Senitundmatud osakesed ja kiirgused avastati tänu sellele, et maa peal õpiti looma peaaegu ideaalset eimiskit. Tühjust ehk vaakumi. Linus Pauling (1901–1994) uuris teistest teadlastest täpsemini kristallide ehitust röntgenkiirtega, millele andis nime Wilhelm von Röntgen, pistes 1895. aastal oma käelaba vaakumtoru katoodilt kiirgavate kiirte vahele ja nimetades need X-kiirteks. Esimese füüsikuna 1901. aastal Nobeli preemia saanud Röntgeni nimi pandi saksa keeleruumis ka tema käe läbistanud kiirtele, anglo-ameerikas tuntakse neid siiani X-kiirte nime all. Ei läinud kaua, kui selgus, et need kiired on tegelikult väga suure energiaga footonite ehk γ-footonite kiirgus, mida meie luud neelavad ja hajutavad.
Ameerika keemik, kahekordseks nobelistiks (keemia ja rahu) saanud Linus Pauling uuris röntgenkiirtega edukalt kristallide struktuuri. Tolleks ajaks oli selge, et aatom koosneb positiivsest tuumast ehk prootonist ja selle ümber mähkunud negatiivsetest elektronidest. Ning selge oli seegi, et osakestega pommitamine avaldab ainete struktuuri. James Chadwick, kes Esimese ilmasõja ajal töötas interneerituna ühes paljude teiste Briti füüsikutega Saksa koonduslaagris, avastas vabanenuna lõpuks tuuma laenguta osise neutroni, mis paiskus välja berülliumplaadist, kui seda pommitati prootonitega. Mille eest pälvis Nobeli auhinna 1935. aastal.
Tsüklotron ja uued elemendid
See lihtsustatud lugu jõuab nüüd aastani 1927, mil Ernest Lawrence ühes grand old man Ernest Rutherfordiga lõi elevhõbedaaurusid elektronidega ja ioonidega pommitades kaks uut elementi – järjekorranumbriga 103 ja 104. Mis said nimeks lavrentsium ja rutherfordium (meile kurtšatoovium – toim). Naasnud Ameerikasse Berkleysse, mõistis Lawrence, et elementide muundamiseks on vaja suurema energiaga algosakesi. Ta tuli ioonide mitmekordse kiirendamise ideele – ehk mööda ringjoont ringlevatele osakestele tuli anda muudkui energiat juurde. Protsess näeb välja nii: ioonallikas, milleks on vaakumis olev vaseketas, annab pidevalt laetud osakesi, ideaaljuhul prootoneid. Samas vaakumkambris olevad elektroodid ühendatakse ostsillaatoriga ehk perioodiliselt võnkuva magnetvälja allikaga. Too annab elektronidele hoogu juurde, kuni nad ringlevad muutumatu kiirusega.
See ongi tsüklotron, mida edukalt kasutatakse ainete ehituse uurimisel siiani. Ainult et osakesed hakkavad tsüklotronide magnetvälja muutumiskiiruse kasvamisel ringlema spiraalselt, kuni lõpuks jõuavad elektroodide piirini ja paiskuvad tangentsiaalselt teelt välja ning suunduvad märklaua poole.
Algmudelil oli elektroodide omavaheline kaugus 10 sentimeetrit. Tsüklotron levis silmapilkselt maailma füüsikalaboritesse, muutudes üha suuremaks ja tootes üha energilisemaid osakesi. Erinevate suurte molekulide isotoopide tootmine hoogustus, kui neid kasutati esmakordselt 1936. aastal meditsiinis.
1941. aastal ehitas Lawrence juba 184-tollist tsüklotroni. USA tuumapommi projekt Manhattan oli hiigelrahadega alustatud. Enrico Fermi ehitas valmis esimese aheldatud ahelreaktsiooniga tuumajaama ning pommi jaoks oli vaja eraldada veidi kergem isotoop 235 looduses ohtralt leiduvast uraani isotoobist 238. Lawrence ehitas oma tsüklotroni veidi muutes mass-spektromeetrit, mis neid isotoope eraldas, kuigi käiku läks Fermi tuumareaktori toodang, mis päädis 16. juulil 1945 maailma esimese tuumaplahvatusega.
