HIBEF-Polska - Zakład Techniki Laserowej Instytutu Optoelektroniki

Projekt infrastruktury badawczej
HIBEF-Polska
Laserowe centrum badawcze
Helmholtz International Beamline for Extreme Fields - Polska
stowarzyszone z linią eksperymentalną HIBEF przy rentgenowskim
laserze na swobodnych elektronach European XFEL
Biuro Architektoniczne DEDECO Sp. z o. o.
Wojskowa Akademia Techniczna
Instytut Optoelektroniki
Warszawa 2013
Wprowadzenie
Projekt HIBEF-Polska złożyła Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie
w imieniu krajowego konsorcjum w konkursie ogłoszonym przez Ministerstwo Nauki i
Szkolnictwa Wyższego w dniu 15 stycznia 2013 r. na projekty inwestycyjne do
Polskiej Mapy Drogowej Infrastruktur Badawczych .
Konsorcjum „HIBEF-Polska” utworzą polskie podmioty zainteresowane udziałem w
budowie i eksploatacji infrastruktury badawczej Helmholtz International Beamline
for Extreme Fields at the European XFEL (HIBEF) przy europejskim
rentgenowskim laserze na swobodnych elektronach European XFEL w Hamburgu
oraz stowarzyszonej z nią infrastruktury badawczej HIBEF-Polska zlokalizowanej
w Polsce.
Prace przygotowawcze, mające na celu powołanie konsorcjum „HIBEF - Polska”,
koordynuje Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie, która należy do
międzynarodowego konsorcjum przygotowującego projekt infrastruktury HIBEF w
Hamburgu. Konsorcjum międzynarodowe składa się z ponad 80 zespołów
badawczych z 60 instytucji naukowych z 15 krajów. Koordynatorem
międzynarodowego konsorcjum jest centrum badawcze Helmholtz-Zentrum-DresdenRosendorf (HZDR) w Dreźnie.
Krajowe konsorcjum „HIBEF-Polska” będzie składało się z kilkunastu uczelni
wyższych, instytutów naukowo i przedsiębiorstw produkcyjnych, których
przedstawiciele zgłosili wstępnie zamiar przystąpienia do projektu. Formalnie
konsorcjum zostanie powołane po złożeniu projektu do konkursu.
1. Opis koncepcji własnościowej oraz struktury operacyjnej
planowanej infrastruktury
Proponowana infrastruktura badawcza HIBEF-Polska będzie międzynarodowym
centrum naukowym powiązanym merytorycznie i organizacyjnie z infrastrukturą
badawczą HIBEF w Hamburgu, której budowa jest planowana w latach 2013-2018.
Będzie to infrastruktura badawcza o strukturze skupionej, zlokalizowana w Polsce,
składająca się z dwóch systemów impulsowych laserów wielkiej mocy
przeznaczonych do badań w zakresie oddziaływania promieniowania laserowego z
materią.
Koncepcja budowy tego typu infrastruktury badawczej w Polsce powstała podczas
prac międzynarodowego konsorcjum przygotowującego projekt infrastruktury w
Hamburgu. Jako miejsce lokalizacji tej infrastruktury zaproponowano Wojskową
Akademię Techniczną w Warszawie. Propozycja spotkała się z pozytywną reakcją
władz Akademii, które zadeklarowały wszelką pomoc przy realizacji projektu, w tym
także udostępnienie terenu pod inwestycję.
Ze względu na brak w Polsce doświadczeń z tego typu dużymi infrastrukturami
badawczymi o charakterze międzynarodowym, określenie formy jej własności oraz
struktury organizacyjnej nie jest na dzisiaj możliwe. Przeprowadzone dotychczas
konsultacje wskazują, że nowa infrastruktura może przystąpić do międzynarodowej
spółki w ramach europejskiego konsorcjum ERIC, w skład, którego będzie także
wchodziła planowana infrastruktura HIBEF w Hamburgu oraz budowana obecnie
wielka europejska infrastruktura badawcza Extreme Large Infrastructure - ELI,
składająca się z infrastruktury ELI - Beamline w Czechach, infrastruktury ELI – Atto
na Węgrzech oraz infrastruktury ELI – NP w Rumunii.
