Polskiej Mapy Drogowej Infrastruktur Badawczych

Polskiej Mapy Drogowej Infrastruktur Badawczych

Formularz informacyjny dotyczący propozycji
projektu infrastruktury badawczej w związku z aktualizacją
Polskiej Mapy Drogowej Infrastruktury Badawczej
(Proszę o wpisanie wymaganych informacji w puste pola; maksymalna liczba znaków bez
spacji na poszczególne informacje wynosi 1500; łącznie nie więcej niż 5 stron)
Tytuł (nazwa) proponowanej IB:
Helmholtz Beamline (HB)
Koordynator oraz skład
konsorcjum składającego
propozycję; nazwa konsorcjum:
Propozycję projektu składa Wojskowa Akademia Techniczna
w Warszawie w imieniu krajowego konsorcjum „Helmholtz
Beamline - Polska”.
Konsorcjum utworzą polskie podmioty zainteresowane
udziałem w budowie i eksploatacji infrastruktury badawczej
Helmholtz Beamline przy europejskim rentgenowskim
laserze na swobodnych elektronach European XFEL w
Hamburgu oraz stowarzyszonej z nią infrastruktury
badawczej Helmholtz Beamline – Polska zlokalizowanej w
Polsce.
Prace przygotowacze, mające na celu powołanie konsorcjum
„Helmholtz Beamline - Polska”, koordynuje Wojskowa
Akademia Techniczna w Warszawie, która należy do
międzynarodowego konsorcjum przygotowującego projekt
infrastruktury Helmholtz Beamline w Hamburgu. Konsorcjum
międzynarodowe składa się z ponad 80 zespołów
badawczych z 60 instytucji naukowych z 15 krajów.
Koordynatorem międzynarodowego konsorcjum jest centrum
badawcze Helmholtz-Zentrum-Dresden-Rosendorf (HZDR) w
Dreźnie.
Krajowe konsorcjum „Helmholtz Beamline - Polska” będzie
składało się z kilkunastu uczelni wyższych, instytutów
naukowo
i
przedsiębiorstw
produkcyjnych,
których
przedstawiciele zgłosili wstępny zamiar przystąpienia do
projektu. Formalnie konsorcjum zostanie powołane po
przyjęciu projektu do II etapu procedury aktualizacji projektów
na Polskiej Mapie Drogowej Infrastruktury Badawczej.
1: Opis koncepcji własnościowej (krajowa lub międzynarodowa) oraz struktury operacyjnej
(skupiona, rozproszona, stacjonarna, ruchoma, sieć, system informatyczny, zbiór, itp.):
Europejska infrastruktura badawcza Helmholtz Beamline będzie zlokalizowana przy europejskim
laserze rentgenowskim na swobodnych elektronach European XFEL w Hamburgu. Będzie to
infrastruktura o strukturze skupionej, składająca się z dwóch systemów impulsowych laserów
wielkiej mocy oraz układu magnesów o wielkim natężeniu pola w impulsie.
Jej realizacja jest obecnie na etapie przygotowania przez międzynarodowe konsorcjum
koordynowane przez Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) w Dreźnie (Prof. Thomas
Cowan) wniosku o jej dofinansowanie przez Stowarzyszenie Helmholtza w Niemczech.
Przygotowywany wniosek przewiduje udział w finansowaniu projektu przez partnerów spoza
Niemiec. Czynnik ten jest jednym w elementów oceny projektu oraz decyzji o jego realizacji.
Koncepcja własnościowa i struktura operacyjna infrastruktury Helmholtz Beamline nie jest jeszcze
ustalona. Przypuszczalnie przyjęta zostanie struktura organizacyjna w formie spółki, podobnie jak
w przypadku innych wielkich infrastruktur badawczych w Europie, np. European XFEL.
Rozważane są także możliwości wprowadzenia struktury zarządzania nową infrastrukturą w
ramach europejskiego konsorcjum European Research Infrastructure Consortium (ERIC) i
1
połączenie jej z budowaną obecnie wielką infrastrukturą badawczą Extreme Large Infrastructure
- ELI, składająca się z infrastruktury ELI - Beamline w Czechach, infrastruktury ELI – Atto na
Węgrzech oraz infrastruktury ELI – NP w Rumunii. Decydujący wpływ na strukturę własnościową i
organizacyjną nowej infrastruktury będą mieli członkowie międzynarodowego konsorcjum.
