چرا ۱۳ کشور با هم متحد شدند تا این میکروسکوپ غول‌پیکر را بسازند؟

در دشت‌های آرام و سرسبز لوند سوئد، سازه‌ای مدرن و عظیم سر برآورده که قرار است نگاه بشر به جهان ماده را برای همیشه تغییر دهد. پروژه ESS یا «منبع اسپالاسیون اروپا»، حاصل اتحاد بی‌سابقه ۱۳ کشور است که با کنارگذاشتن مرزهای سیاسی، گرد هم آمده‌اند تا قدرتمندترین «میکروسکوپ نوترونی» تاریخ را بسازند.

برخلاف میکروسکوپ‌های نوری، این ابرماشین عظیم با شلیک پروتون‌ها با سرعتی نزدیک به نور به سمت یک چرخ تنگستنی ۵ تنی، طوفانی از نوترون‌ها ایجاد می‌کند.

این ذرات خنثی کلید قفل‌هایی هستند که اشعه ایکس توان باز کردنشان را ندارد؛ آن‌ها می‌توانند به عمیق‌ترین لایه‌های اتم نفوذ کنند و اسراری شگفت‌انگیز را فاش سازند. تصور کنید بتوانیم حرکت دقیق داروها در بدن یا رقص یون‌ها در باتری‌های نسل آینده را به‌صورت زنده تماشا کنیم!

اینجا با یک شتاب‌دهنده خطی پیچیده روبرو هستیم که مهندسی آن تلفیقی از مغناطیس، خلأ و بازوهای رباتیک است و جالب‌تر اینکه برخلاف راکتورهای هسته‌ای، کاملاً ایمن بوده و حتی گرمای اتلافی‌اش خانه‌های شهر را گرم می‌کند. اما این غول علمی دقیقاً چگونه کار می‌کند و چرا دانشمندان معتقدند که پاسخ بزرگ‌ترین چالش‌های انرژی و پزشکی قرن آینده، در دستان نوترون‌های آزاد شده در این دشت‌های سوئدی است؟

ما انسان‌ها وقتی می‌خواهیم چیزی را ببینیم، معمولاً به نور نیاز داریم، اما نور مرئی محدودیت‌هایی دارد. طول‌موج نور مرئی آن‌قدر بزرگ است که نمی‌تواند وارد فضای بین اتم‌ها شود. مثل‌اینکه بخواهید با یک توپ فوتبال، نقش‌های یک سکه کوچک را لمس کنید؛ توپ اصلاً به جزئیات سکه نمی‌رسد.

به همین دلیل دانشمندان مرکز ESS می‌خواهند به‌جای نور، از نوترون استفاده کنند. نوترون‌ها ذراتی خنثی هستند که می‌توانند به شکلی جادویی به عمق مواد نفوذ کنند. برخلاف اشعه ایکس که بیشتر با الکترون‌های اطراف اتم درگیر می‌شود، نوترون‌ها مستقیم به سراغ هسته اتم می‌روند.

تصور کنید دقیقاً در لحظه‌ای که باتری شارژ می‌شود، یون‌های لیتیوم را ببینید که چگونه بین الکترودها جابه‌جا می‌شوند، یا ببینید وقتی دارویی وارد بدن می‌شود، پروتئین‌ها چطور تغییر شکل می‌دهند، مسائلی که با روش‌های دیگر تقریباً غیرممکن است.

اما قبل از اینکه وارد تونل‌های پیچیده شتاب‌دهنده شویم، بیایید مرور سریعی بر ساختار اتم داشته باشیم: همه چیز در جهان، از هوایی که تنفس می‌کنید تا صفحه‌ای که این متن را روی آن می‌خوانید، از اتم ساخته شده و اتم‌ها هم خودشان از ذرات کوچک‌تری تشکیل شده‌اند: پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها. پروتون و نوترون در مرکز (هسته) زندگی می‌کنند و الکترون‌ها دور آن‌ها می‌چرخند.

وقتی از سایز خیلی‌خیلی کوچک اتم حرف می‌زنیم، به این اشاره می‌کنیم که شعاع یک پروتون یا نوترون حدود یک کوادریلیونیم متر (یک فمتومتر) است. البته مغز انسان نمی‌تواند این عدد را تصور کند، پس با مثالی ملموس‌تر جلو می‌رویم:

اگر یک اتم را آن‌قدر بزرگ کنیم که به اندازه‌ی استادیوم فوتبال شود، سایز هسته اتم شبیه سکه‌ی کوچکی در وسط زمین چمن خواهد بود و خود پروتون‌ها و نوترون‌ها؟ اندازه‌ی آن‌ها نهایتاً به حروف حک شده روی سکه می‌رسد!