2. Opis celów badawczych oraz programu badań
Z uwagi na merytoryczne połączenie planowanej nowej infrastruktury w Polsce z
infrastrukturą HIBEF w Niemczech, cele badawcze i program badań obydwu
infrastruktur będą zbliżone. Zasadniczym obszarem badawczym nowej infrastruktury
HIBEF-Polska będzie oddziaływanie promieniowania laserowego z materią przy
bardzo wysokich wartościach gęstości energii oraz intensywności promieniowania.
Na infrastrukturze w Polsce prowadzone będą badania poprzedzające oraz
uzupełniające badania prowadzone na infrastrukturze w Niemczech. Potrzeba takiej
dodatkowej infrastruktury stowarzyszonej wynika z faktu, że badania planowane na
infrastrukturze HIBEF w Hamburgu, z uwagi na bardzo wysokie koszty korzystania z
wiązki lasera rentgenowskiego XFEL, będą musiały być poprzedzone wstępnymi
badaniami wykonanymi za pomocą urządzeń o podobnych parametrach oraz w
zbliżonych warunkach pomiarowych. Uwagę na konieczność takiego postępowania
zwracano podczas spotkań roboczych przyszłych użytkowników infrastruktury
European XFEL.
Poza badaniami powiązanymi z pracami badawczymi planowanymi na infrastrukturze
w Hamburgu, na infrastrukturze HIBEF-Polska będą prowadzone także badania,
które będą powiązane merytorycznie z badaniami planowanymi na infrastrukturach
badawczych ELI. Dotyczy to w szczególności programu badań planowanych na
infrastrukturze ELI - Beamline w Pradze, które dotyczą wytwarzania laserem
wtórnego promieniowania elektromagnetycznego w krótkofalowym obszarze widma i
strumieni cząstek naładowanych (secondary sources) oraz programu badań na
infrastrukturze ELI - NP w Bukareszcie, które dotyczą zastosowania impulsowych
laserów wielkiej mocy z fizyce jądrowej.
3. Opis unikalnego charakteru projektu HIBEF-Polska
potencjalnego wkładu w rozwój badań naukowych
oraz
Infrastruktura HIBEF-Polska będzie unikalną infrastruktura badawczą w Europie i
jedną z nielicznych na świecie. Analogicznie do infrastruktury HIBEF w Hamburgu,
będzie się składać z dwóch systemów impulsowych laserów wielkiej mocy i energii:
femtosekundowego lasera o mocy w impulsie do 1 PW (10 15 W) oraz
nanosekundowego lasera o energii w impulsie do 1 kJ. Infrastruktura wyposażona
będzie w stanowiska eksperymentalne do prowadzenia badań oddziaływania
impulsów laserowych z materią. W odróżnieniu od infrastruktury badawczej w
Hamburgu oraz infrastruktury ELI, system femtosekundowego lasera będzie
wytwarzał impulsy o czasie trwania o rząd wielkości dłuższym, tzn. w zakresie 100200 fs. Wynika to z potrzeb badań w zakresie wytwarzania laserem wtórnego
promieniowania rentgenowskiego oraz wiązek elektronów.
Unikalny charakter nowej infrastruktury polega na połączeniu dwóch systemów
laserowych pozwalających na jednoczesne badania procesów oddziaływania
impulsów promieniowania laserowej bardzo dużej energii oraz wielkiej intensywności
z materią. Stworzy to możliwości badania materii w ekstremalnych warunkach
gęstości, ciśnienia i temperatury. Wyposażenie infrastruktury w system lasera
femtosekundowego pozwoli na prowadzenie badań mających na celu wytwarzanie
impulsów promieniowania rentgenowskiego, które będą stosowane w badaniach
oddziaływań w zakresie wysokich gęstości energii prowadzonych z użyciem lasera
nanosekundowego. Badania te będą komplementarne do badań prowadzonych na
infrastrukturze w Hamburgu oraz na infrastrukturze ELI - Beamline w Pradze.
