Meer dan een miljard gulden kostte het Europese synchrotron dat gisteren in Grenoble werd geopend. Het levert ons voorlopig nog niet meer dan een bron van uitzonderlijk felle röntgenstraling op. De komende jaren zullen wetenschappers uit tal van disciplines die straling echter gebruiken om door te dringen tot de bouwstenen van alle materie: atomen.
EEN REUSACHTIGE bron van zeldzaam fel en gericht röntgenlicht, waarmee honderden wetenschappers uit vele landen tegelijkertijd experimenten kunnen uitvoeren in tal van wetenschapsgebieden – dat is de beste omschrijving voor het grote, cirkelvormige gebouw dat gisteren in het Franse Grenoble officieel werd geopend. Twaalf Europese landen, met Frankrijk, Duitsland en Italië voorop, hebben er zes jaar aan gebouwd, en staken er in die tijd meer dan een miljard gulden in.
De Nederlandse bijdrage aan het wetenschappelijke monsterproject was bescheiden: samen met België nam ons land zes procent van het totale budget voor de nieuwe Europese ‘synchrotron’ voor zijn rekening. In ruil daarvoor mogen Nederlandse onderzoekers de komende jaren drie procent van de beschikbare onderzoektijd op het apparaat benutten – speciale commissies zullen erop toezien dat geen land over- of onderbedeeld wordt.
Twee weken geleden werd bovendien duidelijk dat de Nederlandse bijdrage op een andere manier nog flink kan worden uitgebreid. Een groep Nederlandse en Belgische onderzoeksinstellingen, waaronder de universiteiten van Amsterdam en Utrecht en het Amsterdamse FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica, kreeg toestemming om een eigen experimenteerruimte in Grenoble in te richten. Die stap zal de tijd die Nederlandse wetenschappers zich aan de röntgen-bron mogen laven in een klap meer dan verdubbelen, van circa 450 ‘werkdagen’ per jaar tot ongeveer 1200. De Nederlandse organisatie van Wetenschappelijk Onderzoek zal voorstellen om het apparaat te mogen gebruiken beoordelen, en de beschikbare tijd verdelen. De verwachting is dat natuurkundigen, scheikundigen, biologen, medici en geologen zullen staan te dringen.
HET HART VAN het enorme synchrotron in Grenoble wordt gevormd door een minuscule bundel elektronen – ongeveer een tiende millimeter dik. Die elektronen worden rondgeslingerd door een 850 meter lange, vacuüm gezogen buis. Rondom de buis bevinden zich magneten, die de bundel precies op de juiste hoogte vasthouden.
De onderzoekers hebben op zich niets aan die rondrazende elektronen – als deeltjesversneller, bedoeld om subatomaire deeltjes op elkaar te schieten stelt het dan ook niets voor. Niet dat in zo’n deeltjesversneller geen röntgenstraling vrijkomt, maar daar is het meer een lastig bijproduct.
Het nieuwe synchrotron is juist gebouwd om zoveel mogelijk van dit bijproduct te profiteren. Het maakt gebruik van het feit dat een elektronenbundel die door magneten wordt afgebogen, röntgenstralen uitzendt in de richting waarin de bundel oorspronkelijk liep. Wanneer een bundel elektronen een bocht maakt, gaat dat dus gepaard met een waaier van röntgenstraling – het is alsof er waterdruppels uit een ronddraaiende centrifuge vliegen.
Het nieuwe synchrotron is zo gebouwd dat de röntgenstraling uit de elektronenbundel op zo’n 50 plaatsen kan worden afgetapt. In de binnenwand van de grote hal die de elektronenring omsluit, zitten evenzovele ‘luikjes’, waaruit desgewenst een felle bundel straling tevoorschijn kan worden getoverd. Door achter elk luikje een compleet laboratorium in te richten, ontstaat een kluwen van wetenschappelijke bedrijvigheid rond de centrale ring – als biggetjes sabbelend aan een reusachtige zeug.
