ESS stiller krav til universiteter

I løbet af de næste ti år skal danske universiteter uddanne mindst dobbelt så mange kandidater og ph.d.er med indsigt i neutronspredningsteknologi og dens anvendelse.

Det anslår lektor Kim Lefmann Fra Niels Bohr Institutet. Han er en af pionererne blandt ESS’ interessenter og medlem af det internationale rådgiverpanel for ESS-datacentret i København.

“Hvis vi sammenligner os med neutronspredningsfaciliteten på Paul Scherrer Institute i Schweiz, hvor man har formået at skabe en succesfuld kobling mellem forskning og anvendelse, så får vi brug for mange flere danske eksperter med dyb indsigt i neutronspredningsteknologiens muligheder i forhold til både forskning og anvendelse”, siger Kim Lefmann.

I dag er der omkring 35 ph.d.-studerende i neutronspredning. Dertil kommer 80 studerende årligt fra bachelor- til kandidatniveau på kurser.

“Der er stor interesse for ESS og spallationsteknologien blandt danske studerende. Både Københavns Universitet, Aarhus Universitet og DTU holder hvert år kurser for kandidatstuderende, og der findes også et sommerkursus på bachelorniveau. Så det kan godt lade sig gøre at producere flere kandidater og ph.d.er, hvis man sætter penge af til det. Men antallet af ph.d.er og kandidater med forstand på ESS skal være mellem to og tre gange højere end i dag. Ellers risikerer vi ikke at få nok udbytte af de mange millioner kroner, som går til selve teknologien”, fremhæver Kim Lefmann.

Nordisk Ministerråds forskningsfond, NordForsk, har bevilliget 20 millioner kroner til et ph.d.-program.

Fra fem til 100
Der findes i forvejen omkring 30 neutronforskningsanlæg i verden, men ESS bliver det største og mest avancerede af dem alle med flere måleinstrumenter og mulighed for kraftigere neutronbombardementer. Det vil give dansk forskning og udvikling en fordel, mener direktør i hovedstadsregionens Vækstmotorprojekt, Henning Friis Poulsen:

“Mens geografisk afstand typisk har mindre betydning for grundforskningen, så viser al erfaring, at et neutronspallationsanlæg som ESS primært vil have stor indflydelse på virksomheder og industrinær forskning i lokalsamfundet og regionen, hvor end den måtte befinde sig. Vi er godt klar over, at det stiller krav til vores viden og teknologi at anvende ESS, men netop derfor har vi i Danmark startet en række initiativer, der skal mobilisere universiteter til at uddanne studerende med den fornødne viden og give virksomhederne blod på tanden til at inddrage nye muligheder for produktudvikling i deres forskningsstrategi”.

Henning Friis Poulsen angiver, at der i øjeblikket kun findes omkring fem danske virksomheder, som benytter sig af store faciliteter som ESS og det svenske røntgeninstrument MAX IV i deres produktudvikling, men inden ESS tages i brug i 2019, er det målet, at mere end 100 danske virksomheder skal anvende den type teknologi i deres forskning og produktudvikling.

Arlas oste
Et eksempel på industriel anvendelse er fremstilling af oste og deres lagring. Virksomheder som Arla kan forbedre smag og konsistens i osteprocessen ved hjælp af ESS, der er velegnet til at undersøge molekylærstrukturen i bløde materialer.
Vækstmotorprojektets direktør Henning Friis Poulsen mener også, at humanistiske discipliner kan få gavn af neutronmikroskopet i Lund.

“Arkæologiske fund er en oplagt mulighed. Selv meget skrøbelige materialer kan undersøges med mulighed for både at kigge indeni og se de mindste detaljer. Kunstelskere vil også kunne bruge ESS til at undersøge, hvilke teknikker der er brugt i et maleri, om det stammer fra den tid, som man forestiller sig, eller om kunstværket i det hele taget er ægte, ud fra brugen af materialer og arbejdsmetode”.

At kun fem danske virksomheder aktuelt bruger ESS-teknologi, forskrækker ikke Kim Lefmann, der har arbejdet for ESS, siden lobbyorganisationen ESS-Scandinavia blev stiftet i efteråret 2000.