Plahvatus oli tähtis, ent tsüklotroni leiutamine tähtsamgi veel. See alustas füüsikas uut ajastut, sest kiirendid on küll suurenenud – suurimaks CERNi Suur Hadronite Põrguti –, ent vajatakse ka pisemaid tsüklotrone, mida nüüdseks on maailma laborites ohtralt. Kui tsüklotronis kiirendatud osakeste kiirus ei küüni valguse kiiruseni, kiirgavad need elektromagnetilist kiirgust, mis on erinev relativistlikust, sünkrotroni kiiratavast elektromagnetilisest kiirgusest. Kiirguse kasutamiseks ehitatakse erinevad kanalid, kust seda erinevatesse uurimisseadmetesse suunatakse.
Maailma eredaim tsüklotron Lundis
Lõuna-Rootsis Lundi ülikoolilinna kirdeosas, Brunnshögi linnaosas on valmimas sünkrotron MAX IV, mille üht kiirekanalit omavad Eesti ja Soome nime all FinEstBeAMS. Kui ma seda seadet külastasin, polnud eestlasi kohal, kuid mind tutvustas plaanidega soome teadlane Antti Kivimäki. MAX IV laboris on valmis ehitatud kaks kogujaringi: üks elektronide energiaga 1,5 GeV, mis kiirgab ultrapehmet röntgenkiirgust – see tähendab suhteliselt pikalainelist kiirgust ning sellel asubki Eesti-Soome kiirekanal, teine kiirgab energiaga 3 Gev kalgimat röntgenkiirgust. Kokku on plaanis ehitada 30 kiirekanalit, millest 16 on praeguseks rahastatud. Meie kiirekanal peaks valmis saama käesoleva aasta lõpuks.
Mis kasu on sellest kanalist Eesti teadusele ja majandusele? Mõõteaegu hakkab jagama loodav Eesti sünkrotronkiirguse kasutajate ühing, esmahuvilised on materjaliteadlased TTÜst, KBFIst ja TÜst, eluteadlased, mikrobioloogid ja atmosfääriökoloogid. Siin võib üles lugeda paljusid eksperimentaalfüüsika valdkondi, ent loetelu jääb kuivaks ja mõistetamatuks. Vastan sellele küsimusele pigem nõnda. Nii Tartu Ülikooli kui hiljem ka Tallinna Tehnikaülikooli teadlased on olnud Euroopa tasemel ainete uurimisel erinevate spektroskoopia meetoditega nagu röntgenkiirte neeldumise, luminestsentsi ja fluorestsentsi uurimisel, seda kõike selleks, et uurida ikka ja aina nii materjale kui elusolendite osiseid. On selge, et otsitakse üha paremaid aineid, mille varal ehitada uusi pingeallikaid, valmistada paremaid arvutiekraane, toota tõhusamaid töötussaaste vältijaid või vähemasti puhastajaid. Kui nüüd saab materjali kombata maailma kõige eredama röntgenkiirgusega, võib tekkida uusi tulemusi ja võimalusi töötada koos tööstusega. Seda enam, et võimalikuks saab ka materjalide pindade uurimine ülikõrgvaakumis.
Skeem on inimkonna arengus selge: kui mingi meetod töötab, siis tuleb seda tõhustada. Röntgenkiirguseta poleks näiteks ei luuravi ega vähiravi. Selge see, et inimest kiirekanali ette ei pisteta, küll aga võib sealt selguda täpsem pilt taimede fotosünteesist, aga ka vähimolekulide kahetsusväärsest edukusest. Soome-Eesti projekti meiepoolsed eestvedajad, füüsikaprofessor akadeemik Ergo Nõmmiste ja füüsikaprofessor Marco Kirm on kindlad, et jõutakse välja saja Eesti kasutajani aastas (MAX IV kogu kasutajate arvuks plaanitakse 2000 aastas).
