Badania nad kwantami i czasoprzestrzeni�

Hannover Institut für Technologie - Szkic (© Jörg Stanzick)

Przekrój 3D Laboratorium

3D-Przcut Einstein-Elevator

Albert Borucki - Carpus+Partner

Przyszłościowy budynek laboratorium HITec przy Uniwersytecie Leibniza w Hanowerze oferuje przestrzeń do interdyscyplinarnych badań na najwyższym poziomie. Bez turbulencji czyste powietrze w pomieszczeniach, absolutna stabilność temperatury na kilku kondygnacjach oraz zwiększone wymagania dotyczące izolacji od drgań – zazwyczaj jednocześnie – stanowiły duże wyzwanie dla architektów, planistów czystych pomieszczeń oraz specjalistów od technicznego wyposażenia budynków.

Badacze i instytuty klastru doskonałości QUEST (Centrum Inżynierii Kwantowej i Badań nad Czasoprzestrzenią) przy Uniwersytecie Leibniza w Hanowerze są światowymi liderami w dziedzinie inżynierii kwantowej i badań nad czasoprzestrzenią. Naukowcy tutaj opracowują np. laserowe instrumenty pomiarowe, które rejestrują zmiany długości rzędu ułamka jądra atomowego, badają za pomocą wysoce precyzyjnych czujników pole grawitacyjne Ziemi lub sprawdzają teorię względności Einsteina na podstawie pomiarów laserowych do Księżyca.

Aby jeszcze bardziej poprawić warunki badawcze w lokalizacji w Hanowerze i umocnić międzynarodową czołową pozycję, powstaje obecnie nowoczesny Instytut Hanoweru dla Technologii – krótko HITec. Przylegający do istniejących budynków w obszarze uniwersyteckim Callinstraße/Appelstraße, stanowi on przyszłościową infrastrukturę badawczą, która – po raz pierwszy w Europie – łączy badania podstawowe, badania stosowane i rozwój technologii interdyscyplinarnie pod jednym dachem. Do 120 naukowców z dziedzin fizyki kwantowej, fizyki ciała stałego, geodezji, rozwoju laserów i technologii kosmicznych będzie tutaj wspólnie pracować.

W nowym, dwupiętrowym, częściowo podpiwniczonym budynku znajdują się wyłącznie laboratoria fizyczne, w których opracowuje się, produkuje i testuje optyczne instrumenty, a także niektóre z najbardziej wydajnych urządzeń badawczych w Europie i na świecie: na przykład wysoce specjalistyczna linia do ciągnięcia włókien do zastosowań kosmicznych na trzech poziomach, tzw. fontanna atomowa, w której precyzyjnie mierzy się trajektorie atomów, oraz – jako atrakcja dla naukowców – Einstein-Elevator, symulator swobodnego spadku do eksperymentów w warunkach mikro-grawitacji. Znajduje się on w wieży o wysokości 40 m, położonej obok budynku.

„Naukowcy z Hanoweru potrzebują do swoich skomplikowanych układów optycznych i konstrukcji środowiska czystego powietrza oraz najwyższej stabilności temperatury. Do tego niezbędna TGA (techniczne wyposażenie budynków) miałaby jednak, ze względu na drgania wywołane przez system wentylacji lub pompy, wpływ na eksperymenty. Do tego dochodzą impulsy zakłócające wywołane przez symulator swobodnego spadku”, opisuje Albert Borucki, kierownik projektu w architektonicznej i planistycznej firmie Carpus+Partner, odpowiedzialnej za HITec, i wyzwanie przy realizacji.

Również duże urządzenia badawcze, które muszą być częściowo umieszczone w laboratoriach, stanowiły trudne zadanie dla planistów. Na przykład wspomniana już dwunastometrowa linia do ciągnięcia specjalistycznych włókien optycznych. Służy ona do produkcji włókien aktywnych laserowo do zastosowań w kosmosie. Należy koniecznie unikać wprowadzenia cząstek, ponieważ mogłyby niekorzystnie wpływać na właściwości optyczne włókien i uczynić je nieużytecznymi. „Zatem urządzenie jest umieszczone w czystym pomieszczeniu klasy 7 zgodnie z EN ISO14644-1, obejmującym trzy kondygnacje”, wyjaśnia Borucki.

Niełatwe zadanie: powietrze musi być wprowadzane na kilku poziomach do pomieszczenia, ponieważ w przeciwnym razie wahania temperatury obniżyłyby jakość włókien światłowodowych. „Jednak nie mogą występować wysokie prędkości przepływu, ponieważ włókna zaczęłyby się wibrować i ulegały uszkodzeniu”, dodaje Bernd Weiskopf, kierownik projektu w inżynierskim biurze Wolf + Weiskopf, odpowiedzialnym za wentylację i chłodzenie. „Aby mimo to osiągnąć wymaganą ilość powietrza, powietrze jest dostarczane przez tekstylne nawiewniki, które układają się pierścieniowo wokół urządzenia. Powietrze przepływa przez mikroperforowane tekstylne rurki i wypływa bez przeciągów oraz równomiernie na całej powierzchni.”