2: Opis celów badawczych oraz programu badań:
Infrastruktura Helmholtz Beamline będzie stanowiła wyposażenie linii eksperymentalnej SASE2
lasera rentgenowskiego European XFEL w dwa impulsowe lasery wielkiej mocy i energii oraz
układ impulsowych magnesów o silnym polu magnetycznym. Zbudowane będą: femtosekundowy
laser o mocy w impulsie około 1 PW (1015 W) przy częstotliwości powtarzania impulsów 1 Hz oraz
200 TW przy częstotliwości 10 Hz, nanosekundowy laser o energii w impulsie około 1 kJ,
wytwarzającego pojedyncze impulsy o energii w zakresie około kJ oraz energii około 100 J przy
częstotliwości 1 Hz i układy impulsowych magnesów o natężeniu pola do 50 T w impulsie.
Infrastruktura Helmholtz Beamline będzie służyła do badania oddziaływania promieniowania
laserowego z materią w zakresie wysokich gęstości energii (High Energy Density - HED)
planowanych na stacji eksperymentalnej HED linii SASE 2. Umożliwi ona badania stanów materii o
wysokiej gęstości energii, równań stanu dla ciepłej gęstej materii (Warm Dense Matter - WDM),
przemiany fazowej w warunkach wysokiego ciśnienia oraz dynamiki plazmy o wysokiej gęstości.
Otworzy to nowe perspektywy dla geofizyki i fizyki układów planetarnych poprzez rozszerzenie
zakresu warunków wysokiego ciśnienia do 10 Mbar uzyskiwanego przez kompresję materii
profilowanymi impulsami laserowymi wielkiej mocy. Wysoka częstotliwość powtarzania impulsów
lasera oraz niepowtarzalna charakterystyka wiązki lasera XFEL umożliwi przekształcenie badań
materiałów w zakresie WDM oraz wysokich ciśnień z ery „demonstracyjnej” do ery
systematycznych badań o dużej precyzji.
3: Opis unikalnego charakteru IB oraz potencjalnego wkładu w rozwój badań naukowych:
Infrastruktura Helmholtz Beamline będzie stanowić jedyne na świecie połączenie laserów
impulsowych wielkiej mocy i energii, magnesów o silnym polu magnetycznym oraz źródła spójnego
promieniowania rentgenowskiego o wysokiej jasności, jakim jest laser European XFEL. Stworzy
ona nowe możliwości prowadzenia badań w zakresie wysokiej gęstości energii, relatywistycznej
plazmy laserowej, silnych pól, ultraszybkiej dynamiki materiałów i układów złożonych.
Wyjątkowe połączenie wiązki spójnego promieniowania rentgenowskiego o bardzo dużej jasności
oraz bardzo silnych pól magnetycznych możliwych do osiągnięcia za pomocą lasera PW otworzy
nowe możliwości badań podstawowych z zakresu elektrodynamiki klasycznej i kwantowej. Wiązka
lasera XFEL będzie stosowana do sprawdzenia założeń fizyki kwantowej dotyczących polaryzacji
próżniowej w silnym polu wytwarzanym w ognisku lasera PW.
Nowa infrastruktura pozwoli na badania dynamiki procesów zachodzących na poziomie atomowym
podczas obróbki materiałów wiązkami jonowymi oraz na badania zmian zachodzących w
warunkach bardzo silnego napromieniowania, które będą możliwe dzięki zastosowaniu techniki
próbkowania z użyciem laserów ultrakrótkich impulsów. Umożliwi to poznanie i lepsze zrozumienie
nowych metod obróbki oraz własności materiałów zaawansowanych.
Zastosowanie impulsów promieniowania rentgenowskiego o bardzo wysokiej jasności w badaniach
plazmy o wysokiej gęstości powstającej podczas oddziaływania lasera o ultra-wysokim natężeniu
promieniowania z materią, pozwoli na szczegółową analizę jej struktury wewnętrznej, co ma to
zasadnicze znaczenie w badaniach procesu laserowej syntezy termojądrowej.
4: Opis potencjału badawczego konsorcjum (określany jako liczba podmiotów tworzących
konsorcjum wraz z liczbą zatrudnionych pracowników naukowych i technicznych związanych
z proponowanym obszarem badań, budżet badawczy, posiadana infrastruktura badawcza, itp.):
Propozycja przystąpienia do projektu infrastruktury badawczej Helmholtz Beamline jest składana
w imieniu krajowego konsorcjum, które utworzy kilkunaście polskich podmiotów (uczelni wyższych
2
oraz instytutów naukowych i przedsiębiorstw produkcyjnych), których przedstawiciele wyrazili
zainteresowanie projektem i wyrazili zamiar przystąpienia do konsorcjum. Dotychczas
przeprowadzono wstępne rozmowy oraz przygotowano umowy konsorcyjne. Orientacyjna liczba
pracowników naukowych i technicznych zatrudnionych w tych podmiotach, związanych z obszarem
badawczym nowej infrastruktury, jest szacowana na około 150-200 osób.
