Součástí evropského plánu na vybudování nové generace velkých výzkumných zařízení, která Evropské strategické fórum identifikovalo pro výzkumné infrastruktury (ESFRI), je rovněž mezinárodní projekt Extreme Light Infrastructure (ELI), jenž si klade za cíl vybudovat a provozovat jedinečné laserové zařízení. Na přípravnou fázi projektu (ELI-PP), která skončila 31. prosince 2010, nyní navazuje realizační fáze, tzv. ELI Delivery Consortium, jejíž náplní je vybudování centrálně řízené panevropské výzkumné infrastruktury ELI. Ta se skládá ze tří vzájemně se doplňujících pilířů realizovaných v České republice, Maďarsku a Rumunsku.
Vizualizace laserové a administrativní části budovy ELI – letecký pohled.
První pilíř ELI Beamlines Facility umístí autoři projektu v České republice. Pro uživatele z vědecké komunity i z průmyslu zde bude poskytovat novou generaci sekundárních zdrojů pro výzkum a mezioborové aplikace ve fyzice, medicíně, biologii a materiálových vědách. Druhé centrum, Attosecond Facility, bude stát v Maďarsku a zaměří se na fyziku ultrakrátkých optických impulzů v řádu attosekund. Poslední centrum, Photonuclear Facility, které se orientuje na fotonukleární fyziku, badatelé umístí v Rumunsku. ELI Delivery Consortium (ELI-DC) má organizační strukturu podobnou té, která je navržena pro konsorcia evropských výzkumných infrastruktur (ERIC). Členy konsorcia jsou od loňského dubna Česká republika, Maďarsko, Rumunsko, resp. signatáři Memoranda o porozumění podepsaného v Praze. Součástí konsorcia ELI-DC se mohou stát i partnerské státy sdružené v projektu ELI-PP, z nichž Německo, Řecko, Francie a Bulharsko již oficiálně vyjádřily zájem do něj vstoupit.
Lasery pro společnost
Cílem projektu ELI Beamlines v České republice je vybudovat vysoce výkonný laserový systém, jenž bude využívat a provozovat nejmodernější špičkové laserové technologie pro generování nejintenzivnějších impulzů světla, jaké kdy vědci na světě vytvořili. Páteří výzkumného centra se stane laserový systém, který se skládá z velké komplexní soustavy laserových, optických, vakuových a elektronických subsystémů, které poskytují ultrakrátké světelné impulzy o délce několika femtosekund (10–15 fs). Laserový systém zahrnuje dva 10-PW bloky, což je v současné době nejvyšší dosažený výkon. Bloky poskytnou energii 200–300 J ve 20–30 fs impulzech s opakovací frekvencí až 0,1 Hz.
První výzkumný program projektu, lasery pro generaci ultrakrátkých impulzů s vysokou opakovací frekvencí a o výkonu několika petawattů, má zásadní význam pro úspěšnou realizaci dalších pěti výzkumných programů projektu ELI Beamlines. Zbývající výzkumné programy použijí k provádění veškerých vědeckých, aplikačních a technologických projektů na ELI, jež se týkají interakce ultraintenzivních laserových impulzů s hmotou, světelné impulzy generované tímto laserovým systémem.
Další výzkumné programy projektu ELI Beamlines
V rámci výzkumného programu Rentgenové zdroje čerpané ultrakrátkými laserovými impulzy vědci vyvinou a budou optimalizovat několik vzájemně komplementárních rentgenových zdrojů. Půjde zejména o plazmové rentgenové lasery v injekčním módu na vlnových délkách v blízkosti tzv. vodního okna, rentgenové lasery na volných elektronech, pokročilé K-alfa zdroje, betatronové záření a generace ultravysokých harmonických frekvencí v oblasti keV. Výstupní parametry těchto zdrojů mohou být srovnatelné nebo dokonce lepší než parametry velkých světových zařízení (např. typu XFEL), a to v mnohem kompaktnějších rozměrech. Hlavním výsledkem programu má být realizace mnoha nových rentgenových zdrojů, které se zakládají na interakci ultrakrátkých laserových impulzů s hmotou, s unikátními možnostmi využití těchto zdrojů pro aplikace v molekulární, biomedicínské a materiálové vědě, ve fyzice plazmatu a fyzice vysokých hustot energií.
Záměrem třetí výzkumné aktivity – Urychlování částic pomocí laserů – je vývoj laserového urychlovače, víceúčelového elektronového a protonového/iontového zdroje, který emituje částice v nevídaném energetickém rozsahu. Tyto pokročilé vysokoenergetické částicové svazky spolu s doprovodným zařízením (diagnostika, radiační ochrana atd.) umožní jejich využití v nových mezioborových aplikacích s širším společenským významem. Výsledky mohou představovat velký přínos především pro vývoj velice kvalitních a levných protonových zdrojů výhledově určených k léčení rakoviny. ELI bude pravděpodobně prvním zařízením, jež umožní realizaci experimentů se současným využitím ultrakrátkých relativistických iontových svazků synchronizovaných s vysokovýkonnými lasery, elektronovými svazky, rentgenovými nebo attosekundovými zdroji.