حالا تصور کنید بقیه فضای استادیوم چقدر خالی است. نوترون‌ها به دلیل خنثی بودن (نداشتن بار الکتریکی) می‌توانند از فضای خالی و ابر الکترونی عبور کنند و مستقیم به سراغ سکه‌ی وسط زمین بروند. این ویژگی نفوذپذیری، آن‌ها را به کاوشگرهای بی‌نظیری تبدیل می‌کند.

چالش اصلی این است که شما نمی‌توانید نوترون‌ها را از هوا بگیرید یا مثل سیب از درخت بچینید. نوترون‌ها آزادانه در طبیعت پرسه نمی‌زنند و داخل هسته اتم‌ها زندانی شده‌اند. برای اینکه بتوانیم از آن‌ها به‌عنوان میکروسکوپ استفاده کنیم، باید راهی پیدا کنیم تا آن‌ها را از زندان هسته آزاد کنیم.

در این مرحله مفهوم اسپالاسیون (Spallation) مطرح می‌شود؛ واژه‌ای که در نام ESS هم وجود دارد. اسپالاسیون فرایندی است که در آن، ما با یک ذره پرانرژی (مثل پروتون) به هسته یک اتم سنگین ضربه می‌زنیم. این ضربه آن‌قدر محکم است که باعث می‌شود هسته اتم تراشیده شود و تعدادی نوترون به بیرون پرتاب شوند.

توجه کنید که این فرایند با شکافت هسته‌ای (Fission) که در نیروگاه‌های اتمی یا بمب‌ها اتفاق می‌افتد، فرق دارد. در نیروگاه‌ها، اتم شکافته می‌شود و یک واکنش زنجیره‌ای تولید می‌کند که اگر کنترل نشود، فاجعه‌بار خواهد بود.

اما در اسپالاسیون، واکنش زنجیره‌ای در کار نیست. ما فقط اتم را بمباران می‌کنیم تا نوترون‌هایش را بدزدیم. به‌محض اینکه شتاب‌دهنده خاموش شود، تولید نوترون هم متوقف می‌شود و این یعنی ایمنی بسیار بالاتر.

در مرکز فیزیکی پروژه چه می‌گذرد؟ در نزدیکی لوند، تونلی طولانی در زیر زمین حفر شده که آغازگر تمام این ماجراست و شتاب‌دهنده خطی (Linac) را میزبانی می‌کند.

در ابتدای این تونل، پروتون‌ها از یک منبع یونی تولید می‌شوند. سپس وارد لوله‌های خلأ می‌شوند و سفر خود را آغاز می‌کنند. در طول این مسیر، با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی قدرتمند، سرعت آن‌ها لحظه‌به‌لحظه بیشتر می‌شود تا جایی که به عدد حیرت‌انگیز ۹۶درصد سرعت نور می‌رسند.

پرتوی پروتونی که اینجا تولید می‌شود ۵ مگاوات قدرت دارد، یعنی حدوداً ۵ برابر بیشتر از قدرتمندترین منابع مشابه در جهان مثل SNS در آمریکا. قدرت بیشتر یعنی تعداد پروتون‌های بیشتر در هر ثانیه، که در نهایت به معنای تولید نوترون‌های بیشتر و داده‌های دقیق‌تر خواهد بود.

وقتی در این تونل راه می‌روید (البته وقتی خاموش است!)، حس می‌کنید در راهروی اصلی یک سفینه فضایی قدم می‌زنید: لوله‌های براق، کابل‌های ضخیم و سکوتی که قبل از طوفان انرژی حاکم است.

اما کار با سرعت دادن به پروتون‌ها تمام نمی‌شود و نیمه دشوارتر را می‌توانیم کنترل آن‌ها بدانیم. یک پرتو پروتونی با سرعت نور مثل یک شلنگ آب آتش‌نشانی است که اگر رها شود، همه‌چیز را نابود می‌کند! این پرتو باید در مسیری مستقیم و متمرکز، بدون برخورد به دیواره‌های لوله حرکت کند.

در طول تونل، واحدهایی مغناطیسی به نام Linac Warm Units جای گرفته‌اند که پر از آهنرباهای قدرتمند هستند. آهنرباها وظیفه دارند پرتو را فشرده و متمرکز نگه دارند تا دقیقاً در مرکز لوله حرکت کند. دقت در اینجا میلی‌متری نیست، بلکه میکرومتری است.

