Sel kevadel alustatakse Lõuna-Rootsis Lundis ühe maailma võimsaima materjaliteaduste keskuse, Euroopa Neutronkiirguse Allika (ESS) ehitamist, millesse panustavad ka Eesti riik ja teadlaskond.

Neutronid on aatomituumadest tuttavad elektrilise laenguta tuumaosakesed. Laengu puudumise tõttu läbib suunatud neutronite voog uuritavaid objekte suhteliselt lihtsasti ning võimaldab muuhulgas teha röntgenpildiga võrreldavaid, aga kvalitatiivselt erinevaid ülesvõtteid (need uurimismeetodid täiendavad teineteist). Erinevalt röntgenkiirgusest on neutronkiirgus tundlik kergemate aatomituumade (nt vesinik) esinemisele proovis, mistõttu neutronkiirguse allikad võimaldavad «näha» paljut, mis on seni muid meetodeid kasutades jäänud nähtamatuks. Tuues väga kaudse analoogia elusloodusest, võib seda tinglikult võrrelda maailma nägemisega putuka- ja inimsilmade kaudu, mis samuti näevad samu objekte erinevalt, sest töötavad eri spektripiirkondades. Neutronkiirgus aga pole lihtsalt eri spektripiirkonnast, vaid võimaldab saada täiesti erineval vastasmõjul (tuumajõud vs elektromagnetjõud) põhinevaid mõõtmistulemusi.

Kiirenditel põhinevad neutronite allikaid, mis on viimasel paarikümnel aastal jälle välja vahetanud tuumareaktoritel põhineva neutronkiirguse kasutamise, on muidugi praegugi olemas. Neist kõige võimsamad asuvad Ameerika Ühendriikides (SNS) ja Jaapanis (J-PARC). Et aga Euroopa ning selle lähiümbrus oleksid materjalide uurimise ja arendamise mõttes võimelised konkureerima Jaapani ja Ameerika teaduse ning majandusega, otsustati siia ehitada maailma võimsaim neutronkiirguse allikas – ESS (European Spallation Source). See pakub seniste allikatega võrreldes veel paremat ruumilist lahutusvõimet ja suuremat järjestikuste ülesvõtete kordussagedust, mis võimaldab uurida ka mitmesuguste protsesside dünaamikat nii bioloogilistes objektides kui ka anorgaanilistes ainetes. Kava järgi peaks kompleks valmima aastal 2020 ning kõik mõõteinstrumendid täisvõimsusel käivituma aastal 2025. Projektiga liitunud riikide majandusele tähendab see muu hulgas kõrgtehnoloogilisi töid ja tellimusi ligi kahe miljardi euro suuruse eelarve ulatuses.

ESS-is osalemine kuulub Eesti teadustaristu teekaardile ning on kirjeldatud Eesti teadus- ja arendustegevuse ning innovatsiooni strateegia eelnõus aastateks 2014–2020.

Lai rakendusväli

ESS-i uurimiskeskus hakkab laias laastus koosnema kolmest olulisest osast: kiirendist, sihtmärgist ja mõõteinstrumentidest ehk mõõtejaamadest.

Kiirendis toimub vesiniku aatomi tuumade ehk prootonite kiirendamine suurte, kuni 2 GeV energiani. See on võrreldav energiaga, mille omandaks elektron välgusähvatuse käigus, kus pinge küünib kuni miljardi voldini. Sihtmärgis – suures volframist «sõõrikus» – pommitatakse kiirendatud vesinikutuumadega volframi aatomeid, käivitades tuumareaktsiooni, mille käigus vabanevadki neutronid.

Mõõtejaamad asuvad sihtmärgi ümber kiirekanalites ning neis mõõdetakse proovi mõjutanud neutronite omadusi (nt energiakadu, hajumisnurk jt) mitmesugustes tingimustes ja erinevate meetoditega. Kõik kogutud katseandmed liiguvad uurimiskeskusest Lundis edasi Kopenhaagenis asuvasse andmehalduskeskusesse, kus neid analüüsitakse ja hoitakse.

