Här byggs världens skarpaste öga

Ögonen tåras, det går knappt att lyfta blicken i den hårda vinden. Men från utsiktsplattformen högst upp i byggbaracken går det att beskåda ett av Europas största forskningsinfrastrukturprojekt: European spallation source, ESS. Historien om hur ESS landade just i Lund är lång och invecklad; aldrig tidigare har Sverige fått bygga en så stor forskningsanläggning. Men trots att ESS som bäst håller på att förankras i den skånska myllan, går åsikterna isär om huruvida detta är rätt eller fel satsning.

– För att få ner pålarna i leran krävs en maskin särskilt importerad från Storbritannien. Den färdiga anläggningen ska ligga stadigt, både den 602 meter långa acceleratorn och den 6 000 ton tunga monoliten, där neutronerna utvinns inne i en 30 meter hög byggnad, säger Julia Öberg.

Hon är pressansvarig för ESS och har full koll på siffrorna. Hela byggytan är ungefär som sju fotbollsplaner. Av ESS-byggets totala längd på 650 meter kommer 537 att ligga under jord. Första spadtaget togs i juni 2014, och nu har ESS 353 anställda från 46 länder.

Det råder inget tvivel om att det pågår något stort här.

ESS är ett instrument för att studera hur olika material är uppbyggda och hur de fungerar. Anläggningen ska vara till nytta för alla som behöver se in i materialen för att förstå dem och göra dem bättre. ESS ska alltså tjäna många olika syften och användare, och intresse för materialens funktion återfinns inom fysik, materialforskning, kemi, livsvetenskaper, medicin, läkemedelsutveckling, miljö- och energiforskning med flera.

För att tränga in i materialen används neutroner, elementarpartiklar som är vanliga beståndsdelar i atomkärnan. I ESS frigörs de från grundämnet volfram. Det behövs mycket energi för att få loss neutronerna från den starka kraft som håller dem kvar inne i atomkärnan. Volframmålet bombarderas därför av protoner, vätets atomkärnor, som får en fart nästan lika stor som ljusets hastighet i den drygt 600 meter långa tunneln, den linjära acceleratorn. När protonerna träffar målet spjälkas neutronerna från volframs atomkärnor. Processen kallas även för spallation, vilket har gett namn åt anläggningen.

Neutronerna far i väg i skurar som leds åt olika håll mot ett antal experimentstationer. Där blir de verktyg för att utforska prover av olika material, eftersom neutroner kan tränga in i materialen utan att förstöra dem. Själva påverkas neutronerna på olika sätt, och forskarna kan studera hur de uppträder när de studsar mot atomer i provet och därifrån dra slutsatser om strukturen och dynamiken inuti materialet.

– Ju fler detaljer som ska studeras, desto fler neutroner behövs. Vår neutronstråle har högst intensitet i världen. Beroende på våglängden kommer strålen i ESS att vara 50–100 gånger intensivare än i andra neutronkällor. Dessutom har vi långa pulser på ungefär tre millisekunder, vilket innebär att vi kan forma strålen för att passa olika experiment, säger Dimitri Argyriou, tills nyligen forskningsdirektör, science director, på ESS, nu driftplaneringschef, head of ESS operations planning. Han är full av tillförsikt – ESS kommer att överträffa alla andra neutronspridningsanläggningar i världen med hästlängder. Ett av skälen till detta är den kraftfulla protonstrålen på 5 megawatt, fem gånger mer än den i dag mest intensiva neutronkällan i Tennessee, USA.

– I princip slår vi med en jättehammare mot volframmålet för att få ut fler neutroner, säger Dimitri Argyriou. Dessutom har vi ett mycket innovativt sätt att bromsa neutronerna till våglängder och energier som är användbara i experimenten.

Den avgörande teknologiska insikten var att forma neutronstrålen så nära neutronkällan som möjligt. Därifrån leds sedan neutronerna ut till experimentstationerna.

– Det finns skäl till att detta inte har gjorts tidigare, och vår lösning är verkligen tekniskt unik. Det är också där vi har vårt största risktagande.

Neutroner är svåra att styra; vanliga sätt att rikta strålning med speglar och linser rår inte på dem. Här krävs något annat för att få neutronerna på rätt köl. I princip gäller det att alstra så många neutroner det bara går, och sedan skärma av en lämplig stråle som leds vidare mot en experimentstation.