Lund ei asugi Eestist nii kaugel, kui võiks arvata. Selles Tartu-suuruses linnas tegutseb usinalt oma juurte poolest Rootsi vanim kõrgeim õppeasutus, nüüdne Lundi ülikool oma 42 000 üliõpilasega ning kui te armastate edetabeleid, siis maailma erinevates pingeridades asub see umbes esimese ja teise tuhande piirimail. Tänu üliheale rongiühendusele Kopenhaageni lennujaamaga ei võta sõit sinna palju üle poole tunni. Piisavalt on majutuspaiku ka teadlastele. Nõnda oli Lundi äärelinn, kus pealegi ei olnud eriti asustust, ideaalne paik uue teaduslinnaku rajamiseks, mis on eraldi teadusasutus ülikooli kõrval.
Suurim neutronite allikas
Minu Lundi-reisi esmane eesmärk aprilli alul oli oma silmaga näha ja kõrvaga kuulda, kuidas edeneb tehnoloogiliselt harukordse seadme ehitus sellesama MAX IV kõrval, ühinedes rühma Euroopa teadusajakirjanikega Lundi ehk maailma suurima neutroniteallika tutvustusreisil. Kõigepealt tuleb kõnelda nimest. Inglise keeles nimetatakse seda European Spallation Source, ESS. Spallation on tuumafüüsikas sõna, mis tähendab lõhustamist. Eesti keeles kõlaks Euroopa lõhustamisallikas üsna kahemõtteliselt. Seepärast räägime pigem Euroopa neutronkiirgusallikast. Lühendina kasutagem siiski ESSi, mille ülesanne on toota võimalikult ere neutronkiir, mis jagatakse 16 mõõteinstrumendi vahel. Neutronite ega ka sünkrotronkiirguse saamiseks ei kasutata Lundis tuumareaktorit, nagu näiteks Berliini-äärses Zeuthenis, Helmholzi ühingu sünkrotronis DESY (Deutsches Elactron-Synchtron), mis ehitati pärast Saksamaade ühinemist. Selle külastamisel 2009. aastal hämmastas mind suur sigin-sagin: oma seadmete kallal töötas märkimisväärne hulk teadlasi ja tehnikuid. Kui aine struktuuri uurimine jääb veidi kaugeks, siis palun: kui teil on piisavalt raha, võite siin lasta mõõta oma kuldvaasi tegeliku kullasisalduse või määrata mõne ammuse sugulase luude vanuse. Mis tähendab, et seade pakub huvi loomulikult füüsikutele ja keemikutele, kuid laiendab märgatavalt ka arheoloogide ja ajaloolaste nägemust.
ESS ehitamiseks on pannud jõu kokku 17 Euroopa riiki ja imekombel kuulub Eesti 15 asutajaliikme sekka, mis minu arust – ühes meie osavõtuga MAX IV ehitamisest ja osalemisega Euroopa Kosmoseagentuuris ning Genfis Euroopa Tuumauuringute Keskuses CERN –, kõlab suurusjärkude jõulisemalt kui mingite spordialade esiosas olemine, kui jätta kõrvale jalgpall ja autosport. ESS Eesti projekti vastutav täitja, TÜ keemia instituudi direktor professor Enn Lust loodab, et pärast seadme lõplikku valmimist 2025. aastal hakkab seadet kasutama umbes 160 Eesti teadlast.
Neutronid on küll elektrilise laenguta, mis tähendab, et elektriväljad neid ei mõjuta, neid seob tuumas prootonitega tugev vastastikmõju, ent siiski saab neutronil juuksekarvast kinni haarata, kuna sel osakesel on spinn ehk magnetmoment ja seega mõjutavad seda magnetväljad. Nõnda võib neutronuuringute abil edendada kõrgtemperatuurseid kütuseelemente, superkondensaatoreid, korrosioonivastaseid kaitsekihte, biokeemilisi reaktoreid. Tore on, et neutronitega aine pommitamine ainet ei purusta, sestap saab nende abil uurida ka reaktsioone, mille toimumisajad on ülipikad.