ESS-i «sõõrik» ehk tahke, pöörlev ja heeliumis jahutatud volframist toroid on esimene omasugune kogu maailmas: seni on suurtes neutronkiirguse keskustes sihtmärgina kasutatud elavhõbedat. Linaarkiirendi saab olema mitu korda võimsam (5 MW) kui SNS või J-PARC, kusjuures ESS-i disain võimaldab hiljem prootonite energiat veelgi suurendada. Selle tulemusena muutub neutronite voog ESS-is vähemalt ühe suurusjärgu võrra . Teadusele tähendab suurem võimsus rohkem mõõtmisi lühema aja jooksul, aga ka paremat lahutusvõimet ja võimalust uurida hästi nõrku nähtusi. Unikaalne lineaarkiirendi disain võimaldab genereerida hästi lühikest neutronite impulssi, mis võimaldab uurida senistest kiiremaid protsesse kui käigusolevad allikad.

Neutronkiirgus hõlbustab materjalide magnetomaduste ning pingetaluvuse-purunemise-pragunemise uurimist. Röntgenkiirgusega võrreldes teeb neutronvoo tundlikkus kergemate tuumade esinemisele proovis nähtavaks vee liikumise erinevates keskkondades või pinnastes ning võimaldab uurida pehmete ja veepõhiste materjalide mikro- ja makrostruktuuri. Töötavas mootoris võimaldavad neutronid küttesegu põlemise eri etappe reaalselt näha ning saadud teadmise abil efektiivsemaks muuta. Samamoodi paljastub mõningate hindamatute arheoloogiliste leidude (puit, nahk jms) sisestruktuur objekti kahjustamata ainult neutronallikat kasutades.

Ent neutronite abil saab ka visualiseerida biomolekule või rakumehhanisme mitmesugustes eluprotsessides. Samuti uurida inimese luude struktuuri ja, kombineerides meditsiinipõhiseid uuringuid materjaliteadusega, disainida vastupidavamaid ning organismis vähem vastureaktsioone tekitavaid implantaate. Seega on ESS-is tehtava teaduse potentsiaalne rakendusväli väga lai.

ESS rajatakse võimalikult keskkonnasõbralikult, mis tähendab kogu ülejääva soojusenergia kasutamist kohaliku piirkonna kaugkütteks, samuti tähendab see ainult taastuvallikatest pärineva elektrienergia kasutamist. Siiski tekib prootonite käivitatud tuumareaktsioonide käigus radioaktiivne kiirgus ning ohtlike keemiliste elementide isotoobid. Ehkki võrreldes tavaliste tuumareaktoritega on see kiirgus väga väike ja suunatud, on siiski sihtmärgi ümber ning ka mujale plaanitud märkimisväärsed kiirgustõkked – nt pliist või booriga rikastatud betoonist seinad, mis muudavad töö ESS-is ohutuks. Samuti vahetatakse radioaktiivseks muutunud sihtmärk regulaarselt välja ning utiliseeritakse vastavas jäätmehoidlas Rootsis. ESS-i eelarvesse on planeeritud ka töö õigeaegne ja ohutu lõpetamine ning keskuse konserveerimine vastavalt kõigile ohutusreeglitele eeldatavasti aastal 2065.

Kujunemisjärgus finantseerimisskeem

Praeguseks on ESS-il 17 liikmesriiki. Põhiosa ESS-i ehitamiseks vajalikust investeeringust tuleb siiski Rootsist, aga ka Taanist, kes kokku katavad ligi poole ehituskuludest. Ülejäänud liikmed, sealhulgas Eesti, saavad Euroopa majandusseisu taustal osaliselt panustada nn in-kind ehk kaudse, mitterahalise panusena: kui riigid ostavad oma tootjalt ESS-i jaoks mõne toote, teenuse või materjali, arvestatakse see riigi panuseks keskuse ehitusse või ülalpidamisse. Ehkki lõplikku koostöölepingut ei ole seni allkirjastatud, on Eesti koos teiste Balti riikidega lubanud eelläbirääkimistel panustada ligikaudu 1% ulatuses projekti eelarvest. Eestile tähendaks see kokku üle viie miljoni euro investeerimist kogu ehitusperioodi jooksul, mida saab siis katta nii teadusaparatuuri, mõõtekeskkonna rajamisega seotud kuludega aga ka meie teadlaste tööjõukuludega .

