Η ευρωπαϊκή εγκατάσταση XFEL στο Schenefeld, Αμβούργο, Γερμανία. Φωτογραφία: Focke Strangmann / EPA
Η εγκατάσταση στο Αμβούργο θα βοηθήσει στην αναδημιουργία των συνθηκών που βρίσκονται βαθιά μέσα στον ήλιο, να ξεδιπλώσει τους τρόπους δημιουργίας νέων αντιβιοτικών και να δημιουργήσει μια νέα μορφή διαμαντιού.
Το πιο ισχυρό λέιζερ ακτίνων Χ του κόσμου έχει αρχίσει να λειτουργεί σε μια εγκατάσταση όπου οι επιστήμονες θα προσπαθήσουν να αναδημιουργήσουν τις συνθήκες βαθιά μέσα στον ήλιο και να παράγουν ακολουθίες ιών και κυτταρικές ταινίες.
Το μηχάνημα, που ονομάζεται ευρωπαϊκό ηλεκτρονικό λέιζερ ηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XFEL), λειτουργεί ως φωτογραφική μηχανή υψηλής ταχύτητας που μπορεί να καταγράψει εικόνες μεμονωμένων ατόμων σε μερικά εκατομμύρια του δισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου. Σε αντίθεση με μια συμβατική κάμερα, όμως, τα πάντα που απεικονίζονται από το λέιζερ ακτίνων Χ είναι εξουδετερωμένα – η ακτίνα του είναι 100 φορές πιο έντονη απ ‘ ότι εάν όλο το ηλιακό φως που έπληξε την επιφάνεια της Γης επικεντρωνόταν σε μία μόνο μικρογραφία.
Η εγκατάσταση κοντά στο Αμβούργο, που στεγάζεται σε μια σειρά από σήραγγες έως 38 μέτρων υπόγειο, θα επιτρέψει στους επιστήμονες να διερευνήσουν την αρχιτεκτονική των ιών και των κυττάρων, δημιουργώντας ταινίες ασφυξίας χημικών αντιδράσεων καθώς ξεδιπλώνουν και αναπαράγουν συνθήκες βαθιά μέσα στα αστέρια και τους πλανήτες.
Οι επιστήμονες έχουν ήδη συμμετάσχει σε μια έντονη ανταγωνιστική διαδικασία υποβολής προσφορών για να είναι οι πρώτοι που έχουν χρόνο για τις έξι γραμμές ακτινών.
«Το λέιζερ είναι η μεγαλύτερη και η πιο ισχυρή πηγή ακτίνων Χ που έγινε ποτέ», δήλωσε ο Olivier Napoly, μέλος της Γαλλικής Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας, που βοήθησε στην κατασκευή των εγκαταστάσεων.
Το XFEL είναι η τρίτη μείζονα εγκατάσταση laser ακτίνων Χ στον κόσμο – τα έργα στην Ιαπωνία και στις ΗΠΑ έχουν ήδη δημιουργήσει σημαντικές προόδους στη δομική βιολογία και την επιστήμη των υλικών. Η ευρωπαϊκή ακτίνα είναι πιο ισχυρή, αλλά η πιο σημαντική έχει πολύ υψηλότερο ρυθμό παλμών από τους προηγούμενους.
«Μπορούν να στείλουν 100 παλμούς έξω ανά δευτερόλεπτο, μπορούμε να στείλουμε 27.000», δήλωσε ο Robert Feidenhan’l, πρόεδρος του ευρωπαϊκού συμβουλίου διαχείρισης XFEL.
Αυτό έχει σημασία επειδή για τη μελέτη χημικών αντιδράσεων ή βιολογικών διεργασιών, το στροβοσκόπιο ακτίνων Χ χρησιμοποιείται για να συλλαμβάνει στιγμιαία στιγμιότυπα του ίδιου συστήματος σε διαφορετικά χρονικά σημεία που μπορούν να συρραφτούν μαζί σε μια ακολουθία ταινιών.
Στο XFEL, οι επιστήμονες θα είναι σε θέση να συλλέγουν δεδομένα με πολύ πιο γρήγορο ρυθμό και να χάσουν λιγότερα από τη δράση μεταξύ πυροβολισμών.
Ο Allen Orville, ο οποίος διαχειρίζεται το διανομέα XFEL στην Diamond Light Source του Ηνωμένου Βασιλείου, είναι από τους πρώτους χρήστες που θα ξεκινήσουν τη συλλογή δεδομένων σε διάστημα δύο εβδομάδων. Ο Orville επικεντρώνεται στην κατανόηση της μοριακής μηχανικής του τρόπου με τον οποίο τα ένζυμα κάνουν αντιβιοτικά, όπως η πενικιλίνη, με απώτερο σκοπό την ανάπτυξη νέων τρόπων παραγωγής αντιβιοτικών στο μέλλον.
