Jakten på den perfekta ljusstrålen

Jakten på den perfekta ljusstrålen

Mikael Eriksson, tidigare maskindirektör och konstruktionsansvarig på MAX IV-laboratoriet, har ägnat ett helt yrkesliv åt att göra det osynliga synligt med hjälp av extremt korta ljusvåglängder. En gammal mangel, aluminiumfolie, begränsade resurser och en stor portion klurighet har varit viktiga inslag i den utveckling som möjliggjort utvecklingen av världens bästa materialforskningsanläggning.

Man skulle kunna säga att grunden till dagens enorma acceleratorer lades redan i slutet av 1600-talet, då den holländske vetenskapsmannen Christiaan Huygens presenterade sitt banbrytande arbete om ljusets vågnatur. Han konstaterade bland annat att det är omöjligt att se något som är mindre än våglängden på det ljus som belyser det. Alltsedan dess har vetenskapen oförtrutet letat vägar att kasta nytt ljus över det spännande mikrokosmos, osynligt för ögat, som omger och påverkar oss alla.

Det var ingen högoddsare att Mikael Eriksson skulle ägna sig åt naturvetenskap på hög nivå. Morbrodern, den världsberömde fysikern och Nobelpristagaren Hannes Alfvén, påverkade i stor utsträckning den unge Mikael Erikssons intressesfär. Bland annat var det Alfvén som fick honom att vid tolv års ålder bygga en egen transistorradio. Senare fick han också ärva en del av morbroderns avlagda mätinstrument. Intresset för naturvetenskap föddes alltså tidigt, men det var långtifrån alla ämnen som lockade.

– Konstigt nog var jag aldrig intresserad av kemi under skolåren, berättar Mikael Eriksson. Jag fick faktiskt ett C, sämsta betyg, i ämnet på gymnasiet. Fysiken, däremot, tog tag i mig från början och det var ren och skär glädje. Ämnet var som ett schackspel där det gällde att förstå de olika naturlagarnas samspel och tänka i många steg. Fysiken triggade min nyfikenhet och på den vägen är det. Det är kul att jobba med fysik. Det är också rådet jag ger till unga som tvekar inför yrkeskarriären. Ägna dig åt det som intresserar dig, då kommer du att lyckas.

Efter gymnasiet följde studier i matematik och fysik i Lund och 1975 disputerade Mikael Eriksson på en avhandling om utformningen av en ny elektronaccelerator. Denna var i första hand till för experiment inom kärnfysik, men kunde också producera synkrotronljus som gav helt nya möjligheter att undersöka molekylstrukturer. Avhandlingen blev startskottet för det som skulle bli Sveriges första synkrotronljusanläggning – MAX I – i Lund.

Vid den här tiden fanns ett stort internationellt intresse för materialforskning med synkrotronljus, men ingen i lilla Sverige var beredd att betala vad en egen anläggning skulle kosta. I brist på hållbar finansiering fick Mikael Eriksson och hans kollegor göra allt de kunde för att hitta genvägar, för en synkrotronljusanläggning skulle de bygga, något annat var otänkbart.

– Vi hade nästan inga pengar, men vi kunde vår fysik, såg synkrotronljusets möjligheter och hade en brinnande vilja att åstadkomma något fantastiskt. Det gjorde oss uppfinningsrika. Vi dammsög marknaden efter standardkomponenter, ofta begagnade, som kunde ersätta de specialkomponenter vi inte hade råd att köpa och vi hittade helt nya, okonventionella sätt att konstruera och bygga ihop de olika delarna. Elektromagneterna, till exempel, limmade vi ihop med hjälp av en mangel som vi lånade av en kollegas mamma. Magneterna blev bra, men mangeln gick aldrig mer att använda.