“De fleste virksomheder i Danmark har en kort tidshorisont for investering i forskning og udvikling, men selv blandt de største danske virksomheder er der ikke mange, som har råd til at kaste millioner efter et projekt, der først kan blive realiseret om fem-syv år. Vækstmotorprojektet har succes med nogle serviceprojekter, hvor universitetsforskere hjælper virksomheder med at løse deres udviklingsspørgsmål ved hjælp af røntgen- og neutronstråling, så jeg er optimistisk”, siger Kim Lefmann.

Frygt for dødens dal
Skal ESS for alvor blive en motor for vækst i hovedstadsregionen, bør der satses mere på de humanistiske fag, mener lektor Leif Bloch Rasmussen fra CBS.

“Problemet er, at man næsten udelukkende satser på at uddanne folk fra de tekniske og hårde ingeniørfag til at kunne anvende neutronspallationsteknologien. Man ser ikke på, hvordan resultaterne skal transformeres til produkter i industrien. Gabet mellem forskning og praktisk anvendelse er, hvad vi på CBS kalder “dødens dal”, hvor alle de gode ideer og muligheder dør, før de bliver til produkter”, siger Leif Bloch Rasmussen.

Han efterlyser uddannelse af humanister fra mange discipliner fra antropologi til e-business, markedsanalytikere og folk, der kan kommunikere og sælge produkter på et globalt marked.

“Vi har muligheden for at bringe dansk forskning og industri i en helt anden liga, men det kræver, at vi satser på at opbygge et bredt funderet videnssamfund med specialister inden for mange forskellige fag, ikke bare de tekniske. Ellers risikerer vi at få en rolle som tekniske kustoder, som hjælper andre med at høste resultaterne af vores investeringer i forskningsinstrumenter”.

Ifølge Leif Bloch Rasmussen er der brug for en mere målrettet investering i uddannelse med inddragelse af faglige miljøer inden for mange forskellige discipliner, der har fokus på ESS.

Ny viden om frustrerede molekyler

Dorthe Posselt er lektor i fysik på RUC. Hun forsker i struktur og dynamik af bløde materialer, herunder polymerer og biologiske membraner. Hendes eksperimentelle metoder dækker både røntgen- og neutronspredning. Hun har tidligere arbejdet på DR3 på Risø og er nu en flittig bruger af internationale storskalafaciliteter.

“For min forskning i tynde polymerfilm og i biologiske membraner bliver det muligt med ESS at måle processer, der foregår på en tidsskala, der hidtil ikke har været tilgængelig med neutronspredning. Fx forventer jeg at kunne studere mekanismerne bag omorganisering af lange polymerkæder af molekyler bundet sammen to og to, når en tynd film optager organisk opløsningsmiddel på dampform. Instrumenterne på ESS er nu i designfasen, og på instrumentet FREIA vil jeg kunne studere processer, der er omkring 10 gange hurtigere, end hvad man kan måle i dag med tidsopløst neutronreflektometri, dvs. en tidsopløsning på under 1 sekund. Og det er helt fantastisk, at anlægget ligger så tæt på, kun 1,5 timer med tog fra mit laboratorium i Roskilde. Jeg er motiveret af at forstå den materielle verden, der omgiver os – ikke så meget for at lave ny teknologi, men simpelthen fordi vores umiddelbare omgivelser er fyldt med fascinerende strukturer på mange forskellige længdeskalaer. Det er virkelig inspirerende at være en del af så stort et projekt. Det giver mulighed for at vekselvirke med førende forskere og dygtige specialister inden for materialeforskning – og det giver også danske neutronspredere et fælles mål at arbejde hen imod”.

På sporet af nye superledere

Kim Lefmann er lektor i neutronspredning på Nano-Science Center, NBI, KU. Hans forskningsområder er superledning og magnetisme. Han har tidligere arbejdet på DR3 på Risø og på et af de danske instrumenter på PSI og har stået fadder til simuleringspakken McStas.