– Varje ny neutronanläggning är en prototyp, och det är en enorm utmaning att bygga den. Vi ligger verkligen i forskningsfronten. Flera tusen experter från hela världen är inblandade. Det är fantastiskt att se hur alla gör sitt bästa för att vi ska lyckas, och för att forskningen med neutroner ska ta ett stort kliv framåt. Ingen enskild organisation skulle kunna skapa vad vi tillsammans har åstadkommit, säger Dimitri Argyriou.

ESS är ett extremt komplext bygge, och anläggningen bär på en om möjligt ännu mer komplex och stormig historia, som i högre grad handlar om politik och ekonomi än om forskning. Den började för över tjugo år sedan, och inte förrän 2019 kommer den första neutronen ut. Helt färdigbyggt är ESS 2025.

– Hade jag vetat att det skulle ta så lång tid så hade jag nog inte varit lika entusiastisk, säger Börje Johansson, professor i fysik vid både Kungliga tekniska högskolan i Stockholm och Uppsala universitet, och en av de tidigaste förespråkarna för att få neutronkällan till Sverige. 

Det var långt ifrån säkert att den skulle hamna just här och just i Lund. Forskning med neutroner började utvecklas efter andra världskriget då kärnkraftreaktorer kunde användas också för att producera neutroner. Även om Europa stod starkt inom neutronforskningen, var det bara en liten andel svenska forskare som använde anläggningar utomlands, främst i Frankrike, Storbritannien och Västtyskland. Den svenska experimentreaktorn i Studsvik var en liten neutronkälla som kunde utnyttjas inom landet. Den stängdes 2005, liksom många reaktorer i andra länder.

Men redan under 1990-talet utarbetade europeiska neutronforskare det koncept som ESS bygger på, och som i stället för kärnkraft använder en protonaccelerator för att rycka loss neutroner från tungmetaller. År 1999 uppmanade OECD Europa, Japan och USA att satsa på var sin neutronkälla av den nya modellen. Det blev startskottet för byggena av den amerikanska Spallation neutron source, SNS, som stod färdigbyggd 2006 i Oak Ridge, Tennessee, och neutronkällan vid japanska J-parc i Tokaimura som kom i gång 2008.

Annat var det i Europa – dragkampen mellan Tyskland och Storbritannien slutade 2002 med att båda bestämde sig för att prioritera andra projekt. ESS var för dyrt.

Under hela 2000-talet pågick en kampanj för att få ESS till Sverige. De flesta svenska akademiska institutioner (universitet, högskolor och alla offentliga organisationer som utför eller finansierar forskning) ställde sig dock försiktigt kritiska – och ett fåtal var öppet negativa – när den enda utredningen om ett svenskt värdskap för ESS presenterades 2005. Det största bekymret var finansieringen som hotade att äta upp alltför stora delar av den svenska forskningsbudgeten. Flera universitet och även Kungliga Vetenskapsakademien uttryckte krav på att pengarna i stället skulle komma från annat håll.

Oron för att ESS kommer att belasta Vetenskapsrådets och de andra forskningsrådens budgetar uttrycks än i dag av flera forskare, som dock önskar förbli anonyma. De menar att forskningsråden redan är mycket ansträngda, vilket drabbar många unga forskare. Om ESS ska vara politiskt motiverat, med särskilda tillväxtfördelar för Lund och Skåneregionen, så ska samhället även ta de ekonomiska smällarna. Även industriintressen väger tungt för att motivera ESS-bygget, där det bland annat ska läggas en grund för utveckling av nya material, läkemedel, batterier, bilmotorer, vindkraftverk och annat. Därför bör anläggningen delfinansieras av näringslivet, menar man. Det hade också föreslagits i utredningen, men förslaget försvann på vägen.

Den 29 maj 2009 kom ett beslut från representanter från ett antal europeiska länder att förlägga ESS till Lund.

– Men vad som verkligen sades då och vilka löften som gavs, är fortfarande höljt i dunkel, säger Olof Hallonsten, forskare vid Lunds universitet, som studerat ESS tillblivelse i detalj. Att beslutet fattades då är bara en av flera myter som omgärdar ESS, för faktum är att ännu fyra år senare, i början av 2013, hade ESS bara två aktieägare – Sverige och Danmark. Vilka åtaganden de andra länderna stod för är oklart. I själva verket väldigt lite, kan man förmoda.