Neutronid tungivad läbi enamiku materjalide, kuna nende vastastikmõju on väike, seega on tulemused tundlikud ja valikulised. Nende abil saab uurida ainete magnetilisi omadusi, kuid ei maksa unustada ka neutronite endi omaduste uurimist, mis viib meid Suure Paugu ja/või supernoovade uurimisele.
Lubadused on muidugi alati toredad, kuid ometi kaldun arvama, et asjata ei hakanud Rootsi ja Taani rajama üheskoos seadet, millist mahuks ala poolest Eestisse alla tuhande ning mis neelab lõpuks 1,84 miljardit eurot. Mis on muidugi ennustus. Peaaegu kilomeetri pikkuse seadme ehitamine on suuresti lõppjärgus, kiirenditunnel ja maa all paiknevad laborid ning arvutuskeskus ja külmutusjaam on valmis, parasjagu käib märklauahoone ehitamine. Prootonid kiirendatakse tunnelis impulssidena ning pärast poole kilomeetri läbimist paiskuvad need pöörleva volframist märklaua pihta ja löövad sellest välja neutronid. Kettakujuline märklaud ainuüksi kaalub 4,6 tonni; see pöörleb, et ei kuumeneks, ja peab vastu neli aastat, misjärel robotid vahetavad selle uue vastu.
Rõhutatakse turvalisust ja kokkuhoidlikkust
Meid austavad oma loengutega peadirektor John Womersley, teadusdirektor Andreas Schreyer, tehnikadirektor Roland Garoby, säästlikkuse ja energia juht Kent Hedin ja teised juhtivtöötajad, mis pole selliste külastuste puhul just liiga sage. Muidugi tutvustasid nad ESS tööprintsiipi ja osalejate makseviisi. Nimelt maksavad Rootsi ja Taani ehitamise kahepeale, ülejäänud osalejad aga viisil, mida nimetatakse inglise keeles „in-kind“ meetodiks. See tähendab selges eesti keeles „vorst vorsti vastu“. Kui pärisin, et kas pankadest eemale saamiseks on tagasi mindud feodalistliku turu printsiibi juurde, või kui tahate, siis kunagise Eesti-Soome sõbrakaubanduse printsiibi juurde, et sulle kott silku ja mulle kotike vilja või kartulit, siis naerdi heatujuliselt. Nii see ongi. Kuidas küll üht seadet, mis in-kind’i panustatakse, võrrelda teise keerukamaga või lihtsamaga, jäeti täpsemalt selgitamata.
Las need rahad olla, küllap Eesti hakkama saab. Kuid üks, mis kõigi esinejate puhul meelde jäi, oli see, et loodavat teadusparki tutvustati kui turvalist ja keskkonnasõbralikku. 25 MW võimsust tarbiv neutronallikas annab osa oma jääksoojusest ekstra selleks Lundi elurajoonidesse ehitatava torustiku kaudu majade kütmiseks tagasi. Platsile on ehitatud kolm tuulegeneraatorit.
Kokku võtavad kaks seadet umbes kaks ruutkilomeetrit maad. Nende vahele ehitatakse maju teadlaste majutamiseks ja söötmiseks ja mida kõike, nii et kokku tuleb neid paarkümmend. Tehakse kõik, et teadlastel oleks lihtne kohale jõuda ja tagasi sõita – selle tarbeks ehitatakse rongijaamast näiteks Lundi esimest trammiliini.
Kogu ala on piiratud kas muldvallide või betoontaradega, sissepääse on alla kümne. Ja mis huvitav, maastiku reljeef olevat säherdune, et kui jalutate ümber teaduspargi, siis te ei näe, mis sees toimub. Kohalikule rahvale on õnnestunud rahulikult selgeks teha, et tegu ei ole radioaktiivse kiirguse allikaga. Kokku arvatakse sajandi lõpuni, mis on tööeaks plaanitud, tekkivat 2500 kuupmeetrit jäätmeid, millest 75 protsenti seadme lahtimonteerimisel. Madala radioaktiivsuse tasemega jäätmeid hooldab Rootsi tuumakütuse ja -jäätmete kompanii SKB.