W celu ochrony laboratoriów przed drganiami wywołanymi np. przez systemy wentylacji, chłodzenia lub sprężarki, zaprojektowano je jako izolowane od drgań w dwóch miejscach: dla systemów, które wymagają bliskości przestrzennej do danego zastosowania, HITec posiada centralny system techniczny, który rozciąga się na całą długość budynku i jest łatwo dostępny z każdego laboratorium. Systemy te są umieszczone na elastomerowych podporach. Centralne instalacje TGA znajdują się natomiast w tzw. technicznym „plecaku”, który jest całkowicie odizolowany od części laboratoryjnej pod względem drgań. W tym miejscu znajduje się również winda towarowa, potrzebna do transportu ciężkich instrumentów badawczych do urządzeń pomiarowych na dachu budynku. W ten sposób laboratoria są chronione także przed drganiami powstającymi podczas podnoszenia i opuszczania.

Również od głównego korpusu budynku odizolowana jest 40-metrowa wieża, w której znajduje się symulator swobodnego spadku do badań podstawowych w dziedzinie fizyki kwantowej – nazwany Einstein-Elevator. W przeciwieństwie do dotychczasowych standardowych wież spadkowych, na świecie istnie nie więcej niż dziesięć takich urządzeń, a w jej wnętrzu znajduje się gondola, którą można przyspieszać i hamować pionowo za pomocą trzech elektromagnetycznych napędów liniowych. Dzięki temu rozwiązaniu napędowemu można przeprowadzać nie tylko eksperymenty trwające kilka sekund w warunkach mikro-grawitacji, ale także takie, które obejmują przyciąganie, podobne do tego na Księżycu czy Marsie.

W gondoli nie panują warunki czystego pomieszczenia, jednak w razie potrzeby jest ona wypełniana lub odsysana gazem ochronnym, aby wytworzyć próżnię. Różni się to od innych wież spadkowych, w których zawsze konieczne jest odsysanie całej rury spadkowej, aby wyeliminować opór powietrza. Dzięki temu można przeprowadzić do 100 eksperymentów dziennie – wielokrotnie więcej niż zwykle.

Podczas planowania wieży dla Einstein-Elevator architekt i inżynierowie stanęli przed dwoma wyzwaniami: po pierwsze, na całej wysokości niemal czterdziestu metrów musi być zapewniona stała temperatura, aby precyzyjne prowadzenie gondoli nie uległo odchyleniu. Mogłoby to zablokować windę i uszkodzić napędy. Również tutaj znajdują się systemy doprowadzania powietrza na kilku poziomach.

„Ale przede wszystkim podczas przyspieszania i hamowania powstają impulsy, które przenoszą się jako drgania na pomieszczenia laboratoryjne”, wyjaśnia Borucki. „Dlatego wieża oraz jej kontrolny i przygotowawczy pokój do eksperymentów są całkowicie odizolowane od reszty budynku za pomocą separującej szczeliny. Te dwa pomieszczenia, podobnie jak około jedna trzecia wieży, znajdują się pod powierzchnią ziemi i można do nich wejść przez piwnicę HITec.”

W tym miejscu, a także w niepodpiwniczonej części parteru, znajdują się laboratoria czystych pomieszczeń o najwyższej izolacji od drgań. Spełniają one kryteria zgodnie z VC-E, czyli dopuszczalny poziom drgań wynosi tu tylko 3,1 μm/s. Dla porównania: próg odczuwalności dla człowieka to około 100 μm/s. Pomieszczenia wyposażone w śluzy i kabiny powietrzne odpowiadają klasom ISO 5 do 7. Tu m.in. produkowane są próbki do linii włókien aktywnych laserowo. Dostępne jest również laboratorium kriogeniczne do badań w niskich temperaturach. Powietrze jest dostarczane za pomocą jednostek laminar-flow. Kluczowym kryterium przy projektowaniu laboratoriów laserowych i optycznych jest unikanie światła dziennego oraz ochrona przed wyciekiem promieniowania laserowego do otoczenia. Dlatego architekci z Carpus+Partner tak rozmieszczili laboratoria w budynku, aby były dodatkowo odizolowane od zewnętrznego otoczenia przez otaczający korytarz. Ich śluzy mogą być otwierane tylko z tego, a nie z zewnętrznego obszaru dostępowego, który otacza laboratoria. Ten korytarz służy również jako bufor, zapewniając stabilność temperatury w pomieszczeniach.

Wejście do HITec odbywa się przez kładkę, która łączy nowy budynek laboratoryjny z istniejącym budynkiem. Tam znajdują się kolejne przestrzenie badawcze, biurowe i komunikacyjne. Bezpośrednie połączenie budynków na krótkich odcinkach sprzyja interdyscyplinarnej wymianie naukowców.

„Laboratoria, środowiska testowe oraz planowane duże urządzenia instytutu nie istnieją w takiej jakości i z takim skupieniem ani w niemieckich, ani w międzynarodowych instytucjach badawczych”, mówi prof. dr Ertmer, kierownik działu atomowej optyki i czujników kwantowych w Instytucie Optyki Kwantowej i wiceprezes Niemieckiej Fundacji Badań Naukowych (DFG). „Dzięki temu nowemu obiektowi badawczemu robimy wyraźny krok naprzód w naszym dążeniu do tego, aby nie tylko Uniwersytet Leibniza, ale także cały ośrodek badawczy w Hanowerze w dziedzinach fizyki kwantowej, technologii optycznych i geodezji osiągnął poziom światowy”, dodaje prof. dr inż. Erich Barke, prezes Uniwersytetu Leibniza.

Inni zaangażowani projektanci:
- Inżynierowie doradzający EHS GmbH
- Biuro inżynierskie Wolf + Weiskopf GmbH
- IKL + Partner Gesellschaft mbH
- Raible + Partner GmbH & Co. KG
- m+p consulting Nord GmbH / IKM Ing. Biuro / Möller + Partner PartG