Det är inte så märkligt heller, menar Olof Hallonsten. Varken den europeiska eller den svenska forskningspolitiken är rustad för att hantera ett så stort projekt som ESS. Ad hoc-förhandlingar, kohandel, överenskommelser som inte hålls, finansiärer som tillkommer eller hoppar av och en stor dos politik är, alltsedan Cern skapades 1954, typiska kännetecken för alla europeiska big science-projekt: neutronkällan ILL (Institut Laue-Langevin), synkrotronljuskällan ESRF (European synchrotron radiation facility), och frielektronlasern XFEL.

Så efter majmötet 2009 följde ytterligare fem år av febrilt arbete och resor kors och tvärs över Europa för att säkra finansieringen av ESS. Den 4 juli 2014 kunde chefsförhandlaren och förre högskole- och forskningsministern Lars Leijonborg knyta ihop säcken. Av byggkostnaden på nästan 1,84 miljarder euro (i 2013 års priser) står Sverige för 35 procent, Danmark för 12,5 och Tyskland för 11 procent. Ytterligare tio länder förbinder sig att bidra med max 10 procent av kostnaden vardera.

In i sista stund pågick förhandlingarna. Ännu i maj 2014 var de tunga aktörerna, Frankrike och Tyskland, tveksamma till att skriva under trots utlovade svenska motköp för 700 miljoner kronor. Inte minst motköpen har fått hård kritik, bland annat från Astrid Söderbergh Widding, rektor, och Anders Karlhede, vice rektor, vid Stockholms universitet. Ett exempel på motköp är Sveriges återinträde i det europeiska bärraketprogrammet, Arianeprojektet, efter påtryckningar från fransmännen.

– Det är riktigt att kostnaden för ESS i själva verket är mycket högre än vad siffrorna berättar, därför att det ingår en massa motköp, säger Olof Hallonsten. Men det är svårt att reda ut och beror på hur man ser på vad som är rent motköp och vad som är vetenskapligt gynnsamt för Sverige – och då kanske utvecklingen av Arianeraketer hör dit, kanske inte. Här vore det högst relevant att i beslutsprocessen ha med forskningsråden och forskare som kan utvärdera de olika projekten, som man exempelvis gjort med MAX IV och med Sveriges medlemskap i internationella organisationer.

Så har det ju inte gått till, och det är ingen hemlighet att många svenska forskare känner sig överkörda och besvikna över hur besluten om ESS har tagits.

– Resursdränage och strategisk prioritering är två sidor av samma mynt, säger Olof Hallonsten. Det är inget som kan göras kollegialt, det är ett politiskt val. Men det finns många sätt att välja hur och vad man ska satsa på.

Så man kan man fråga sig: Går ESS alls att få ihop med svensk forskning? Är Lund den bästa platsen för ESS?

– Det är en annan myt om ESS, som är värd att fundera över, att det skulle vara en sådan perfect match, säger Olof Hallonsten. Ibland ställs ESS-projektet mot synkrotronljusanläggningen Max IV som också håller på att byggas i Lund. Max IV har dock starkt stöd hos svenska forskare – anläggningen bygger på en minst hundraårig svensk forskningstradition inom spektroskopi. Den uttalade kritiken att ESS kommer att dränera den svenska forskningsbudgeten visar däremot att neutronforskning inte ligger i topp på de svenska forskarnas prioriteringslista.

– Motståndet från forskarna har om möjligt varit större än från politikerna, säger Börje Johansson, eldsjälen bakom ESS, som varit med från början.

Helt säkert är att ESS kommer att få långtgående konsekvenser för svensk forskning. Faran är att forskningen kommer att snedvridas, anser några av forskarna, som väljer att förbli anonyma. Vi är inte så bra på att forska med neutroner i Sverige, så det är klart att svenska forskare måste utbildas för att kunna dra nytta av de möjligheter ESS erbjuder.

– Risken är att jämfört med andra länder så får vi oproportionerligt många fler forskare inom neutronbranschen, säger en anonym forskare.

Är det bra eller dåligt?

– Tittar man på vetenskapliga publikationer så är ju neutronforskningen inget hett område. Det är inte dit forskningen är på väg, även om det förstås är svårt att veta. Å andra sidan är ju ESS inte alls motiverat av stora forskningsbehov; det är ett politiskt projekt, säger en anonym forskare.

Olof Hallonsten håller med om att ingen vet vart forskningen är på väg.