هیچ کشوری نمی‌تواند چنین مرکزی را یک‌شبه یا حتی در مدتی کوتاه بسازد. نصب تجهیزات شتاب‌دهنده از سال ۲۰۱۷ آغاز شد. تصور کنید قطعاتی با وزن چند تن و تکنولوژی فوق‌پیشرفته که باید از کشورهای مختلف به سوئد می‌آمدند و با دقتی بسیار بالا کنار هم چیده می‌شدند.

مهندسان پروژه استراتژی «قدم‌به‌قدم» را انتخاب کردند؛ بدین معنی که منتظر نماندند تا کل تونل تمام شود و بعد فرایندهای عملی‌شان را استارت بزنند. آن‌ها مرکز را بخش به بخش ساختند، تست کردند و جلو رفتند و در سال ۲۰۲۵ به مراحل پایانی رسیدند.

پروتون‌ها با سرعت نور تونل را طی می‌کنند و در انتهای خط به هدفی می‌رسند که و قلب اصلی ESS محسوب می‌شود:

این هدف نه نقطه‌ای کوچک، بلکه یک چرخ عظیم ۵ تنی از جنس فولاد ضدزنگ است که داخل آن بلوک‌هایی از فلز تنگستن قرار دارد، فلزی بسیار چگال و سنگین با نوتورون‌های فراوان در هسته‌ی اتم‌ها. دقیقاً همان چیزی که ما برای فرایند اسپالاسیون (همان ضربه پتک به بتن) نیاز داریم.

اما چرخ ثابت نمی‌ماند؛ چرا که اگر پرتوی قدرتمند پروتونی فقط به یک نقطه از آن برخورد کند، همان نقطه فوراً ذوب می‌شود. پس طبق محاسبه‌ی مهندسان چرخ با سرعت دقیق ۲۳٫۳ دور در دقیقه می‌چرخد.

وقتی پرتوی ۵ مگاواتی به فلز تنگستن برخورد می‌کند، گرما و تابش بسیار بالایی ایجاد می‌شود. برای مهار بار حرارتی، چرخ ۵ تنی را با جریان گاز هلیوم خنک می‌کنند: حدود ۳ کیلوگرم هلیوم در هر ثانیه با فشار وارد سیستم می‌شود تا انرژی آزادشده در محل برخورد را به‌سرعت دفع کند.

بااین‌حال، گرما تنها چالش این مرحله نیست. شدت تشعشعات رادیواکتیو در این نقطه به اوج خود می‌رسد و همین موضوع مهندسی ایمنی ایستگاه هدف را به یکی از پیچیده‌ترین بخش‌های کل مجموعه تبدیل می‌کند.

اطراف چرخ هدف، محفظه‌ای غول‌پیکر به نام مونولیت (Monolith) دیده می‌شود؛ برج فلزی ۶۰۰۰ تنی (هم‌وزن برج ایفل!) که وظیفه دارد تابش‌ها را مهار کند. نکته حیرت‌انگیز اینجاست که قطعات داخلی این سازه باید با تلورانس یا میزان خطای کمتر از ۷۵ میلی‌متر نصب می‌شدند.

یکی از جذاب‌ترین بخش‌های مجموعه، فضایی است با عنوان «سلول فعال» (Active Cell). این اتاق برای رسیدگی به قطعاتی طراحی شده که در اثر کارکرد طولانی‌مدت رادیواکتیو شده‌اند؛ مثلاً چرخ هدفی که به پایان عمر عملیاتی خود رسیده و باید از مدار خارج شود.

اپراتورها پشت دیوارهای شیشه‌ای ضخیمی که با سرب غنی شده‌اند؛ می‌نشینند و با جوی‌استیک‌های مخصوص بازوها را حرکت می‌دهند تا زباله‌های هسته‌ای را تکه‌تکه و ایمن‌سازی کنند.

پس از اینکه پروتون به چرخ تنگستنی خورد، نوترون‌ها آزاد می‌شوند (اسپالاسیون) و با سرعتی نزدیک به نور بیرون می‌پرند. اما این سرعت برای آزمایش‌های علمی خیلی زیاد است، مثل‌اینکه بخواهید با سرعت ۲۰۰ کیلومتر بر ساعت از ویترین یک مغازه عکس بگیرید؛ تصویر حاصل چیزی جز آشفتگی نخواهد بود.