Čtvrtý z vědeckých programů, Aplikace v molekulárních, biomedicínských a materiálových vědách, směřuje k vybudování a provozu experimentální uživatelské stanice věnované přelomovým výzkumům v oblastech molekulárních, biomedicínských a materiálových (MBM), jež má využívat primárních laserových zdrojů v kombinaci se sekundárními rentgenovými a částicovými zdroji. Hlavní výhoda zařízení ELI je, že poskytne unikátní kombinaci přesné prostorové a časové synchronizace ultraintenzivního laseru s dalšími svazky ionizujícího záření. To umožní studovat velmi rané fáze fotochemických nebo radiačně chemických procesů, jež jsou dnešními prostředky nepřístupné.
V rámci pátého výzkumného programu, Fyzika plazmatu a vysokých hustot energie, vznikne unikátní experimentální centrum pro pokročilé studium plazmatu, vysokých hustot energie a pro testování pokročilých konceptů laserové termonukleární fúze. Tato experimentální stanice poskytne víceúčelové, uživatelsky zaměřené prostředí pro realizaci široké škály experimentů s hustým plazmatem. Budeme tak moci zodpovědět mnoho dosud otevřených důležitých otázek současné fyziky, jako je např. transport elektronových svazků s vysokou proudovou hustotou v hustém plazmatu pro rychlé zapálení termonukleární fúze (fast ignition) a šíření a vzájemná interakce silných rázových vln v hustém plazmatu pro zapálení fúze rázovou vlnou (shock ignition).
Cílem posledního, šestého výzkumného programu s názvem Exotická fyzika a teorie je nejdříve teoreticky a následně experimentálně prozkoumat ultrarelativistický režim interakce záření s hmotou nazývaný exotická fyzika. Tato dosud neprobádaná oblast intenzit umožní přístup k základním fyzikálním jevům s charakteristickými energiemi daleko většími než kdykoli předtím a pravděpodobně způsobí vzájemné sjednocení několika dílčích oblastí současné fyziky (atomární fyzika, fyzika plazmatu, částicová fyzika, nukleární fyzika, gravitační fyzika, teorie nelineárních polí, fyzika ultravysokých tlaků, astrofyzika a kosmologie). V rámci tohoto programu vědci prozkoumají nové režimy interakce laseru s hmotou a zmapují fundamentální jevy spojené s kvantovou elektrodynamikou.
Shrňme, že prvořadým úkolem zařízení ELI Beamlines je vytvoření nové generace sekundárních zdrojů produkovaných ultraintenzivními lasery. Tyto ultrakrátké a mimořádně intenzivní impulzy světla a částic naleznou mnoho aplikací v základním výzkumu, chemii, biologii (např. molekulární zobrazování, výzkum složitých organických molekul), lékařských vědách a při vývoji nových materiálů.
V oblasti základního výzkumu bude prostřednictvím zařízení ELI Beamlines možné studovat v laboratoři vůbec poprvé jevy spojené např. s kvantovou elektrodynamikou, časoprostorovou závislost zářivých polí, strukturu vakua a mnoho dalších, dále pomůže pochopit astrofyzikální jevy podílející se na různých mechanismech generace záření, např. v pulzarech, hnědých trpaslících a obřích planetách. V oblasti praktických aplikací umožní tyto nové, laserem řízené zdroje výrazně zlepšit detekční metody v lékařské diagnostice. Schopnost ultrakrátkých impulzů poskytovat snímky molekul s vysokým rozlišením přispěje k pochopení komplexních onemocnění, jako je rakovina, a umožní rozvoj nových účinných léčebných postupů (terapie nádorů).
Koordinátorem mezinárodního projektu ELI Beamlines je Bedřich Rus z Fyzikálního ústavu AV ČR.
Centrum ELI by mělo vyrůst do konce roku 2015 v Dolních Břežanech ve Středočeském kraji na pozemku o rozloze 6,5 ha. Dolní Břežany jsme zvolili hned z několika důvodů, mezi něž patří např. dobrá dostupnost Prahy umožňující synergii mezi budoucím laserovým centrem a špičkovými vědeckými pracovišti umístěnými právě na území hlavního města, dosažitelnost letiště Ruzyně, přímá návaznost na evropskou dálniční síť, dynamicky se rozvíjející občanská infrastruktura obce atd.
V současné době je projekt ELI Beamlines v závěrečné fázi posuzování Evropskou komisí. Konečné rozhodnutí bychom měli znát na jaře 2011. Garantem projektu ELI za Českou republiku je Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i., který bude zároveň příjemcem dotace ze strukturálních fondů v rámci Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace. Výše požadované dotace je 6,7 miliardy korun. Většinu těchto prostředků využijeme na výstavbu a vybavení infrastruktury laserovými technologiemi, které budou vědci v tomto nejmodernějším laserovém centru na světě používat.
Výzkumná infrastruktura ELI zaměstná po svém dokončení více než 300 pracovníků a každoročně se stane cílem několika stovek uživatelů. Projekt podporují Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy, Akademie věd ČR, Středočeský kraj, Ministerstvo zahraničních věcí a konsorcium ELI-CZ, které sestává ze 14 národních výzkumných institucí a velkých univerzit.
V oblasti stavebně technické přípravy získal projekt centra stavební povolení v září roku 2010. Výběrové řízení na zhotovitele stavby vyhlásíme během následujících měsíců.
MARKÉTA HOLUBOVÁ,
Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
Česky