Efter åtskilliga år av hårt arbete och jakt på finansiering stod MAX I klart 1985, i ett eget hus på LTH-området i Lund. Mot bakgrund av de enorma satsningarna på de synkrotronljusanläggningar som ungefär samtidigt byggdes i Japan och USA är det lätt att fnysa åt det ”hemmafix” som ledde fram till Sveriges första anläggning. Mikael Eriksson menar dock att just bristen på resurser har gett ett kunskapsförsprång som idag kommer många till del.

– De små omständigheterna har helt enkelt tvingat oss att vara lite klurigare än de andra och att ta kalkylerade risker. Utan det arbetssättet hade vi aldrig kunnat utveckla vare sig MAX I eller dess efterföljare – det hade helt enkelt blivit alldeles för dyrt.

Mikael Eriksson och hans forskargrupp tillät sig inte att vila på lagrarna någon längre tid. Bara ett par år efter invigningen av MAX I började arbetet med nästa stora projekt och 1995 stod den nya, större acceleratorringen MAX II färdig. Nu kunde laboratoriet erbjuda en ännu mer briljant ljusstråle. Forskare från hela världen strömmade till Lund för att ta del av tekniken som gav högupplösta bilder av dittills osynliga molekylstrukturer.

Carl XVI Gustaf at the inauguration of MAX-lab 1085.
Ingolf Lindau, dåvarande föreståndare, visar runt kung Carl XVI Gustaf vid invigningen av MAX II 1995.

Kring millennieskiftet hade undersökningar med synkrotronljus lagt grunden till flera Nobelpris. Synkrotronljuset hade också kommit att bli en etablerad undersökningsmetod för industrin, som ville få fram material med nya egenskaper. Tunnare datorskärmar, effektivare dialysapparater, mer pricksäkra läkemedel, bättre smörjmedel, snabbare datorer och mer hållbara och miljövänliga bilmotorer är bara några exempel på sådant som blivit möjligt tack vare de alltmer avancerade förutsättningarna att studera material som synkrotronljustekniken inneburit. Nya anläggningar med alltmer briljanta och fokuserade strålar uppstod vid den här tiden nästan som svampar ur jorden som en följd av forskningens och industrins efterfrågan och enorma statliga satsningar i USA, Japan, Kina och Sydamerika. Men bara några år senare tog det stopp.

– Man ska ha klart för sig att den tekniska utvecklingen inom detta område har varit ungefär dubbelt så snabb som inom datorområdet, med strålar som blivit alltmer briljanta och fokuserade, men omkring 2002 tog det plötsligt stopp. Synkrotronljustekniken tycktes ha nått sin gräns.

Drivkraften i den snabba utvecklingen hade varit att få fram en så tunn, skarp och fokuserad elektronstråle som möjligt. Problemet var att en tunnare stråle också blev alltmer instabil och svår att fånga, och kring millennieskiftet hade man alltså nått en gräns. Forskarvärlden talade om en mur, en ”chromacity brickwall”, och enda sättet att ta sig igenom den föreföll vara att bygga ännu större acceleratorringar till kostnader som skulle bli helt oförsvarbara. Men i Lund hade man andra idéer.

– Vi började titta på nya sätt att arrangera de magneter som leder elektronstrålen runt

acceleratorringen och matematiska modeller visade att ett större antal magneter, arrangerade på ett visst sätt, skulle kunna eliminera instabiliteten. När vi presenterade våra resultat för andra forskare var det få som trodde på oss. ”Ni är inte kloka” var ett vanligt omdöme, men vi trodde på våra beräkningar och jobbade vidare. Målet var att återigen ta ledningen, att få bygga världens bästa acceleratorring, men det fanns många problem att lösa på vägen. Det största var att en acceleratorring, även med vår teknik, skulle behöva bli flera kilometer lång och det skulle vara helt omöjligt att finansiera. Vi behövde hitta ett sätt att ta oss igenom muren med en mindre accelerator och för att få den att fungera behövde vi testa nya vägar i en skarp miljö.