Η σήραγγα μήκους σχεδόν μιλίων που στεγάζει τη μεγαλύτερη εγκατάσταση ακτινογραφίας στον κόσμο κοντά στο Αμβούργο της Γερμανίας. Φωτογραφία: Heiner Muller-Elsner / AFP / Getty Images
Προηγουμένως, οι επιστήμονες μπόρεσαν να μετρήσουν την κρυσταλλική δομή των αρχικών και των τελικών προϊόντων. Αλλά, σύμφωνα με τον Orville, αυτό είναι σαν να προσπαθούμε να κατανοήσουμε έναν διαγωνισμό ολυμπιακών διαγωνισμών με βάση τις εικόνες του αθλητή στον πάγκο πριν το άλμα και ξαπλωμένος στο ματ αργότερα.
Ένα άλλο προγραμματισμένο πείραμα θα έχει στόχο να αποκαλύψει τη διαδικασία με την οποία τα μόρια συλλαμβάνουν το φως και την μετατρέπουν σε ενέργεια κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης. «Μπορεί να το χρησιμοποιήσετε ως είσοδο για να κάνετε μια τεχνητή συσκευή για να κάνετε το ίδιο», δήλωσε ο Feidenhan’l.
Το επίκεντρο της εγκατάστασης είναι ο μακρύτερος – ένας μακρύς υπεραγωγικός γραμμικός επιταχυντής στον κόσμο, σχεδιασμένος να παρέχει την ενέργεια που απαιτείται για την παραγωγή ακτινών Χ και αναβοσβήνει ένα δισεκατομμύριο φορές, επίσης είναι φωτεινότερο από τις καλύτερες συμβατικές πηγές ακτινοβολίας. Η θερμοκρασία της σήραγγας διατηρείται σε 2C πάνω από το απόλυτο μηδέν.
Τα ηλεκτρόνια μεταδίδονται στη συνέχεια ανάμεσα σε μια σειρά μαγνητών που τους στέλνουν σε διαδρομή που μοιάζει με σλάλομ, όπου εκπέμπουν σε κάθε κέλυφος ακτίνες Χ, οι οποίες συσσωρεύονται σε μια έντονη δέσμη λέιζερ.
Το μήκος κύματος των ακτίνων Χ είναι περίπου 0,05 νανόμετρα, συγκρίσιμο με την ακτίνα ενός ατόμου υδρογόνου. Πλησιάζει τον στόχο και η προκύπτουσα διασκορπισμένη ακτινοβολία, που συλλέγεται από τους ανιχνευτές, αποκαλύπτει την εσωτερική δομή του δείγματος – λίγο πριν καταστραφεί.
Το XFEL θα φιλοξενήσει επίσης ένα ισχυρό οπτικό λέιζερ για να προχωρήσει μαζί με το όπλο ακτίνων Χ, το οποίο οι επιστήμονες θα χρησιμοποιήσουν για να ασκήσουν ασυνήθιστες πιέσεις στα υλικά προκειμένου να αναπαραχθούν συνθήκες παρόμοιες με εκείνες στο κέντρο της Γης ή μέσα στον Ήλιο – υλικού σε προηγουμένως αόρατες διαμορφώσεις.
Ο Justin Wark, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, δήλωσε: «Οι πιέσεις που μπορείτε να παράγετε είναι τεράστιες, 10 εκατομμύρια ατμόσφαιρες και άνω που είναι περισσότερο από τρεις φορές την πίεση στο κέντρο της Γης».
Ο Wark και άλλοι θα χρησιμοποιήσουν τη ρύθμιση διπλού λέιζερ για να εκτοξεύσουν δείγματα με το οπτικό φως και στη συνέχεια να τραβήξουν μια φωτογραφία με τη δέσμη ακτίνων Χ για να απαντήσουν σε προηγούμενες αναπάντητες ερωτήσεις.
Εξαιρετικά υψηλές πιέσεις, υποστηρίζει η θεωρία, θα μπορούσαν επίσης να παράγουν εντελώς νέα υλικά, συμπεριλαμβανομένης μιας νέας μορφής διαμαντιού με κρυσταλλική δομή που θα την καθιστούσε ακόμη πιο δύσκολη από το συμβατικό είδος.
Οι επιστήμονες σχεδιάζουν επίσης να εκμεταλλευτούν την τεράστια επίδραση θέρμανσης της δέσμης ακτίνων Χ, η εστιακή περιοχή μπορεί να φτάσει τα 200 εκατομμύρια βαθμούς σε ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου.
Ο Wark πιστεύει ότι αυτό θα επιτρέψει στο XFEL να διερευνήσει τις διεργασίες στον ήλιο, όπως για παράδειγμα πώς η ακτινοβολία κάνει το δρόμο της από το κέντρο προς την επιφάνεια.