به همین دلیل، نوترون‌ها باید پیش از ورود به مرحله آزمایش «کند» شوند. این کار در سیستمی به نام Moderator انجام می‌شود؛ محیطی که معمولاً حاوی هیدروژن مایع یا آب است. نوترون‌ها با عبور از این مواد، بخشی از سرعت و گرمای خود را از دست می‌دهند و به بازه‌های مناسب برای آزمایش می‌رسند؛ حالتی که از آن‌ها با عنوان نوترون‌های سرد یا گرم یاد می‌شود.

در این مرحله، نوترون‌های مهارشده وارد «خطوط پرتو» (Beamlines) می‌شوند؛ لوله‌هایی از مرکز مجموعه به‌صورت شعاعی به سمت سالن‌های مختلف آزمایش امتداد یافته‌اند.

نوترون‌ها در انتهای مسیرشان به ۱۵ ایستگاه مختلف می‌رسند. هر ایستگاه یک ابزار علمی منحصربه‌فرد است که توسط تیم‌های تحقیقاتی مختلف از سراسر اروپا ساخته شده و جالب اینکه دانشمندان روی این ابزارها اسم‌های خلاقانه‌ای گذاشته‌اند:

هر کدام از این ابزارها داده‌های خامی تولید می‌کنند که هنوز قابل‌فهم نیستند. این داده‌ها از طریق فیبر نوری به ساختمانی در کپنهاگ (دانمارک) ارسال می‌شوند؛ مرکزی که فقط مخصوص پردازش داده‌هاست. در آنجا، ابرکامپیوترها الگوهای پراکندگی نوترون را تحلیل می‌کنند و به دانشمندان می‌گویند که در سطح اتمی چه اتفاقی افتاده است.

ولی دانستن جای پروتون‌ها چه تغییری در زندگی روزمره ما ایجاد می‌کند؟ به طور خلاصه ESS جایی است که فاصله میان فیزیک بنیادی و کاربردهای ملموس پر می‌شود؛ جایی که داده‌های انتزاعی به تصمیم‌های صنعتی، پزشکی و فناورانه تبدیل می‌شوند:

• انرژی پاک: دانشمندان می‌توانند ببینند که در سطح اتمی چرا یک سلول خورشیدی کارایی‌اش را از دست می‌دهد یا چگونه می‌توان باتری‌هایی ساخت که ۱۰ برابر بیشتر شارژ نگه دارند.
• پزشکی: نوترون‌ها می‌توانند به طراحی داروهایی کمک کنند که دقیقاً به بافت بیمار حمله کنند.
• ابررساناها: موادی که برق را بدون هیچ مقاوتی عبور می‌دهند. درک مکانیزم آن‌ها می‌تواند انقلاب بعدی در صنعت برق باشد.
• محاسبات کوانتومی: ساخت مواد موردنیاز برای کامپیوترهای کوانتومی آینده.

چالش‌های ساخت ESS صرفاً به مسائل فنی و مهندسی ختم نمی‌شد؛ این پروژه از همان ابتدا آزمونی در دیپلماسی علمی و اقتصاد کلان نیز به‌شمار می‌رفت. ایده‌ی اولیه در سال ۲۰۰۹ تصویب شد و برآورد هزینه‌ها به رقمی در حدود ۳ میلیارد یورو رسید؛ مبلغی که تأمین آن برای یک کشور چندان واقع‌بینانه نبود.

به همین دلیل حامیان پروژه به مدل «مشارکت غیرنقدی» روی آوردند: سیزده کشور عضو توافق کردند به‌جای انتقال صرف منابع مالی، بخشی از سهم خود را در قالب دانش فنی، طراحی و تجهیزات تخصصی تأمین کنند. سوئد و دانمارک به‌عنوان کشورهای میزبان، نزدیک به ۵۰ درصد هزینه‌ها را بر عهده گرفتند و سایر اعضا مابقی سهم را پوشش دادند.

هماهنگی این حجم از تفاوت‌های زبانی، استانداردی و فنی، به نوبه‌ی خود دستاورد مدیریتی کم‌نظیری به‌شمار می‌آید. به تعبیر یکی از مدیران پروژه: «ما بهترین‌های هر کشور را گلچین کردیم تا پازلی دقیق و بی‌نقص بسازیم.»