Lösningen blev MAX III, en ny accelerator som stod färdig 2005 och fungerade som en prototyp till MAX IV. Där kunde Mikael Eriksson och hans kollegor finslipa de nya lösningar som var nödvändiga för att nå målet – att med begränsade resurser skapa världens mest briljanta röntgenljusstråle. Det stora antalet magneter som skulle krävas var ett problem och för att få ner storleken var man tvungen att ge varje magnet flera olika funktioner. Att tillverka dessa magneter var komplicerat och krävde en nästan ofattbar precision, men tekniken visade sig fungera. Med MAX III hade forskarna brutit igenom den omöjliga ”muren” och vägen låg nu öppen för kronan på

verket – MAX IV – vars stråle får en briljans tio gånger högre än något som hittills skådats och tiotusen gånger högre än den i MAX III.

Mikael Eriksson and Pedro Fernandes Tavares inspects one of the magnet blocks in the 3 GeV ring
Mikael Eriksson och Pedro Fernandes Tavares inspekterar en av magneterna i 3 GeV-ringen. Foto: Madeleine Schoug.

– Många av dem som inte trodde på oss i början har nu vänt och våra multifunktionsmagneter kommer snart att användas i en rad anläggningar runt om i världen. De vill bara ha ett slutgiltigt bevis på att MAX IV verkligen fungerar först.

Det enträgna utvecklingsarbetet har gett stor uppmärksamhet och bland annat lett till att Mikael Eriksson tilldelats ett antal prestigefyllda priser, däribland KTH:s stora pris, Rolf Wideröe-priset som European Physical Society delar ut för ”enastående insatser på acceleratorområdet” och nu senast Ingenjörsvetenskapsakademins guldmedalj.

– Men egentligen är det orättvist att en enda person får dessa priser. Tekniken som sprängde ”muren” är i allra högsta grad ett lagarbete. Att det blivit så många priser ser jag i första hand som ett kvitto på att de verktyg vi skapat är värdefulla för en rad olika områden, inom både forskningen och industrin.

Mikael Eriksson beskriver sig själv som en tävlingsmänniska och den lilla, mycket kvalificerade grupp av forskare som utgör den internationella synkrotronljuseliten som extremt konkurrensinriktad. Men en snabb titt i hans CV ger en delvis annan bild. Mikael Eriksson sitter nämligen med i snart sagt varje rådgivande kommitté till världens ledande acceleratoranläggningar. Sitter han där för att bevaka konkurrenterna, eller delar han verkligen med sig av den kunskap han varit med om att utveckla? Svaret är enligt Mikael Eriksson själv både och. Det handlar om att både ge och ta.

– I den här branschen måste man vilja komma först, annars hamnar man ohjälpligt på efterkälken. Men samtidigt så är ju själva drivkraften i forskarvärlden att vara generös med sina upptäckter. Det är genom att publicera och dela med oss av ny kunskap som vi bygger våra nätverk och karriärer och får tillgång till större resurser. Acceleratorvärlden är inget undantag. Tävlandet sporrar oss till allt mer avancerade prestationer. Resultatet är en förfinad teknik som ger oss en allt bättre förståelse av världen omkring oss och det är ju till syvende och sidst det som fysiken handlar om.

Mikael Eriksson har ägnat 45 år av sitt liv åt acceleratorfysiken. Som ledande expert hade han kunnat hitta utmanande och lönande arbetsuppgifter nästan var som helst i världen, men har valt att stanna i Sverige, som han menar har unika förutsättningar.

– Utomlands är det vanligt att stora acceleratoranläggningar drivs som fristående institut. Det har varit en stor fördel för oss att vara en del av ett universitet med en rad olika discipliner som dels har kunnat hjälpa oss med problemlösning, dels förstår fördelarna för den egna forskningen med att ha en anläggning i världsklass alldeles inpå knuten. Sverige har också, hur konstigt det än kan låta, en betydligt mindre krånglig byråkrati än många andra länder. Beslutsvägarna är raka och klara, det går relativt snabbt att få besked och man kan lita på givna löften. Det ger lugn och ro och vi forskare kan koncentrera oss på det vi gör bäst – att producera ny kunskap och att bygga fantastiska anläggningar.