Obecnie na świecie jedyną podobną infrastrukturą badawczą jest Texas Petawatt
Laser na Uniwersytecie w Austin, USA.
4. Opis potencjału badawczego konsorcjum HIBEF-Polska
Propozycja projektu infrastruktury badawczej HIBEF-Polska jest składana w imieniu
krajowego konsorcjum, które utworzy kilkanaście polskich podmiotów (uczelni
wyższych oraz instytutów naukowych i przedsiębiorstw produkcyjnych), których
przedstawiciele wyrazili zainteresowanie projektem i wyrazili zamiar przystąpienia do
konsorcjum. Dotychczas przeprowadzono wstępne rozmowy oraz przygotowano
umowy konsorcyjne. Orientacyjna liczba pracowników naukowych i technicznych
zatrudnionych w tych podmiotach, związanych z obszarem badawczym nowej
infrastruktury, jest szacowana na około 150-200 osób.
Prace przygotowawcze mające na celu utworzenie krajowego konsorcjum są
prowadzone przez zespół Wojskowej Akademii Technicznej. Są one skoordynowane
z działaniami międzynarodowego konsorcjum HIBEF, w którym bierze udział
Wojskowa Akademia Techniczna. Jednostką uczestniczącą w projekcie jest Instytut
Optoelektroniki (IOE), będący podstawową jednostką organizacyjną Akademii na
prawach wydziału. IOE jest największym w Polsce ośrodkiem naukowo-badawczym
w zakresie laserów. Jest w nim zatrudnionych około 180 osób, w tym 90 nauczycieli
akademickich. Roczny budżet Instytutu na badania wynosi około 40 mln zł.
Laboratoria Instytutu są wyposażone w unikalną w Polsce laserową aparaturę
naukową. Inwestycje aparaturowe w ostatnich 5 latach wyniosły ok. 80 mln zł. W IOE
jest realizowanych około 60-70 prac badawczych, badawczo-rozwojowych i
wdrożeniowych, z czego większość dotyczy techniki laserowej i jej zastosowania.
Kadra instytutu ma duże doświadczenie w realizacji projektów w ramach współpracy
z zagranicą oraz projektów wdrożeniowych wspólnie z przedsiębiorstwami
produkcyjnymi.
5. Opis koncepcji realizacji programu badań oraz zasady dostępu
do prowadzenia i wyników badań
Proponowana infrastruktura HIBEF-Polska będzie międzynarodowym ośrodkiem
badawczym powiązanym organizacyjnie i merytorycznie z infrastrukturą HIBEF przy
laserze European XFEL. Projekty badawcze realizowane z użyciem tej infrastruktury
będą prowadzone zgodnie z zasadami dostępu przyjętymi w ośrodku DESY w
Hamburgu, tzn. będą wyłaniane w trybie konkursów ogłaszanych za pomocą
systemu aplikacyjnego DOOR. Zasady takie są powszechnie stosowane w
przypadku projektów realizowanych na infrastrukturach badawczych w zakresie fizyki
jądrowej oraz promieniowania synchrotronowego. Podobne zasady obowiązują w
przypadku laserowych infrastruktur badawczych w projekcie Laserlab-Europe.
Ze względu na unikalny na świecie charakter proponowanej infrastruktury,
spodziewane jest duże zainteresowanie zespołów zagranicznych. Proporcje udziału
polskich zespołów badawczych będą zależały w decydującym stopniu od wartości
naukowej zgłaszanych projektów. Dotychczasowe doświadczenia polskich zespołów
uczestniczących w tego typu projektach badawczych, np. na laserach na
swobodnych elektronach FLASH w Hamburgu, Niemcy, SLAC w Stanford, USA
SACLA w Harima, Japonia oraz z użyciem systemów laserowych dostępnych w
ramach Laserlab Europe, wskazują na bardzo duży potencjał i możliwości udziału
polskich naukowców w projektach realizowanych na dużych infrastrukturach
badawczych.
