri omadusi.  

Paljud ehk ei teagi, et Rootsis Lundis asuvas MAX IV laboratooriumis on Tartu Ülikooli teadlaste rajatud n-ö oma Eesti kiirekanal. Mõned aastad tagasi valminud ja 2018. aastal uuringuteks avatud FinEstBeAMS kuulub Eesti teadustaristus teekaardile ning on Eesti jaoks üks oluline investeering välismaal paiknevasse suurde rahvusvahelisse uurimiskeskusesse.

Nimi räägib iseenda eest: rajasime selle koos soomlastega ja see on mõeldud atmosfääri ning materjaliteaduslikeks uuringuteks (AMS). Ligi 7 miljonit eurot maksnud FinEstBeAMS oli esimene riikidevahelise (Eesti-Soome-Rootsi) koostöö tulemusena valminud kiirekanal MAX IV laboratooriumis.

MAX IV kiirendi kui maailma eredaim valgusallikas

MAX IV kiirendi korrektne nimetus on sünkrotron ja see on nagu nimestki näha omataoliste seas juba neljas, mida Rootsi teadlased ja insenerid on loonud. MAX IV sünkrotron on ehitatud eesmärgiga uurida materjale väga erinevatel meetoditel, et teha nähtavaks nende pisimadki detailid, mida tavalabori tingimustes ükski kaasaegne elektronmikroskoop näha ei suuda.

Sünkrotronid annavad olulise panuse erinevate alusteaduste arengusse, aga kõrvale ei jää ka rakendused. Uurimisteemade hulgast võib leida nii antibakteriaalseid isepuhastuvaid pindu, televiisorites kasutusel olev OLED ja mikroelektroonika tehnoloogia produkte ja akusid tuleviku elektriautodele ning nanokapsleid vähirakkude efektiivseks hävitamiseks.  

Kujutage ette, kuidas võtate kätte ereda taskulambi, panete lambi ette hõredakoelise marliriide ja suunate valguse pimedale toaseinale. Marlikanga kiudude võrgustik joonistub toa seinale oluliselt suuremalt kui see päriselt kangas on – kui riidekanga kiudude vahe teie käes on ehk millimeeter või vähemgi, siis mida kaugemal seisvale seinale kanga mustri projitseerite, seda suuremana joonistub uuritav kangas seinale.

Mida eredam on valgusallikas ja fookustatum selle kiir, seda väikemaid fragmente on võimalik avastada – ja täpselt samal põhimõttel töötab MAX-kiirendi, võimaldades näha uuritavas elusas või eluta mateerias (aines) nanomeetrilisi struktuure.

Kiirendis ringlev imepisikene elektronide kimp kiirgab eredat lühilainelist (röntgen) kiirgust, mis võimaldab teha nähtavaks ainete sisestruktuuri (mõne nanomeetri suurused fragmendid), olgu selleks siis bioloogilised molekulid või uued nanomaterjalid. Samuti on see väga sobilik erinevate ainete elektronstruktuuri uurimiseks.

Sentimeetrise diameetriga roostevabast terasest torus kiirendatakse ülikõrgvaakumis asuv elektronide kimp 528 meetri pikkusel kogujaringil kuni 99,9999999985 protsendini valguse kiirusest. MAX IV näol on tegemist hetkel maailma ühe moodsaima kiirendiga ja kõige eredama valgusallikaga. Magnetvälja abil „taltsutatud“ elektronid ringlevad 24/7 ja nende poolt kiiratud valgus suundub kiirekanalitesse, kus toimuvadki teaduslikud uuringud.

Avaliku teadustaristuna on sünkrotron mõeldud ühiskasutuseks kõigile huvilistele, teadusgruppidest ettevõtjateni. 2018. aastal oli MAX IV laboratooriumi kuuel avatud kiirekanalil kasutajaid ligi 500 inimest aastas. Aastaks 2025 loodetakse järjest valmivate uute kiirekanalite kasutuselevõtmise tulemusena tõsta see arv 2500 kasutajani aastas. Loomulikult on oodata ka eestlaste kasvavat huvi üksnes 1,5 lennutunni kaugusel Lundis asuva uurimiskeskuse vastu.

Samal ajal kerkib MAX IV kiirendi kõrvale ka Euroopa neutronkiirguse allikas ESS (European Spallation Source). Valminuna moodustavad MAX IV ja ESS ühiselt Põhja-Euroopa suurima teadustaristu, kus siis nii footonitel kui neutronitel põhinevad uurimismeetodid üksteist sünergiliselt täiendavad.   