Prace przygotowawcze mające na celu utworzenie krajowego konsorcjum są prowadzone przez
zespół Wojskowej Akademii Technicznej. Są one skoordynowane z działaniami międzynarodowego
konsorcjum Helmholtz Beamline, w którym bierze udział Wojskowa Akademia Techniczna.
Jednostką uczestniczącą w projekcie jest Instytut Optoelektroniki (IOE), będący podstawową
jednostką organizacyjną Akademii na prawach wydziału. IOE jest największym w Polsce ośrodkiem
naukowo-badawczym w zakresie laserów. Jest w nim zatrudnionych około 180 osób, w tym 90
nauczycieli akademickich. Roczny budżet Instytutu na badania wynosi około 40 mln zł. Laboratoria
Instytutu są wyposażone w unikalną w Polsce laserową aparaturę naukową. Inwestycje
aparaturowe w ostatnich 5 latach wyniosły ok. 80 mln zł. W IOE jest realizowanych około 60-70
prac badawczych, badawczo-rozwojowych i wdrożeniowych, z czego większość dotyczy techniki
laserowej i jej zastosowania. Kadra Instytutu ma duże doświadczenie w realizacji projektów we
współpracy z zagranicą oraz projektów wdrożeniowych wspólnie z przedsiębiorstwami
produkcyjnymi.
5: Opis koncepcji realizacji programu badań oraz zasady dostępu do prowadzenia
i wyników badań (np. proporcje udziału zespołów krajowych i zagranicznych, wykorzystanie do
celów akademickich):
Planowana infrastruktura Helmholtz Beamline będzie stanowiła część wielkiej infrastruktury
badawczej European XFEL. Projekty badawcze realizowane z użyciem tej infrastruktury będą
prowadzone zgodnie z zasadami przyjętymi w ośrodku DESSY w Hamburgu, tzn. będą wyłaniane
w trybie konkursów ogłaszanych za pomocą systemu aplikacyjnego DOOR. Zasady takie są
powszechnie stosowane w przypadku projektów realizowanych na infrastrukturach badawczych w
zakresie fizyki jądrowej oraz promieniowania synchrotronowego. Podobne zasady wprowadzono w
przypadku laserowych infrastruktur badawczych realizujących projekt Laserlab Europe.
Proporcje udziału polskich zespołów badawczych będą zależały w decydującym stopniu od
wartości naukowej zgłaszanych projektów, jednakże będzie on także zależał od stopnia udziału
Polski w budowie infrastruktury i jej współfinansowaniu. Dotychczasowe doświadczenia polskich
zespołów uczestniczących w tego typu projektach badawczych, np. na laserach na swobodnych
elektronach FLASH w Hamburgu, SLAC w Stanford, SACLA w Harima oraz z użyciem systemów
laserowych dostępnych w ramach projektu Laserlab Europe, wskazują na bardzo duży potencjał i
możliwości udziału polskich naukowców w projektach realizowanych na dużych infrastrukturach
badawczych.
Projekt Helmholtz Beamline będzie wykorzystany do celów akademickich w zakresie
popularyzacji tematyki badawczej związanej z techniką laserową wśród studentów i doktorantów
oraz szkolenia kadr naukowych i technicznych w tym obszarze. Będzie to jeden z podstawowych
celów działalności krajowego konsorcjum. Szczególna uwaga będzie zwrócona na działania
promocyjne na terenie zachodniej Polski, gdzie ta tematyka badawcza nie jest uprawiana.
6: Koszty budowy IB oraz oczekiwane źródła finansowania (np. środki z budżetu Nauka,
fundusze strukturalne UE, itp.), przewidywany okres budowy, proponowana lokalizacja,
szacunkowe koszty operacyjne IB:
Koszty całkowite infrastruktury Helmholtz Beamline zostały oszacowane na 45,3 mln Euro. Koszty
te obejmują koszty budowy nowego budynku, w którym umieszczone będą systemy laserowe oraz
generator pola magnetycznego. Ze względu na brak miejsca w budowanym obecnie budynku linii
eksperymentalnej SASE 2 przy laserze European XFEL, konieczne jest zbudowanie nowego
budynku, który połączony będzie z budynkiem linii SASE 2 tunelem. Nowy budynek będzie
umieszczony w ziemi na głębokości 5 m. Planowany koszt budowy budynku wynosi 5,21 mln Euro.
Koszty budowy systemów laserowych zostały oszacowane w wysokości 11 mln Euro w przypadku
lasera PW oraz 13 mln Euro w przypadku lasera kJ, w tym 3 mln Euro dla lasera 100J. 1,5 mln
3
Euro zaplanowano na koszty uruchomienia i utrzymania w ruchu systemów laserowych. Koszty
wykonania eksperymentalnych komór próżniowych do prowadzenia badań zaplanowano w
wysokości 4,3 mln Euro, natomiast koszty budowy układów magnesów impulsowych na 2,7 mln
Euro. Koszty personelu zaangażowanego w konstrukcję i budowę infrastruktury oszacowano na 5
mln Euro. Dodatkowo zaplanowano kwotę w wysokości około 12,5 mln Euro, jako zabezpieczenie
(contingency) ewentualnych zmian w kosztach budowy budynku laboratorium oraz systemu lasera
kJ. Termin realizacji projektu: 2013 - 2018.