Infrastruktura będzie wykorzystana do popularyzacji tematyki badawczej związanej z
techniką laserową wśród studentów i doktorantów oraz szkolenia kadr. Będzie to
ważnym obszarem działalności krajowego konsorcjum HIBEF-Polska.
6. Koszty budowy oraz oczekiwane źródła finansowania,
przewidywany
okres
budowy,
proponowana
lokalizacja,
szacunkowe koszty operacyjne planowanej infrastruktury
Koszty budowy infrastruktury HIBEF-Polska zostały oszacowane na podstawie
budżetu projektu budowy infrastruktury HIBEF w Hamburgu. W przypadku polskiego
projektu przyjęto zbliżone koszty budowy systemów laserowych, natomiast
dostosowano do polskich warunków koszty budowy budynków i koszty personelu
oraz zmniejszono wysokość kosztów zabezpieczenia ewentualnych zmian. Poza
budynkiem laboratoryjnym, mieszczącym systemy laserowe i stanowiska do badań,
zaplanowano dodatkowo budynek biurowy, który musi być oddzielony od budynku
laboratoryjnego. Jako miejsce lokalizacji nowej infrastruktury badawczej
zaproponowano Wojskową Akademię Techniczną w Warszawie. Orientacyjny plan
lokalizacji infrastruktury HIBEF-Polska na terenie Wojskowej Akademii Technicznej
przedstawiono na Rys. 1.
Budynek główny
WAT
HIBEF-Polska
Budynek główny
IOE
Rys. 1. Orientacyjny plan lokalizacji infrastruktury HIBEF-Polska na terenie
Wojskowej Akademii Technicznej
Oszacowane koszty całkowite projektu wynoszą 150 mln zł. Obejmują one koszty
budowy budynku laboratoryjnego w wysokości 20 mln zł i koszty budowy budynku
biurowego w wysokości 15 mln zł. Koszty budowy budynku biurowego oszacowano
przyjmując jego powierzchnie użytkową 3000m2 i jednostkowy koszt budowy
5000zł/m2. Koszty budowy systemów laserowych zostały oszacowane na 40 mln zł w
przypadku lasera PW oraz 30 mln zł w przypadku lasera kJ. Koszty uruchomienia i
utrzymania w ruchu systemów laserowych wyniosą 5 mln zł. Koszty wykonania
stanowisk eksperymentalnych do prowadzenia badań wyniosą 20 mln zł. Koszty
personelu zaangażowanego w konstrukcję i budowę infrastruktury oszacowano na
10 mln zł, zakładając zatrudnienie przeciętnie 20 osób przez 5 lat realizacji projektu.
Kwotę w wysokości 10 mln zł zaplanowano, jako zabezpieczenie w przypadku
nieoczekiwanych zmian. Oczekiwanym źródłem finansowania są fundusze
strukturalne UE. Okres budowy infrastruktury: 2013 - 2018. Szacunkowe koszty
operacyjne: około 2-3 mln zł rocznie. Na Rys. 2 przedstawiono schematyczny plan
funkcjonalny infrastruktury HIBEF-Polska, natomiast na Rys. 3 - jej wstępną
wizualizację.
Rys. 2 Schematyczny plan funkcjonalny infrastruktury HIBEF-Polska.
Biuro Architektoniczne DEDECO Sp. z o. o.
Rys. 3 Wstępna wizualizacja infrastruktury badawczej HIBEF-Polska.