Praktikas piirab ESS-ist saadavat potentsiaalselt siseriiklikku kasu olukord, kus riik korraldab keskusele oma panuse tegemiseks hanke, ent selle võidab välismaine ettevõte. Samuti võib juhtuda, et Eesti ettevõtetel ja teadusasutustel ei jätku võimekust või huvi konkureerida hangetel või täita potentsiaalse riigipoolse mitterahalise panuse jaoks vajalikke ülesandeid. Eesti teadus- ja arendustegevuse ning innovatsiooni (TAI) strateegia eesmärke ja tehnoloogiat toetavat hoiakut arvestades tundub negatiivne lahendus siiski vähetõenäoline, kuigi vastavaid võimalusi tuleb Eesti ettevõtetele jätkuvalt tutvustada. Hanked ei ole seotud mitte ainult teadusaparatuuri ja tehnoloogiaga, vaid näiteks ka iga suure organisatsiooni toimimiseks vajaliku tarkvara või ka muude lahendustega. Tuleb tunnistada, et praegu puudub Eestis in-kind panuse finantseerimisskeem, see vajab arendamist nii ESS-is kui ka teistes suurte uurimiskeskustes (CERN, ITER, jt) kaasa löömiseks. Suurte uurimiskeskuste hangetel edukalt osalenud firmad saavad omale teatud mõttes kvaliteedimärgi, mis võimaldab ka teistel turgudel konkureerida.

2014. aasta alguse seisuga on lõpule viidud ESS-i ehitamise-eelsed analüüsid ja täpsustatud tehniline projekt. Viimaste ehitusgeoloogiliste uuringute lõpetamise järel selle aasta kevadel käivitub tegelik ehitus.

Kolm töörühma Tartu ülikoolist

ESS-i Eesti konsortsiumisse kuuluvad TTÜ, KBFI ja ETAg ning juhtpartnerina Tartu ülikool. ESSi osade ehitusse ja vajalikku teadustöösse panustab praeguse seisuga kolm TÜ töörühma.

Biofüüsika professor Jörg Pieperi juhitud töörühm füüsika instituudis kavandab mõõtekeskkonda, mis võimaldaks laservalguse mõjul käivitatud biofüüsikalisi ja keemilisi protsesse uurida klorofüllis nende toimimisekäigus reaalajas.

Noor elektrokeemia teadur Heisi Kurig arendab oma töörühmaga keemia instituudis seadmeid, mis võimaldaksid määrata gaaside ja vedelike (vesinik, metaan, veeaur, lämmastik, argoon jne) füüsikalist ja keemilist adsorptsiooni erinevates materjalides, luua vajalikke katsekeskkondi ning analüüsida toimuvaid protsesse ka in situ tingimustes erinevate neutronhajumismeetoditega.

Kolmandat, samuti keemia instituudi juures asuvat töörühma juhib akadeemik Enn Lust. Osaletakse ESS-i ümbritseva teaduslinnaku planeerimises ja instrumentide ning katserakkude disainimises, võttes arvesse elektrokeemiliste katsesüsteemidega töötamiseks vajalikke tingimusi ning need tööd on suunatud uute energeetikamaterjalide arendamisele.

* ESS on kõigis liikmesriikides loonud ka nn tööstuskontaktametniku (industrial liaison officer, ILO) ametikoha. Eesti ILO Ott Rebane on seega kontaktisik kõigile siinsetele ettevõtjatele, kes näevad endas võimekust ja huvi ESS-i ehitamises osaleda. Projekti kuluraamat ja tehnilise disaini raport on kättesaadavad ESS-i kodulehel http://www.esss.se. – toim.