Kvantum- és tér-idő kutatás

Hannover Institut für Technologie - vázlat (© Jörg Stanzick)

3D-metszés laboratórium

3D-szelet Einstein-Emelő

Albert Borucki - Carpus+Partner

A jövőbe mutató HITec laborépület a Hannoveri Leibniz Egyetemen a legmagasabb szintű interdiszciplináris kutatásnak ad otthont. A turbulencia-mentes tisztatéri levegő, az abszolút hőmérséklet-stabilitás több emelet magasságban, valamint a megnövelt rezgésmentességi követelmények – általában egyidejűleg – komoly kihívásokat jelentettek az építészek, a tisztatéri tervezők és a műszaki épületberendezés szakemberei számára.

A Leibniz Egyetem Hannover kiválósági kutatócsoportjai, a QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) vezető szerepet töltenek be a kvantumtechnológia és az idő- és térkutatás területén. A kutatók például lézeres mérőeszközöket fejlesztenek, amelyek a magatomok törésnyi változásait is mérik, magas precizitású érzékelőkkel vizsgálják a Föld gravitációs mezejét, vagy lézeres mérésekkel ellenőrzik Einstein relativitáselméletét a Holdon.

Az Hannoveri helyszínen folyamatosan fejlesztik a kutatási feltételeket, és megerősítik a nemzetközi élvonalbeli színvonalat, jelenleg épül a modern Hannoveri Technológiai Intézet – röviden HITec. A meglévő egyetemi épületekhez, a Callinstraße/Appelstraße területén, közvetlenül szomszédságában lévő épület az innovatív kutatási infrastruktúrát szolgálja, amely – Európában elsőként – alapkutatást, alkalmazott kutatást és technológiai fejlesztést interdiszciplinárisan egy fedél alá von. Itt akár 120 kutató dolgozik majd a kvantumfizika, szilárdtestfizika, geodézia, lézerfejlesztés és űrtechnológia területein.

Az új, kétemeletes, részben alápincézett épületben kizárólag fizikai laboratóriumok találhatók, ahol optikai műszereket fejlesztenek, gyártanak és tesztelnek, valamint Európa és a világ egyik legkorszerűbb kutatóberendezései: például egy különösen specializált száloptikai rendszer három szinten az űrtechnológia számára, egy ún. atomfón, ahol az atomok pályáit pontosan mérik, és – a tudósok számára kiemelkedő – az Einstein-lift, egy szabadesés-szimulátor súlytalansági kísérletekhez. Ez a torony mellett, 40 méter magas toronyban helyezkedik el.

„A hannoveri kutatóknak partikula-mentes tisztatéri környezetre és a legmagasabb hőmérséklet-stabilitásra van szükségük fizikai berendezéseikhez és felépítményeikhez. Ehhez a szükséges TGA (Technikai épületberendezés) azonban a légkondicionáló vagy szivattyúk által okozott rezgések miatt befolyásolná a kísérleteket. Emellett a szabadfutószimulátor által keltett zavaró impulzusok is problémát jelentenek” – mondja Borucki Albert, a HITecért felelős építészeti és tervezőiroda, a Carpus+Partner projektvezetője, aki a megvalósítás kihívásait ismerteti.

Az olyan tudományos nagyberendezések, amelyeket részben a laborokban helyeznek el, szintén komoly feladatokat jelentettek a tervezők számára. Például a már említett, tizenkét méter magas optikai száloptikai rendszer, amelyet lézeraktív szálak gyártására használnak az űrben való alkalmazáshoz. Az apró részecskék bejutását mindenképpen el kell kerülni, mert azok rontanák a szálak optikai tulajdonságait, és használhatatlanná tennék azokat. „Ezért a berendezés egy, összesen három szintet átívelő, EN ISO14644-1 szerint osztály 7-es tisztatéri környezetben helyezkedik el” – magyarázza Borucki.

Nem könnyű feladat: a levegőt több szinten kell bevezetni a térbe, különben a hőmérséklet-ingadozások rontanák a száloptikák minőségét. „Magas áramlási sebességek azonban nem fordulhatnak elő, mert a szálak rezgésbe jöhetnek és károsodhatnak” – egészíti ki Weiskopf Bernd, a légkondicionálásért és hűtésért felelős Wolf + Weiskopf mérnöki iroda projektvezetője. „Annak érdekében, hogy elérjük a szükséges légmennyiséget, textil légkivezetéseken keresztül juttatjuk be a levegőt, amelyek körkörösen futnak a berendezés körül. A levegő mikroperforált textilcsöveken keresztül áramlik, és szűretlenül, egyenletesen áramlik ki az egész felületen.”

A laborokat a rezgésektől, például a légkondicionáló- és hűtőrendszerektől vagy kompresszoroktól, rezgéselnyelő módon helyezték el két helyen: a rendszerek, amelyek térben közel kell legyenek a kutatási alkalmazáshoz, a HITec központi technikai gerincén találhatók, amely végigfut az épület teljes hosszában, és könnyen elérhető minden laborból. Ezek a rendszerek rugós szilárdítókon állnak. A TGA központi berendezései viszont a rezgésektől teljesen elszigetelt technikai hátizsákban találhatók, ahol a teherliftek is helyet kapnak, amelyek a nehéz kutatóeszközök szállítására szolgálnak az épületen lévő mérőberendezésekhez. Így a laborokat a fel- és leszállás közben keletkező rezgések sem érintik.