البته ESS تنها منبع نوترونی فعال در دنیا نیست. مراکزی مانند ISIS Neutron and Muon Source در بریتانیا (فعال از دهه ۱۹۸۰) یا Oak Ridge در ایالات متحده سال‌هاست که در این حوزه نقش کلیدی دارند. تفاوت ESS اما در شاخصی تعیین‌کننده خلاصه می‌شود: درخشندگی و شدت پرتو. این مرکز قرار است نوترون‌هایی تا حدود ۱۰۰ برابر درخشان‌تر از منابع فعلی تولید کند؛ پیشرفتی که دامنه آزمایش‌ها را به‌طور قابل‌توجهی گسترش می‌دهد.

نمونه‌ای حتی شگفت‌انگیزتر، قدرت تصویربرداری نوترونی را به‌خوبی نشان می‌دهد؛ قابلیتی مشابه آنچه ابزارهایی مانند ODIN در ESS ارائه خواهند داد. پژوهشگران تخم یک دایناسور سنگ‌شده را که در صحرای گبی پیدا شده بود و قدمتی ۱۰۰ میلیون‌ساله داشت زیر پرتو نوترون بردند.

آن‌ها نمی‌خواستند تخم را بشکنند (چون بسیار ارزشمند بود). نوترون‌ها اما به درون سنگ نفوذ کردند و تصویری ثبت شد که همه را غافلگیر کرد: جنین کوچک دایناسور هنوز درون تخم قرار داشت! این یعنی قدرت دیدن نادیدنی‌ها بدون تخریب اثر. ESS قرار است همین قابلیت را با وضوحی بسیار بالاتر ارائه دهد.

از نظر ظاهری، ESS آگاهانه تلاش کرده خود را به طبیعت اطراف تحمیل نکند. خبری از فنس‌های بلند و زشت نیست و چمنزارها و گیاهان بومی چشم‌انداز محوطه را پر کرده‌اند.

اما شاخص‌ترین ویژگی معماری مجموعه را می‌توانیم سقف ساختمان اصلی بدانیم که به Sombrero یا کلاه مکزیکی شهرت دارد. این سقف که حدود ۳۵ متر از ساختمان بیرون‌زده، صرفاً جنبه‌ی زیبایی ندارد و طوری طراحی شده است که وزن برف سنگین سوئد را تحمل کند و در برابر بادهای شدید مقاوم باشد.

از طرف دیگر گرمای تولید شده توسط دستگاه‌های خنک‌کننده هلیومی هدر نمی‌رود. این انرژی بازیافت می‌شود و به سیستم گرمایش شهری لوند راه می‌یابد. پیش‌بینی می‌شود که گرمای اتلافی ESS بتواند خانه‌های ۲۰ هزار نفر از ساکنان شهر لوند را در زمستان گرم کند.

ESS اکنون در چه مرحله‌ای قرار دارد؟ ماه می ۲۰۲۵، تیم فنی به دستاورد مهمی رسید: پروتون‌ها با موفقیت در طول کل تونل شتاب‌دهنده هدایت شدند و به انتهای مسیر رسیدند.

گام‌های بعدی به‌صورت فشرده چنین تعریف شده‌اند: مارس ۲۰۲۶ نخستین برخورد پروتون‌ها با هدف تنگستنی انجام می‌شود و تولید اولین نوترون‌ها آغاز خواهد شد؛ سال ۲۰۲۷ نیز ابزارهای علمی به‌طور کامل آماده می‌شوند و آزمایش‌های واقعی توسط گروه‌های پژوهشی کلید می‌خورد.

البته در چنین پروژه‌ی پیچیده‌ای زمان‌بندی‌ها ممکن است تغییر کنند؛ ولی مسیر روشن است و حرکت به جلو ادامه دارد.

سیزده کشور با زبان‌ها، فرهنگ‌ها و سنت‌های مهندسی متفاوت، زیر یک سقف مشترک؛ یا دقیق‌تر بگوییم زیر همان «سامبررو» معروف؛ کنار هم ایستاده‌اند تا لایه‌های ناشناخته‌ی جهان را کنار بزنند.

هیچ‌کس امروز نمی‌داند ESS به چه کشفیاتی منجر خواهد شد. همان‌طور که پیشگامان برق هرگز آینده‌ای با اینترنت و تلفن هوشمند را پیش‌بینی نمی‌کردند، دانشمندان ESS هم نمی‌دانند کشفیاتشان ۵۰ سال دیگر چه شکلی به زندگی ما می‌دهد. اما شکی نیست که مسیرهای تازه‌ای در علم مواد، انرژی و پزشکی از همین دشت‌های جنوب سوئد متولد می‌شوند و ما در زمانه‌ای زندگی می‌کنیم که می‌توانیم آغاز این فرایند را ببینیم.