Мегасайенс: ученые готовят технологический прорыв

Ускорительный комплекс NICA нацелен на воссоздание особого состояния вещества, в котором пребывала Вселенная первые мгновения после Большого взрыва. Фото с сайта www.strana-rosatom.ru

Работа на научных установках класса «мегасайенс» – мечта ученых всего мира. Благодаря национальному проекту «Наука и университеты», реализуемому по решению Президента Российской Федерации, такие уникальные комплексы создаются и в России. С их помощью можно создавать новые материалы, понять структуру и механизмы работы веществ и управлять ими на уровне атомов.

«Для того чтобы понять, как именно атомы внутри простой или сложной молекулы участвуют в том или ином процессе, нам нужно в первую очередь увидеть структуру этой системы – органической или молекулярной. Для этого используются эксперименты на синхротронных установках, где кристаллы различных органических кристаллизированных веществ (это могут быть вирусы и их составляющие, белки или просто макромолекулы) просвечиваются рентгеновским излучением. Узнав их структуру, мы можем определить, как процесс синтеза влияет на них, как они участвуют в том или ином жизненном цикле клетки или всего организма, и придумать новые лекарственные вещества, например ингибиторы, усилители или блокаторы тех или иных процессов как в организме человека или животного, так и в примитивных организмах – вирусах или бактериях», – привел пример старший научный сотрудник Национального исследовательского центра (НИЦ) «Курчатовский институт» Ратибор Чумаков.

Сегодня в стране формируется сеть таких установок, которая должна обеспечить создание передовых технологий на основе синхротронных и нейтронных исследований: источник синхротронного излучения четвертого поколения с лазером на свободных электронах – СИЛА, синхротрон «КИСИ-Курчатов», прототип импульсного источника нейтронов «ОМЕГА», Российский источник фотонов (РИФ), Гатчинский реактор ПИК, Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ), коллайдер NICA, научно-образовательный медцентр «Комплекс ядерной медицины». Каждая из таких установок ориентирована на научные результаты, которые невозможно получить больше нигде в мире.

СКИФ

Одним из крупнейших за последние десятилетия российских проектов в области научно-исследовательской инфраструктуры считается Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ). Работа над ним ведется по национальному проекту «Наука и университеты» с целью развития современной отечественной сети источников синхротронного излучения нового поколения.

Строительство источника синхротронного излучения «Центр коллективного пользования СКИФ» стартовало в июле 2021 года. Проект позволит проводить исследования с яркими и интенсивными пучками рентгеновского излучения в различных областях науки, от химии до материаловедения.

СКИФ создается в наукограде Кольцово (Новосибирская область) как первое звено современной российской сети источников синхротронного излучения нового поколения. Масштабная стройка развернута на земельном участке площадью 30 га, периметр основного кольца ускорителя составляет 480 м.

Уникальный научный комплекс с рекордным на сегодняшний день эмиттансом в 75 пм-рад – самым ярким и интенсивным пучком рентгеновского излучения – станет флагманом передовых исследований в области химии, физики, биологии, геологии, материаловедения и медицины не только в России, но и в мире. Проект и архитектурный облик центра коллективного пользования СКИФ разработал Центральный проектно-технологический институт госкорпорации «Росатом».

При помощи этой установки можно будет изучать структуру различных органических и неорганических веществ, применяя полученные знания в материаловедении, фармакологии, генетике, биологии, геологии, геохимии, а также в квантовой химии.

NICA

По национальному проекту «Наука и университеты» на базе Объединенного института ядерных исследований в Дубне (Московская область) создан новый ускорительный комплекс NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility). Цель данного «мегасайенс»-проекта – изучение свойств плотной барионной материи. Пик создания установки класса «мегасайенс» пришелся на 2021 год: в июле в Дубне приступили к основному этапу сборки детекторов коллайдера NICА, а в сентябре провели тестовый пуск бустера.

Комплекс NICA нацелен на воссоздание и исследование материи в экстремальных условиях ее фазовых переходов. Такое состояние материи может быть достигнуто путем столкновения тяжелых ионов, обладающих не очень высокими по современным понятиям энергиями – гораздо меньшими, чем на Большом адронном коллайдере или на релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории.

Важнейшие фундаментальные проблемы в этой области включают поиск и изучение новых, не наблюдавшихся ранее форм сверхплотной барионной материи, понимание причин связанности кварков в нуклонах, поиск причин нарушения симметрии, объясняющих механизм формирования мира, состоящего только из вещества, при полном отсутствии антивещества в нашей части Вселенной. Запуск коллайдера NICA может помочь воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, в котором пребывала Вселенная первые мгновения после Большого взрыва. Комплекс NICA нацелен на воссоздание и исследование материи в экстремальных условиях ее фазовых переходов.

