Výzkum kvantové a časoprostorové struktury

Hannover Institut für Technologie - Náčrt (© Jörg Stanzick)

3D řezu laboratoř

3D řežba Einsteinova výtahu

Albert Borucki - Carpus+Partner

Průkopnická budova laboratoře HITec na Leibnizově univerzitě Hannover nabízí prostor pro interdisciplinární výzkum na nejvyšší úrovni. Bez turbulence čistý vzduch v čistých prostorách, absolutní stabilita teploty přes několik pater budovy a zvýšené požadavky na odolnost vůči vibracím – většinou současně – představovaly architektům, plánovačům čistých prostor i odborníkům na technické vybavení budov velké výzvy.

Výzkumníci a instituce z excelentního clusteru QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) na Leibnizově univerzitě Hannover jsou celosvětově přední v kvantovém inženýrství a výzkumu časoprostoru. Tady vědci například vyvíjejí laserové měřicí přístroje, které zaznamenávají změny délky v řádu zlomku jádra atomu, zkoumají pomocí vysoce přesných měřicích senzorů gravitační pole Země nebo ověřují Einsteinovu teorii relativity pomocí laserových měření k Měsíci.

Pro zlepšení výzkumných podmínek v Hannoveru a upevnění mezinárodní špičkové úrovně vzniká právě nyní vysoce moderní Hannover Institut für Technologie – zkráceně HITec. Navazuje na stávající budovy v univerzitním areálu Callinstraße/Appelstraße, představuje průkopnickou výzkumnou infrastrukturu, která – poprvé v Evropě – spojuje základní výzkum, aplikovaný výzkum a vývoj technologií pod jednou střechou. Až 120 vědců z oblastí kvantové fyziky, pevné látky, geodézie, vývoje laserů a kosmických technologií bude zde společně pracovat.

V novém dvoupatrovém, částečně podsklepeném objektu se nacházejí výhradně fyzikální laboratoře, ve kterých jsou vyvíjeny, vyráběny a testovány optické přístroje, stejně jako některé z nejvýkonnějších výzkumných zařízení v Evropě i na světě: například vysoce specializovaný fiberový extruzní systém pro vesmírné vybavení přes celkem tři patra, tzv. atomové fontány, v níž jsou přesně měřeny dráhy pohybu atomů, a – jako vrchol pro vědce – Einsteinův výtah, volně padající simulátor pro experimenty v mikrogravitaci. Tento je umístěn v 40 m vysoké věži vedle budovy.

„Hannoverský výzkumníci potřebují pro své složité optické zařízení a sestavy bezčásticové čisté prostředí a nejvyšší teplotní stabilitu. K tomu nutná TGA (technické vybavení budov), by však kvůli vibracím způsobeným ventilačními systémy nebo čerpadly ovlivnila pokusy. Přidávají se rušivé impulzy od volného pádu,“ popisuje Albert Borucki, vedoucí projektu architektonické a plánovací kanceláře Carpus+Partner, která je zodpovědná za HITec, a uvádí výzvu při realizaci.

Také vědecká velká zařízení, která musí být částečně umístěna v laboratořích, představovala pro plánovače složité úkoly. Například již zmíněný dvanáctimetrový tahový systém pro optické speciální vlákna. Používá se k výrobě laserově aktivních vláken pro použití ve vesmíru. Je nezbytné zabránit vniknutí částic, protože by to negativně ovlivnilo optické vlastnosti vláken a činilo je nepoužitelnými. „Proto je zařízení umístěno v čisté místnosti třídy 7 podle EN ISO14644-1, která zabraňuje kontaminaci,“ říká Borucki.

Není to jednoduchý úkol: vzduch musí být zaváděn do prostoru na několika úrovních, jinak by teplotní výkyvy snížily kvalitu dutých vláken. „Vysoké rychlosti proudění však nesmějí nastat. Vlákna by se začala kývat a poškodila by se,“ doplňuje Bernd Weiskopf, vedoucí projektu z inženýrského ústavu Wolf + Weiskopf, odpovědného za větrání a chlazení. „Abychom přesto dosáhli požadovaného množství vzduchu, je vzduch přiváděn přes textilní výstupy, které jsou uspořádány kruhově kolem zařízení. Vzduch prochází mikroperforovanými textilními hadicemi a vychází bez turbulence a rovnoměrně po celé ploše.“