Het Nederlands-Belgische laboratorium dat achter een van de luikjes zal worden gebouwd – een ‘bundellijn’ in natuurkundigen-jargon – is nog net iets slimmer dan de rest. Direct achter het luikje zal de waaier van röntgenlicht, ter plaatse ongeveer vijftien centimeter breed en ongeveer een centimeter hoog, in twee afzonderlijke bundels worden gesplitst. Het zal een beetje dringen worden in het smalle, langwerpige proefkamertje, maar met passen en meten kunnen er zo wel twee complete experimenten naast elkaar worden verricht. Over dat plan, zegt de Nederlandse projectmanager dr Elias Vlieg, is men in Grenoble zo enthousiast geworden, dat men overweegt het te belonen met vijftig procent meer röntgenstraling èn manoeuvreerruimte.
IN ENKELE OPZICHTEN verschilt de röntgenstraling uit het nieuwe synchrotron van röntgen-bronnen die tot nu toe worden gebruikt. Om te beginnen is de bundel duizenden keren feller dan de meeste andere bronnen. Maar minstens zo belangrijk is dat de bundel heel dun en precies is, en een breed spectrum van röntgen-golflengten – ‘kleuren’ – bevat. Voor elk onderzoek hebben wetenschappers via filters de ideale golflengte simpelweg voor het uitkiezen.
Een mooie illustratie daarvan is een van de drie medische toepassingen die nu worden voorbereid. Hartpatiënten krijgen daarbij een kleine hoeveelheid jodium in het bloed gespoten. Even later worden met de röntgenbundel uit het synchrotron twee foto’s gemaakt: één met een golflengte die wordt geabsorbeerd door het jodium, één net daarnaast. Het verschil tussen de twee foto’s geeft precies aan waar de bloedstroom rond het hart hapert.
Een complicatie bij zulke toepassingen is wel dat de bundel al tot een behoorlijke omvang moet zijn uitgewaaierd. Het medische laboratorium zal daarom worden gehuisvest in een apart gebouwtje buiten de ring. Een speciale tunnel zorgt ervoor dat de röntgenbundel de benodigde 150 meter veilig kan overbruggen.
Medische toepassingen als deze gaan in Grenoble echter tot de uitzonderingen behoren. Het leeuwendeel van de onderzoekers zal de röntgenbundel niet op organen of tumoren, maar op kleine reageerbuisjes laten vallen. Het doel: meer te weten komen over de inwendige en uitwendige structuur van alle mogelijke materialen. Omdat röntgenlicht een veel kleinere golflengte heeft dan gewoon, ‘zichtbaar’ licht, kunnen er details ter grootte van een enkel molecule of zelfs atoom er soms mee worden opgespoord. Met de nieuwe röntgenbron kunnen de grenzen weer verder worden verlegd.
Kennis over de structuur van materialen kent vele toepassingen. Zo lijkt het rendement van elektrische zonnecellen direct verband te houden met de manier waarop de silicium-atomen in de cellen zijn gerangschikt. In de chemische industrie bepaalt de ruimtelijke structuur van katalysatoren uiteindelijk hoe efficiënt de fabricage van plastics verloopt. De nieuwste trend in het onderzoek naar medicijnen is het ontwerpen van stoffen die bijna letterlijk als sleutels in het slot van ziekteverwekkers passen. En in de moleculaire biologie tel je niet meer mee, wanneer je een enzym omschrijft als een rijtje chemische bouwstenen – je moet het complete bouwwerk ook kunnen laten zien, liefst via een computerscherm waarop het in drie dimensies parmantig ronddraait. Gehoopt wordt dat het nieuwe synchrotron zelfs ‘filmpjes’ kan maken van de manier waarop het enzym zijn nuttige taak vervult.
Veel van wat de komende jaren in Grenoble wordt onderzocht, had met bestaande röntgenbronnen ook kunnen worden ontrafeld, beaamt dr Y.K. Levine, hoogleraar moleculaire fysica in Utrecht en voor Nederland supervisor van de eigen experimenteer-opstelling. In de praktijk was het er echter niet van gekomen. “Of het oplossen van een vraag vijf weken kost of twee dagen, dat is een groot verschil. In het eerste geval krab je je toch nog even achter de oren, in het laatste geval doe je het gewoon. Die snelheid, die is enorm belangrijk.”