Projekt będzie finansowany przez Stowarzyszenie Helmholtza z udziałem partnerów spoza
Niemiec. Ponieważ projekt ma bardzo duże znaczenie dla Polski oraz spodziewane jest mniejsze
zaangażowanie w tym projekcie Francji, Czech, Węgier i Rumunii realizujących projekt ELI, rola
Polski w projekcie Helmholtz Beamline może być znacząca. Z tego względu proponujemy udział
Polski w wysokości 10 % kosztów całkowitych pokrytych ze środków na naukę.
7: Wizja przyszłej konsolidacji / współpracy IB z innymi ośrodkami badawczymi lub
projektami o skali krajowej lub międzynarodowej:
Planowana infrastruktura Helmholtz Beamline jest powiązana z infrastrukturami laserowymi z
mapy drogowej ESFRI. Dotyczy to w szczególności rentgenowskiego lasera na swobodnych
elektronach European XFEL w Hamburgu, której częścią składową będzie proponowana
infrastruktura. Infrastruktura Helmholtz Beamline będzie współpracować z infrastrukturą ELI, na
którą składają się trzy największe jak dotąd na świecie systemy impulsowych laserów wielkiej
mocy. W odróżnieniu od infrastruktury ELI, która jest dedykowana do badań w zakresie
oddziaływania przy bardzo dużej intensywności i ultrakrótkich impulsach promieniowania,
infrastruktura Helmholtz Beamline będzie przeznaczona głównie do badań oddziaływania
promieniowania z materią w zakresie dużych gęstości energii. Infrastruktura Helmholtz Beamline
będzie współpracować także z istniejącymi obecnie infrastrukturami laserowymi w Europie, które są
zgrupowane w konsorcjum Laserlab Europe. Rozważana jest konsolidacja infrastruktury
Helmholtz Beamline z infrastrukturą ELI w ramach europejskiego konsorcjum ERIC.
Poza infrastrukturami laserowymi, infrastruktura Helmholtz Beamline będzie współpracować z
innymi wielkimi infrastrukturami realizowanymi w Europie w innych obszarach nauki, np. projektem
FAIR w Darmstadt, gdzie planowana jest także budowa dużego systemu laserowego
przeznaczonego do badań ekstremalnych stanów materii wytwarzanych za pomocą nowego
akceleratora FAIR. Przykładem tej współpracy jest wspólne sympozjum zorganizowane w kwietniu
ub.r. w Darmstadt, w którym uczestniczyło ponad 100 uczestników.
8: Dodatkowe informacje:
Planowana infrastruktura badawcza Helmholtz Beamline w Hamburgu jest wyjątkowym
przedsięwzięciem w zakresie dużych infrastruktur badawczych w skali światowej. Połączenie
rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach European XFEL z systemami impulsowych
laserów wielkiej mocy i energii stworzy możliwości badawcze, które nie istnieją w żadnym innym
ośrodku na świecie. Szczegółowe informacje dotyczące programu naukowego planowanych badań
z zastosowaniem nowej infrastruktury oraz zagadnień technicznych dotyczących jej budowy, są
dostępne na stronie internetowej zespołu badawczego IOE uczestniczącego w projekcie
(http://www.ztl.wat.edu.pl/zoplzm/).
Projekt nowej infrastruktury Helmholtz Beamline będzie miał bardzo duże znaczenie dla Polski.
Poza znaczeniem dla polskiej nauki i rozwoju kadry naukowo-technicznej w Polsce, projekt będzie
miał duże znaczenie dla gospodarki. W Polsce działa obecnie kilka instytucji badawczych i
przedsiębiorstw produkcyjnych, które mogą wnieść swój udział w budowie projektu w formie „inkind“. Znane na świecie firmy przemysłowe, takie jak: PREVAC - producent aparatury próżniowej
oraz SOLARIS OPTICS - producent elementów optycznych do laserów wielkiej mocy, a także
zespoły badawcze z Politechniki Warszawskiej, Politechniki Wrocławskiej, Wojskowej Akademii
Technicznej, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Instytut Fizyki Jądrowej i inne, posiadające
kompetencje w zakresie układów sterowania systemów elektronicznych, urządzeń kriogenicznych,
systemów laserowych, akceleratorów cząstek naładowanych, tworzą potencjał naukowy i
techniczny, który pozwoli na ich aktywny udział w budowie nowej infrastruktury.
4
5