Mikael Eriksson hyllar också den företagskultur som gjort det möjligt att hitta genvägar och implementera nya, smarta lösningar.

– I vårt närområde finns ytterst kvalificerade mindre teknikföretag som vi samarbetar med. De har gripit sig an våra ”omöjliga” uppgifter med stor kunskap och entusiasm. Utan dem och de kostnadseffektiva lösningar vi arbetat fram tillsammans hade MAX IV aldrig kunnat bli verklighet.

MAX IV sedd från luften i juni 2015
MAX IV sedd från luften i juni 2015. Foto: Perry Nordeng.

MAX IV har alltså kunnat byggas till en bråkdel av vad en acceleratorring med traditionell teknik hade kostat. Men den relativa litenheten till trots så innebär bygget och driften ändå ett rejält grabbatag ur skattebetalarnas plånböcker. Hur ska forskningen betala tillbaka?

– Där har vi en pedagogisk uppgift, konstaterar Mikael Eriksson. Det handlar ju dels om att prestera resultat, dels att få människor att förstå vad de verkligen betyder. En del av den forskning som kommer att bedrivas vid MAX IV är ren nyfikenhetsforskning, det vill säga sådant som det är svårt att förklara nyttan med idag, men som kan få stor betydelse om sisådär 20 år. Forskningen som för flera årtionden sedan lade grunden till dagens moderna datorteknik är ett exempel på sådan forskning och det finns många fler. Men sen har vi också ett ansvar för att få människor att verkligen förstå och dessutom implementera kunskapen i sin egen vardag. Mycket av det som kallas materialforskning har ju direkt bäring på de stora utmaningar världen står inför inom klimat, vattenförsörjning, hälsa och så vidare. Om kunskapen om hur vi kan leva mer i samklang med vår omvärld inte når ut till de stora massorna i form av livsstilsförändringar, så är den inte mycket värd. Samtidigt så ska man komma ihåg att mycket av den kunskap som vi producerar så småningom faktiskt kommer människor tillgodo i form av ny, bättre, energisnålare, miljövänligare teknik, som dessutom bidrar till den ekonomiska utvecklingen.

Med MAX IV går ett långt och spännande yrkesliv mot sitt slut för Mikael Eriksson. Han ser fram emot att så småningom slippa det inrutade livet och få mer tid över till fritidsintressen som verkar finnas i övermått, med kajakpaddling och långfärdsskridsko som givna favoriter. Han lämnar dock inte scenen helt – det finns alldeles för många spännande projekt runt om i världen att engagera sig i och den helt perfekta ljusstrålen hägrar fortfarande i fjärran. Ett mer än 40-årigt arbete med att

utveckla och driva synkrotronljusanläggningar i världsklass har bland annat resulterat i att några av de allra skarpaste och mest idérika hjärnorna inom acceleratorfysiken har sökt sig från världens alla hörn till lilla Lund.

 

Eshraq Al Dmour, Chiara Pasquino och Martin Johansson har varit med och byggt MAX IV.
Eshraq Al Dmour, Chiara Pasquino och Martin Johansson har varit med och byggt MAX IV. Foto: Johan Persson.

– Det är duktiga människor som tar över, säger Mikael Eriksson med ett leende.

Och hur var det nu med aluminiumfolien?

BioMAX - mycket folie blir det
BioMAX – mycket folie blir det. Foto: Johan Bävman.

Jo, vanlig aluminiumfolie visade sig tidigt fungera utmärkt för att få upp och bevara värmen i de strålrör där själva experimenten utförs. Denna okonventionella lösning är kanske inte så vacker, men den har något väsentligt att tillföra även i en anläggning för många miljarder.