“ESS bliver et helt utroligt spring fremad for forskningen inden for magnetiske og superledende materialer. Det er så heldigt, at neutronerne kan “føle” magnetfelterne fra de enkelte atomer, og det kan give en helt unik information om, hvordan stoffernes magnetisme bygges op atom for atom. Dette kan bruges til at udvikle nye, kraftige magneter, der ikke behøver tilsætning af de såkaldte “sjældne jordarter”, hvor forekomsterne er begrænset til kun få lande. Men det kan også bruges til at forstå, hvad der sker, når atomernes magnetisme udslukker hinanden. Her opstår materialer, der er umagnetiske udadtil, men som kan have særdeles interessante egenskaber. Dette kan for eksempel være de såkaldte “multiferroiske” materialer, der vil kunne anvendes i næste generation læse-skrive-hoveder i computerdisks. Et andet ultraspændende eksempel er superledere, der under afkøling kan føre store mængder elektrisk strøm helt uden tab. Finder vi en superleder, der virker ved stuetemperatur, bliver verden et helt andet sted med verdensdækkende elnet og billig geotermisk energi fra Island, vindenergi fra Nordsøen og solenergi fra Sahara. Vores problem er, at vi ikke for alvor ved, hvordan de nuværende superledere virker. Her skal vi bruge ESS til at finde ud af, hvad der foregår. Et hold af danske og schweiziske forskere har udviklet et instrument – en måleopstilling – til ESS, der er optimeret til måling af magnetiske signaler. Dette instrument bliver mindst 100 gange mere kraftfuldt end noget, der findes på kloden i dag. Og med det håber vi at finde de afgørende spor mod superledningens gåde”.

Effektiv lagring af energi

Bo Brummerstedt Iversen er dr.scient. et techn. og professor i kemi ved AU samt leder af Danmarks Grundforskningsfond Center for Materialekrystallografi. De primære måleteknikker er røntgen- og neutrondiffraktion, uelastisk neutronspredning og røntgenspektroskopi.

“ESS bliver en kæmpegevinst for forskning i materialekemi. Vi vil for eksempel kunne studere i “real time”, hvordan nanokrystaller dannes, og derved opnå en forståelse for deres unikke egenskaber. Det vil åbne for meget store fremskridt inden for eksempelvis energilagring og energikonvertering, uanset om vi taler solceller, gaslagring, batterier eller noget fjerde. Vi vil også kunne måle på, hvordan atomerne i materialer vibrerer, og derved opnå en forståelse af, hvordan varme ledes igennem et materiale. Dette er grundlaget for udvikling af bedre termoelektriske materialer, der kan omdanne spildvarme til brugbar strøm. Eller vi kan måle direkte på batterier, mens de virker, og beskrive, hvordan ioner bevæger sig i batterimaterialerne under opladning og afladning. På den måde vil vi med ESS kunne bestemme den atomare struktur bag elektrokemiske processer, og det vil uden tvivl lede til meget mere effektive batterityper, som bliver vigtige til for eksempel fremtidig lagring af vindmøllestrøm”.

Helt ind i brændselscellerne

Luise Theil Kuhn er seniorforsker, ph.d. og sektionsleder i Institut for Energikonvertering og –lagring ved DTU. Hun leder sektionen for billed- og strukturanalyse, der beskæftiger sig med visualisering og strukturel analyse af materialer til nye energiteknologier, der kan give os renere og mere effektiv energi og energilagring. De primære måleteknikker er elektronmikroskopi, røntgen- og neutronspredning.

“Danmark skal være uafhængigt af fossile brændsler i 2050. Det kræver, at de nuværende, kendte bæredygtige energiteknologier bliver mærkbart forbedret, og at nye bliver opdaget. Teknologierne er fx solceller, brændselsceller til kemisk omsætning af brændsel til strøm eller elektrolyseceller, som kan omsætte strøm fx fra vindmøller til brændsel eller effektive batterier til lagring af energi. Materialerne til disse teknologier er ofte meget komplekse og sammensat af nanostrukturer med særlige fysiske og kemiske egenskaber, og det er disse, der under brug nedbrydes, så energikomponenterne holder op med at fungere. Med ESS vil vi udnytte neutroner til at gennemlyse energimaterialer og komponenter og undersøge deres indre strukturer og virkemåde i 2-d og 3-d, mens de arbejder. Neutronernes særlige evne til at gennemtrænge de fleste materialer, samtidig med at de kan give et meget detaljeret billede af materialernes indre sammensætning, gør det muligt for os direkte at visualisere omsætningen af brændsel og nedbrydningen af energikomponenter under brug. ESS vil levere en så kraftig neutronstråle, at vi pludselig får mulighed for at studere disse effekter på både realistisk tids- og længdeskala og under betingelser, der ligner dem, som eksempelvis en brændselscelle vil operere under i et virkeligt system”.