Szintén az épület főtestétől elszigetelten helyezkedik el a 40 méter magas torony, amelyben a kvantumfizikai alapkutatásokat végző szabadesés-szimulátor, az Einstein-lift található. Más, eddig megszokott eszközökkel ellentétben, ahol a zuhanócsarnokot teljes egészében ki kell vákuumozni, ez a torony csak egy, három elektromágneses lineáris meghajtással gyorsított és fékező gondolát tartalmaz, amely függőlegesen mozog. Ez a meghajtási rendszer lehetővé teszi, hogy több másodperces súlytalansági kísérleteket, illetve olyanokat is végrehajtsanak, amelyek a Holdon vagy a Marson uralkodó gravitációs erőket szimulálják.

A gondola nem tisztatéri körülmények között működik, de a kísérletekhez szükség szerint védőgázzal töltik fel vagy vákuumba helyezik, hogy vákuumot hozzanak létre. Ez a szimulátor is különbözik a többi zuhanócsarnoktól, mert ezekben mindig az egész zuhanócsarnokot vákuumozni kell a légellenállás kiküszöbölése érdekében. Így akár napi 100 kísérlet is elvégezhető – ez a szám sokszorosa az eddigi lehetőségeknek.

A torony tervezése során két kihívás merült fel az építész és a mérnökök számára: egyrészt az épület teljes magasságán, közel negyven méteren keresztül állandó hőmérsékletet kell biztosítani, hogy a gondola rendkívül precíz vezetése ne deformálódjon. Ehhez több szinten levegőbevezető rendszerek is találhatók.

„De főként a gyorsítási és fékezési folyamatok impulzusokat generálnak, amelyek rezgésekként terjednének át a laborhelyiségekre” – mondja Borucki. „Ezért a torony és a hozzá tartozó ellenőrző- és kísérlet-előkészítő helyiség rezgéscsillapítással teljesen el van választva a többi épülettől” – teszi hozzá. A két helyiség, mint például a torony egyharmada, a földfelszín alatt található, és a HITec pincéjén keresztül lehet megközelíteni.

Ott, valamint a földszinti nem alápincézett részen találhatók a legmagasabb rezgéselnyelő képességű tisztatéri laborok. Ezek megfelelnek a VC-E szabványnak, azaz a megengedett rezgésszint mindössze 3,1 μm/s. Összehasonlításképpen: az emberi érzékelési küszöb kb. 100 μm/s. A hozzáférési csarnokokkal és légzuhanyokkal felszerelt helyiségek az ISO-5 és ISO-7 osztályoknak felelnek meg. Itt készülnek többek között a száloptikai rendszer alapanyagai. Emellett rendelkezésre áll egy kriobár, ahol alacsony hőmérsékletű kísérleteket végeznek. A levegőellátás laminar flow egységeken keresztül történik. A lézer- és optikai laborok kialakításában egyik legfontosabb szempont a természetes fény kizárása és a lézersugarak kijutásának megakadályozása. Ezért a Carpus+Partner építészei úgy helyezték el a laborokat az épületben, hogy azok körülfutó folyosóról további védelmet kapjanak. A hozzáférési csarnokokat csak ezen a körülfutó, az épületen kívülről is megközelíthető területről lehet megközelíteni. Ez a folyosó egyben pufferként is szolgál, fenntartva a helyiségek hőmérséklet-stabilitását.

A HITec megközelítése egy hídon keresztül történik, amely összeköti az új laborépületet a meglévő épülettel. Ott további kutatási, irodai és kommunikációs helyiségek kerülnek elhelyezésre. Az épületek közötti közvetlen kapcsolat, rövid utakkal, támogatja az interdiszciplináris tudományos csereket.

„Ezek a laborok, tesztkörnyezetek és a kutatóberendezések ebben a minőségben és összefoglalásban sem találhatók meg sem a német, sem a nemzetközi kutatóintézetekben” – mondja Prof. Dr. Ertmer, az Atomoptika és Kvantumszenzorok Osztály vezetője a Kvantumoptikai Intézetben, valamint a Német Kutatási Közösség (DFG) alelnöke. „Ezzel az új kutatóépülettel jelentősen előreléptünk abban, hogy nemcsak a Leibniz Egyetemet, hanem Hannover egész kutatási helyszínét is a kvantumfizika, optikai technológiák és geodézia területén nemzetközi élvonalbeli szintre emeljük” – teszi hozzá Prof. Dr.-Ing. Barke Erich, a Leibniz Egyetem elnöke.

Egyéb részt vevő szakági tervezők:
- EHS tanácsadó mérnökök az építőipar számára GmbH
- Wolf + Weiskopf Mérnöki Iroda GmbH
- IKL + Partner Mérnöki Társaság mbH
- Raible + Partner GmbH & Co. KG
- m+p consulting Nord GmbH / IKM Mérnöki Iroda / Möller + Partner PartG