– ESS är det största som någonsin har gjorts i Sverige. För att det alls skulle kunna bli av i ett litet land så krävdes det en politisk vilja, något utöver de vanliga strukturerna för beslutsfattande och resursallokering inom forskningssystemet, något extraordinärt. Ett sådant tydligt politiskt agerande på forskningens område kommer alltid att förefalla som skumt och politiserat, därför att man bryter ny mark och går utanför eller ovanför det sedvanliga forskarinflytandet.

Satsar man stort, är det klart att man ska sikta mot stjärnorna. Förväntningarna är mycket högt ställda: ESS ska bli världsbäst.

– Fast man kan inte veta hur kvaliteten i en forskningssatsning blir förrän efteråt, så det här är också en välbehövlig myt. Eller snarare ambition. Designen är faktiskt i absoluta framkanten. Men det finns mycket som kan kantra på vägen, och massor av saker ska stämma för att det verkligen ska kunna produceras forskningsresultat på ESS som kan kallas ”världsbäst”, säger Olof Hallonsten.

Det handlar om ett kolossalt samarbetsprojekt. Flera tusen forskare ska under de kommande tio åren hålla sams, följa överenskommelser och leverera i tid.

– Det är sällsynt att det går att hålla tids- och budgetramar, säger Olof Hallonsten. Det finns myriader av fallgropar, oundvikliga misstag och oförutsedda händelser. Det beror förstås på att svårigheter alltid dyker upp i projekt som är så komplexa, tekniskt avancerade och som involverar så många människor och processer som i det här fallet.

Amerikanen James Yeck har specialrekryterats för att leda bygget och föra projektet i hamn. Han har flera liknande uppdrag bakom sig, och är fullt medveten om det kolossala vågspel som han har gett sig in i.

– Enda sättet att göra det rätt är att vara öppen och transparent hela vägen, säger han. Det gäller också att ha rätt förväntningar. Värsta mardrömmen skulle vara om användarna kommer och maskinen inte fungerar som den ska, så att de vänder hem.

James Yeck har tidpunkterna klart för sig. Senast 2020 kommer den första strålen att träffa målet, 2023 ska anläggningen tas i bruk av externa forskare, för att 2025 vara i full drift.

– Vi tar beslut så att vi kan följa tidschemat. Kommer det in förslag som innebär att vi äventyrar tidsschemat, så tackar vi nej. Detsamma gäller budgeten, där vi har en viss marginal i utförandet, som kan justeras något om pengarna inte räcker.

Vad håller dig vaken om nätterna?

– Tyvärr finns det en hel del. Jag tror att jag satsar mycket energi på ledningsfrågor. Människor är oförutsägbara. Så det handlar mest om hur saker ska organiseras, inte om utförande. Den tekniska sidan är jag mer förtrogen med, den klarar vi säkert, säger James Yeck.

En av dem som väntar på det nya instrumentet är Sven Lidin, professor i oorganisk kemi vid Lunds universitet.

– Vi är inte bra på neutronforskning i Sverige. Så nu gäller det att utbilda sig och förbereda sig så att vi kan använda ESS på ett kreativt sätt. Det kommer att finnas unika möjligheter, men det är vanskligt att förutsäga exakt vad det leder till. De stora upptäckterna väntar vi fortfarande på. Men jag är övertygad om att vi kommer att veta ännu mera om allt vi inte vet.

Själv kommer Sven Lidin att undersöka olika magnetiska material, men även termoelektriska, som har väldigt komplexa strukturer men som är mycket lovande för energiproduktion.

– Termoelektricitet är nästan för bra för att vara sann. Om den ena änden i ett lämpligt material är kall och den andra varm så kan du generera elektrisk spänning. Du kan alltså skapa elström.

Det är en effekt som används för strömförsörjning i rymdsonder som ska långt ut. Men termoelektricitet kan också användas i omvänd riktning. Till exempel utnyttjar man numera material som termoelektriska kylare i bärbara datorer, i stället för att ha gammaldags fläktar.

– Sådana material är mycket komplexa. För att undersöka magnetiska material har neutroner helt unika egenskaper, säger Sven Lidin. Upptäckterna kan leda till nya lagringsmetoder för energi, bättre förståelse av supraledare, nya mediciner och effektivare vindkraftverk och bilar. Om vi använder ESS för att utveckla svensk forskning är det en fantastisk möjlighet. Annars blir det en vansinnig felsatsning.