7. Wizja przyszłej konsolidacji i współpracy infrastruktury HIBEFPolska z innymi ośrodkami badawczymi lub projektami o skali
krajowej lub międzynarodowej
Proponowana infrastruktura badawcza HIBEF-Polska będzie ściśle powiązana, poza
stowarzyszoną z nią infrastrukturą HIBEF przy europejskim laserze rentgenowskim
na swobodnych elektronach European XFEL, z innymi wielkim infrastrukturami z
europejskiej mapy drogowej ESFRI, które są obecnie w budowie. Dotyczy to głównie
projektu Extreme Light Infrastructure – ELI, na który składają się budowane
infrastruktury w Czechach, na Węgrzech i Rumunii. W odróżnieniu od infrastruktury
ELI, która jest dedykowana do badań w zakresie oddziaływania przy bardzo dużej
intensywności i ultrakrótkich impulsach promieniowania, infrastruktura HIBEF-Polska
będzie przeznaczona głównie do badań oddziaływania promieniowania z materią w
zakresie dużych gęstości energii. Przewidywana jest konsolidacja nowej
infrastruktury w Polsce z infrastrukturami ELI w ramach konsorcjum ERIC. Nowa
infrastruktura będzie ponadto współpracować z inną laserową infrastrukturą z mapy
drogowej ESFRI, jaką jest infrastruktura HiPER. Zespół zgłaszający ten projekt
prowadzi od wielu lat współpracę z zespołami realizującymi obydwa projekty.
Infrastruktura HIBEF-Polska będzie także ściśle współpracować z istniejącymi
obecnie infrastrukturami laserowymi w Europie, które są zgrupowane w konsorcjum
Laserlab Europe, którego członkiem od wielu lat jest zespół zgłaszający projekt.
Ponadto planowana jest współpraca infrastruktury HIBEF-Polska z budowanymi
obecnie oraz planowanymi infrastrukturami badawczymi w Polsce, takimi jak:
synchrotron SOLARIS oraz laser na swobodnych elektronach POLFEL. Nowa
infrastruktura laserowa będzie odgrywać bardzo ważną rolę w przygotowaniu kadr
naukowych na potrzeby tych infrastruktur.
8. Podsumowanie
Planowana
infrastruktura
badawcza
HIBEF-Polska
jest
wyjątkowym
przedsięwzięciem w Polsce. W wyniku jej realizacji powstanie unikalny w skali
światowej międzynarodowy ośrodek naukowy prowadzący badania w bardzo
nowoczesnym obszarze współczesnej nauki, jakim jest oddziaływanie impulsów
laserowych wielkiej mocy z materią. Nowa infrastruktura powstanie dzięki ścisłej
współpracy z centrum badawczym HZDR w Dreźnie, koordynującym prace
międzynarodowego konsorcjum naukowego HIBEF. Stwarza to unikalną szansę
pozyskania najnowocześniejszych technologii laserowych niedostępnych w Polsce.
Pomoc w realizacji projektu zadeklarował prof. R. Sauerbrey, dyrektor HZDR oraz
prof. T. Cowan, kierownik projektu, podczas wizyty w Polsce w tym roku.
Zespół zgłaszający projekt od wielu lat uczestniczy w różnych projektach
europejskich dotyczących tematyki badawczej proponowanej infrastruktury. Brał
udział w projekcie w ramach 7. Programu Ramowego przygotowującym infrastrukturę
badawczą ELI. Obecnie uczestniczy, także w ramach 7. PR, w realizacji projektu
Laserlab Europe, który jest europejską rozproszoną infrastrukturą laserową.
W ubiegłym roku zespół zorganizował w Warszawie międzynarodową konferencję
naukową 32nd European Conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM
2012), która jest jedną z najważniejszych konferencji naukowych w zakresie tematyki
badawczej proponowanej infrastruktury. Więcej informacji dotyczących programu
badań z zastosowaniem nowej infrastruktury HIBEF-Polska i zagadnień
technicznych związanych z jej budową, jest dostępnych na stronie internetowej
zespołu (http://www.ztl.wat.edu.pl/zoplzm/hibef).