Pro ochranu laboratoří před vibracemi, které například způsobují ventilační a chladicí systémy nebo kompresory, je umístili do dvou míst s izolací od vibrací: Pro systémy, které vyžadují prostorovou blízkost k dané aplikaci, má HITec centrální technický koridor, který se táhne po celé délce budovy a je snadno přístupný z každé laboratoře. V něm jsou systémy umístěny na elastomerových ložiskách. Centrální zařízení TGA jsou naopak umístěna v tzv. technickém batohu, který je úplně oddělen od laboratoří z hlediska vibrací. Nachází se zde také výtah pro přepravu těžkých výzkumných přístrojů na měřicí zařízení na střeše budovy. Laboratoře tak zůstávají chráněny před vibracemi vznikajícími při jejich zvedání a spouštění.

Také od hlavního konstrukčního tělesa je oddělená 40 m vysoká věž, v níž je umístěn volně padající simulátor pro základní výzkum v oblasti kvantové fyziky – nazývaný Einsteinův výtah. Na rozdíl od dosud běžných volně padajících věží, jichž na světě existuje nejvýše deset, je uvnitř věže gondola, která je pomocí tří elektromagnetických lineárních pohonů vertikálně zrychlována a brzděna. Díky tomuto pohonu lze provádět nejen několikasekundové experimenty v mikrogravitaci, ale i ty s gravitačními silami, jaké panují například na Měsíci nebo Marsu.

V gondole nejsou podmínky pro čisté prostředí, ale podle potřeby je buď naplněna ochranným plynem, nebo je evakuována, aby vzniklo vakuum. I tento simulátor se od jiných liší tím, že u nich je nutné evakuovat celou volně padající trubku, aby se eliminoval odpor vzduchu. Tak je možné provést až 100 experimentů denně – což je mnohonásobně více než obvykle možné.

Při plánování věže pro Einsteinův výtah vznikly pro architekty a inženýry dvě výzvy: Nejprve musí být po celé výšce téměř čtyřiceti metrů zajištěna stálá teplota, aby se nezdeformovala vysoce přesná vedení gondoly. Jinak by mohla zablokovat výtah a poškodit pohony. I zde jsou umístěny vzduchové přívody na několika úrovních.

„Ale především vznikají při zrychlovacích a zpomalovacích procesech impulzy, které by se jako vibrace přenášely do výzkumných prostor,“ říká Borucki. „Proto je věž i její kontrolní a experimentální místnost vibračně odděleny od zbytku budovy pomocí oddělovací spáry.“ Obě místnosti jsou, podobně jako asi třetina věže, pod úrovní terénu a lze je vstoupit přes sklep HITec.

Také od hlavního tělesa je oddělená 40 m vysoká věž, v níž je umístěn volně padající simulátor pro základní výzkum v oblasti kvantové fyziky – nazývaný Einsteinův výtah. Na rozdíl od dosud běžných volně padajících věží, jichž na světě existuje nejvýše deset, je uvnitř věže gondola, která je pomocí tří elektromagnetických lineárních pohonů vertikálně zrychlována a brzděna. Díky tomuto pohonu lze provádět nejen několikasekundové experimenty v mikrogravitaci, ale i ty s gravitačními silami, jaké panují například na Měsíci nebo Marsu.

V gondole nejsou podmínky pro čisté prostředí, ale podle potřeby je buď naplněna ochranným plynem, nebo je evakuována, aby vzniklo vakuum. I tento simulátor se od jiných liší tím, že u nich je nutné evakuovat celou volně padající trubku, aby se eliminoval odpor vzduchu. Tak je možné provést až 100 experimentů denně – což je mnohonásobně více než obvykle možné.

Při plánování věže pro Einsteinův výtah vznikly pro architekty a inženýry dvě výzvy: Nejprve musí být po celé výšce téměř čtyřiceti metrů zajištěna stálá teplota, aby se nezdeformovala vysoce přesná vedení gondoly. Jinak by mohla zablokovat výtah a poškodit pohony. I zde jsou umístěny vzduchové přívody na několika úrovních.

„Ale především vznikají při zrychlovacích a zpomalovacích procesech impulzy, které by se jako vibrace přenášely do výzkumných prostor,“ říká Borucki. „Proto je věž i její kontrolní a experimentální místnost vibračně odděleny od zbytku budovy pomocí oddělovací spáry.“ Obě místnosti jsou, podobně jako asi třetina věže, pod úrovní terénu a lze je vstoupit přes sklep HITec.