Se materialers magnetisme

Søren Schmidt, ph.d., er seniorforsker ved DTU Fysik og udvikler nye måleteknikker baseret på neutron-, røntgen- og elektronstråling til multiskalakarakterisering af materialer.

“Normalt rejser vi ud i verden for at udføre materialestudier på førende neutron- og røntgenfaciliteter. Inden for disciplinen billeddannelse, også kaldet imaging, kan man studere materialers lokale strukturelle konfigurationer. Disse dikterer de makroskopiske materialeegenskaber såsom styrke, ledningsevne etc. Med ESS får vi verdens kraftigste neutronkilde beliggende en god times kørsel fra DTU. ESS giver en unik mulighed for at kortlægge materialers struktur, tildels som værende komplementær til røntgenstudier, men også i høj grad til at afdække materialernes magnetiske egenskaber. Med ESS øges den rumlige opløsning, hvormed små strukturer kan bestemmes. Desuden forbedres tidsopløsningen til brug ved studiet af dynamiske processer såsom faseomdannelse. For at forstå disse informationsrige data skal der etableres nye dataanalysemetoder for imaging. Da dette er et af mine kernefelter, har jeg indgået aftale med ESS om et samarbejde på imaginginstrumentet ODIN, Optical and Diffraction Imaging with Neutrons, som bliver et af de første instrumenter, der står klar ved åbningen af ESS. Arbejdet kommer til at forløbe over en årrække og forventes at bidrage med ny viden inden for imagingdisciplinen, som også kan finde anvendelse inden for andre områder såsom imaging med røntgen”.

Tæt på cellers proteiner

Lise Arleth er professor i biofysik ved NBI, KU. Hun forsker i struktur og vekselvirkninger af biomolekyler i opløsning. De primære måleteknikker er småvinkelneutronspredning (SANS) og småvinkelrøntgenspredning (SAXS) samt lysspredning (DLS og SLS).

At både ESS og MAX-IV bliver placeret kun en times kørsel fra København, får rigtig mange af os forskere til at drømme om nye muligheder. Jeg håber selv at få bedre adgang til at studere nanostrukturen af de membraner, der omkranser vores celler. I membranerne sidder de såkaldte membranproteiner, der i praksis står for stofudvekslingen ind og ud af cellerne og dermed for cellernes samspil og kommunikation med hinanden. Membranproteinerne er de allermest hyppige mål for medicinske molekyler, der så fx skruer op eller ned for udvekslingen af et givent stof i situationer, hvor der i forbindelse med sygdom er opstået ubalance. Membranproteinerne er desværre rigtig svære at håndtere og studere. De er små, typisk ca. 5 nanometer i diameter, og de er kun stabiliserede og kan fungere, når de sidder i cellemembranen eller i et lignende miljø. Alt i alt ved vi meget lidt om dem og om, hvordan de fungerer. Mit håb er, at vi med kombinationen af ESS og MAX-IV får adgang til et bredere spektrum af eksperimentelle metoder. Neutronerne er her specielt interessante, fordi de giver mulighed for at justere på kontrast-forholdene i de enkelte dele af en prøve. Indtil nu har ulempen ved neutronbaserede undersøgelser været, at de har krævet forholdsvis store prøver. Den helt store fordel ved ESS bliver, at neutron-beamet bliver omkring 100 gange kraftigere end på de nuværende faciliteter. Det betyder, at vi kan minimere prøveforbruget tilsvarende. Det åbner op for, at vi kan studere en langt større gruppe af proteiner end hidtil”.