Комплекс NICA включает в себя коллайдер тяжелых ионов и поляризованных легких ядер на базе Дубненского сверхпроводящего ускорителя «Нуклотрон», который станет источником пучков для коллайдера. Это кольцевой ускоритель (циклотрон), способный разгонять и сталкивать пучки протонов и тяжелых ионов (вплоть до очень массивных ионов золота). Планируемая кинетическая энергия ионов достигнет 4,5 ГэВ/нуклон, протонов – 12,6 ГэВ.

Реактор ПИК

Еще одна установка – Гатчинский реактор ПИК в Ленинградской области. Этот исследовательский комплекс – один из самых мощных в мире высокопоточных источников нейтронов. Схема реактора признана наиболее эффективной и технологичной в мире. Это реактор водо-водяного типа: обычная, «легкая» вода в нем используется для отвода тепла, а «тяжелая» – оксид дейтерия – в качестве замедлителя и отражателя участвующих в ядерной реакции нейтронов. Пучки нейтронов, вылетающие из замедлителя, выводятся в специальные каналы, которые ведут к исследовательским станциям, на которых проводятся эксперименты.

ПИК был торжественно запущен 8 февраля 2021 года, в День российской науки. Реактор поможет совершать передовые научные исследования в важнейших областях – медицине, сельском хозяйстве, энергетике и т.д. Ученые смогут изучать ядерные реакции и поведение элементарных частиц: облучение нейтронами позволяет физикам, материаловедам, химикам, биологам, фармацевтам узнать внутреннюю структуру, состав и магнитные свойства вещества. Это, например, помогает медикам при разработке методик лечения и диагностики онкологических заболеваний. Создание и запуск установки такого уровня говорят о высочайшем технологическом уровне страны.

Проект РИФ

Проект РИФ (Российский источник фотонов) реализуется на острове Русском в Приморском крае. Синхротрон позволит углубить исследования в области физики, биологии, медицины, создания новых материалов.

Для научного комплекса возведут корпус площадью около 20 тыс. кв. м. Ученым станет доступна в том числе разработка антибактериальных и противовирусных препаратов нового поколения.

РИФ должен обеспечить развитие высокотехнологичных проектов и выход промышленности на глобальные рынки. Установка поможет в изучении структуры биологических систем, включая морские, а также их динамику на больших временных отрезках. Основными пользователями синхротрона станут ведущие вузы Дальнего Востока и иностранные ученые.

«Научно-технологическое развитие России – это один из приоритетов государственной политики, а именно усилия ученых и инженеров должны обеспечить прорыв в области высоких технологий. Инструментом достижения результатов, обеспечивающих мировое первенство России, должна стать сеть установок «мегасайенс», которая свяжет ведущие научные центры РФ и позволит достичь мультипликативного эффекта. Создание уникальной научной установки «Российский источник фотонов» на острове Русский выведет научно-технический потенциал Дальнего Востока на новый уровень», – отмечал ректор Дальневосточного федерального университета Борис Коробец. По его словам, ожидаются прорывные результаты в авиа- и вертолетостроении, судостроении, биомедицине и информационных технологиях.

СИЛА

СИЛА (синхротрон – лазер) – принципиально новый синхротронный источник. Он представляет собой комплекс, объединяющий синхротронный источник 4-го поколения на 6 ГэВ и рентгеновский лазер на свободных электронах (ЛСЭ). Уникальность установки заключается в комбинировании синхротрона и лазера. Комплекс будет построен в подмосковном Протвине.

«Вы разгоняете частицы до немыслимых энергий, практически до световой скорости, сталкиваете их и моделируете то, что произошло 14 млрд лет назад, – как образовались атомы, молекулы, потом кварки и т.д. Это фундаментальная физика, понимание существа материи», – пояснял президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук.

Ученые рассчитывают с помощью исследований на этой установке совершить прорыв в био- и нанотехнологиях, научном материаловедении. Установка будет агрегировать наилучшие достижения в области генерации электромагнитного синхротронного излучения. Создание такой машины в России определит лидерство нашей страны в области синхротронных исследований на несколько десятилетий вперед и обеспечит создание прорывных технологий, формирующих принципиально новый базис российской экономики, уверены разработчики проекта.