Kiirekanal on avatud ka Eesti ettevõtjatele

Eesti-Soome kiirekanal on varustatud kolme uurimisjaamaga, gaasfaas-, pinnafüüsika- ja luminestsentsi uuringuteks, kasutades sünkrotronkiirgust vahemikus 5–1400 eV. FinEstBeAMS pakub nii teadlastele kui ka kõrgtehnoloogia ettevõtetele teadus-arendustegevuse läbiviimiseks kõrge kvaliteediga lühilainelist VUV-XUV kiirgust. See võimaldab uurida üksikute aatomite, molekulide, klastrite ja nanoosakeste elektronstruktuuri nii gaasilises olekus kui pindadel, osakeste interaktsiooni pindadega, mitmekihilisi struktuure ning erinevate materjalide pinna omadusi, samuti ka materjalide luminestsentskiirgust.

Hiljuti avaldati kiirekanali tulemuste alusel esimene teadusartikkel. Tartu Ülikooli füüsikute uuring käsitles kolmeioonse vedeliku keerukat elektronstruktuuri, mida uuriti fotoelektronspektroskoopia meetoditega gaasfaasis. Ioonsed vedelikud on sisuliselt vedelad soolad ja nende üks perspektiivikamaid rakendusvaldkondi on kasutamine superkondensaatorites, mis suudavad talletada märkimisväärselt energiat ja väljastada väga suuri elektrilisi võimsusi. Siiani pole päris selge, miks osad ioonsed vedelikud sobivad superkondensaatorite elektrolüütideks paremini kui teised. Uuritud ning seni veel uurimata ioonsete vedelike rakendustega seotud probleemide paremaks mõistmiseks on muu hulgas tarvis välja selgitada nende elektronstruktuur, mida MAX-kiirendil tehti.

Varasemalt on MAX laboratooriumi võimekust kasutanud Eesti ettevõtetest näiteks Clifton ja Lumifor. Neist esimene analüüsis pooljuhtmaterjalide omadusi mikroelektroonika tarbeks ja teine uurib uusi dosimeetrilisi materjale senisest efektiivsemate kiirgusandurite jaoks, mida rakendatakse ioniseeriva kiirguse mõõtmiseks meid ümbritsevas keskkonnas, nt meditsiiniliste röntgenülesvõtete kiirgustaseme monitoorimiseks.

Lisaks on MAX-labori uurimisteenuste vastu huvi tundnud mitmed teisedki eri majandusharudes tegutsevad Eesti ettevõtted nagu Eesti Energia AS, Estiko-Plastar AS, Elcogen AS, LDI Innovations OÜ, Airel AS.

Peale FinEstBeAMS kiirekanali on dünaamiliselt arenevas MAX IV laboris juba käigus veel kaheksa kiirekanalit: BioMAX, NanoMAX, BALDER, VERITAS, HIPPIE, BLOCH, MAXPEEM ja testimise lõppfaasis kolm kiirekanalit: FemtoMAX, FlexPES, SPECIES. Need kiirekanalid võimaldavad teostada kristallograafia, röntgenfluorestsentsi, materjalide omaduste mitmedimensionaalse kuvamise, katalüüsi, proteiinide kristallograafia, elektronstruktuuri jt uuringuid. Lisaks on erinevates arendusfaasides SoftiMAX, CoSAXS, DanMAX, MicroMAX ja ForMAX kiirekanalid. ForMAX on mõeldud puidutööstuse vajadustele ja see rajatakse teadlaste koostöös Rootsi ettevõtete ja Wallenbergi Fondiga. Viimane neist on tõeline MAX IV Labi suurinvestor Rootsi riigi kõrval.

MAX IV labor on loendamatute erinevate võimaluste ning tohutu uuringupotentsiaaliga hindamatu teadmisteallikas. Kuidas see on Eesti perspektiivist vaadatuna võimalik? Tegemist on enamasti Euroopa Liidu tõukefondide rahastusega valminud rahvusvahelise teadustaristuga. FinEstBeAMS kiirekanali arendamiseks juba tehtud ning tulevased investeeringud võimaldavad kõigil eesti teadlastel (inseneri- ja keskkonnateadustest, bioloogia, füüsika, keemia ja materjaliteaduseni) kokkulepitud mahus juurdepääsu mistahes MAX IV labori kuueteistkümnele kiirekanalile. Garanteeritud mõõtmisaeg tagatakse koostöölepinguga, mis on Tartu Ülikooli ja MAX IV labori vahel sõlmimise lõppfaasis ja plaanide kohaselt jõustub alates jaanuarist 2020. Tasub aga tähele panna, et suured avaliku raha eest rajatud uurimistaristud (nagu ka MAX IV) järgivad Euroopa Liidu „Open Access“ põhimõtteid, mis sätestavad, et selle eest läbiviidud uuringute tulemused on avalikud ja kõigile kättesaadavad – ikka parema teaduse ja tehnoloogia arengu ja uute teedrajavate tulemuste nimel.

*Inseneeria kirjutas CERN-ist märtsis 2016 ja juulis 2018