Töö täpne ja tulemused selged
ESS tööprintsiip on suhteliselt selge. Prootonid genereeritakse ioonallikas. Seal tekitatakse aatomite ioonid ehk lüüakse elektronid näiteks vesiniku tuumade ümbert minema. Ongi prootonid valmis ja need elektromagnetväljaga vastastikmõjustuvad osakesed juhitakse lineaarsesse kiirendajasse. Selle algosas kiir fokusseeritakse. 600 meetri jooksul kiirendatakse prootonid umbes 96% valguse kiiruseni. Kiirendamine toimub ülijuhtivates õõnsustes temperatuuril –271 °C, mis saavutatakse vedela heeliumi abil. Lõpuks tabavad prootonid volframist märklauaringi. Märklaud ongi neutronite allikas. Selles toimub volframi tuumade lõhustumine ja neutronid hajuvad volframi tuumast. Mida enam neutroneid, seda eredam on neutronite allikas. Neutronid juhitakse magnetväljade vahendusel mõõteseadmetesse, milles paiknevad uuritavate ainete proovid. Need seadmed asuvad mõõtehallis. Kogu see märklauast ja mõõteaparatuurist koosnev kupatus lasub 6400 posti peal, mis tagab soovimatu vibratsiooni puudumise.
Andmed töödeldakse Kopenhaagenis asuvas andmetöötluskeskuses, kus põhiliseks probleemiks on keskuse esindaja Jonathan Taylori sõnul andmekaevandus: et igaüks oma tarvilikud andmed kätte saaks. Ühendus toimub selleks paigaldatava kaabli vahendusel.
Laskume riietusruumi. Et seadet ehitab hoolas Skanska, peame end tublisti katma. Joped, kiivrid, prillid, kummikud, isegi kindad. Ehitusplats tundub olevat siledam kui Tallinna tänavad ja tunneli ning hiigelsaalide põrandad poleeritud nagu tantsusaalid. Tõuseme vaatetorni, kus kiirendidivisjoni juht Mats Linroos selgitab meile, mis platsil toimub. Kolm kraanat ehitab parasjagu märklaua 13 meetri kõrgust betoonsärki. Kiirenditunnelite peale on kuhjatud paar meetrit mulda ning need on süvistatud vaid paari meetri sügavusele. Enamat pole vaja, kiirguse oht puudub. Meile seletatakse korduvalt, et töö käib täpselt graafiku järgi. Võibolla on see vihje soomlaste Olkiloutole, kus ehitavad poolakad panid reaktorisärgi valamisel mööda, nõnda et lammutamine ja uuesti üles ehitamine võttis oma paar aastat aega.
60-meetrises tunnelis on nagu tunnelis ikka, torud-kastid seinte ääres ja veel lahti pakkimata. Muljetavaldav on arvutisaal, umbes kahe jalgpallistaadioni suurune ja arvutiraame täis monteeritud ruum. Seadmed on kastides kohal. Arvutisaali suurus on võrreldav sellega, mida nägin CERNis. See pole paberraamatukogu: andmeid tuleb topeldada ja uuendada iga paari aasta järel.
Et töö vaeva tasub, seda tõendab näiteks 2016. aasta Nobeli füüsikapreemia, millega pärjati neutronhajumise uurijad David Thouless, Duncan Haldane ja Michael Kosterlitz, kes avastasid aine uue eksootilise kvantoleku, topoloogilised faasiüleminekud ja aine topoloogilised faasid. Sünnilt britid ja šotlane, tegid nad oma töö ameerika neutronallikal. Nüüd saab Euroopa võimsama – nagu juhtus prootonite kiirendiga CERNis.
