Formularz informacyjny dotyczący propozycji projektu infrastruktury badawczej w związku z aktualizacją Polskiej Mapy Drogowej Infrastruktury Badawczej (Proszę o wpisanie wymaganych informacji w puste pola; maksymalna liczba znaków bez spacji na poszczególne informacje wynosi 1500; łącznie nie więcej niż 5 stron) Tytuł (nazwa) proponowanej IB: Koordynator oraz skład konsorcjum składającego propozycję; nazwa konsorcjum: Helmholtz Beamline (HB) Propozycję projektu składa Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie w imieniu krajowego konsorcjum Helmholtz Beamline - Polska. Konsorcjum utworzą polskie podmioty zainteresowane udziałem w budowie i eksploatacji infrastruktury badawczej Helmholtz Beamline przy europejskim rentgenowskim laserze na swobodnych elektronach European XFEL w Hamburgu oraz stowarzyszonej z nią infrastruktury badawczej Helmholtz Beamline Polska zlokalizowanej w Polsce. Prace przygotowacze, mające na celu powołanie konsorcjum Helmholtz Beamline - Polska, koordynuje Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie, która należy do międzynarodowego konsorcjum przygotowującego projekt infrastruktury Helmholtz Beamline 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-Dresden-Rosendorf (HZDR) w Dreźnie. Krajowe konsorcjum Helmholtz Beamline - Polska będzie składało się z kilkunastu uczelni wyższych, instytutów naukowo i przedsiębiorstw produkcyjnych, których przedstawiciele zgłosili wstępny zamiar przystąpienia do projektu. Formalnie konsorcjum zostanie powołane po przyjęciu projektu do II etapu procedury aktualizacji projektów na Polskiej Mapie Drogowej Infrastruktury Badawczej. 1: Opis koncepcji własnościowej (krajowa lub międzynarodowa) oraz struktury operacyjnej (skupiona, rozproszona, stacjonarna, ruchoma, sieć, system informatyczny, zbiór, itp.): Europejska infrastruktura badawcza Helmholtz Beamline będzie zlokalizowana przy europejskim laserze rentgenowskim na swobodnych elektronach European XFEL w Hamburgu. Będzie to infrastruktura o strukturze skupionej, składająca się z dwóch systemów impulsowych laserów wielkiej mocy oraz układu magnesów o wielkim natężeniu pola w impulsie. Jej realizacja jest obecnie na etapie przygotowania przez międzynarodowe konsorcjum koordynowane przez Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) w Dreźnie (Prof. Thomas Cowan) wniosku o jej dofinansowanie przez Stowarzyszenie Helmholtza w Niemczech. Przygotowywany wniosek przewiduje udział w finansowaniu projektu przez partnerów spoza Niemiec. Czynnik ten jest jednym w elementów oceny projektu oraz decyzji o jego realizacji. Koncepcja własnościowa i struktura operacyjna infrastruktury Helmholtz Beamline nie jest jeszcze ustalona. Przypuszczalnie przyjęta zostanie struktura organizacyjna w formie spółki, podobnie jak w przypadku innych wielkich infrastruktur badawczych w Europie, np. European XFEL. Rozważane są także możliwości wprowadzenia struktury zarządzania nową infrastrukturą w ramach europejskiego konsorcjum European Research Infrastructure Consortium (ERIC) i 1
połączenie jej z budowaną obecnie wielką infrastrukturą badawczą Extreme Large Infrastructure - ELI, składająca się z infrastruktury ELI - Beamline w Czechach, infrastruktury ELI Atto na Węgrzech oraz infrastruktury ELI NP w Rumunii. Decydujący wpływ na strukturę własnościową i organizacyjną nowej infrastruktury będą mieli członkowie międzynarodowego konsorcjum. 2: Opis celów badawczych oraz programu badań: Infrastruktura Helmholtz Beamline będzie stanowiła wyposażenie linii eksperymentalnej SASE2 lasera rentgenowskiego European XFEL w dwa impulsowe lasery wielkiej mocy i energii oraz układ impulsowych magnesów o silnym polu magnetycznym. Zbudowane będą: femtosekundowy laser o mocy w impulsie około 1 PW (10 15 W) przy częstotliwości powtarzania impulsów 1 Hz oraz 200 TW przy częstotliwości 10 Hz, nanosekundowy laser o energii w impulsie około 1 kj, wytwarzającego pojedyncze impulsy o energii w zakresie około kj oraz energii około 100 J przy częstotliwości 1 Hz i układy impulsowych magnesów o natężeniu pola do 50 T w impulsie. Infrastruktura Helmholtz Beamline będzie służyła do badania oddziaływania promieniowania laserowego z materią w zakresie wysokich gęstości energii (High Energy Density - HED) planowanych na stacji eksperymentalnej HED linii SASE 2. Umożliwi ona badania stanów materii o wysokiej gęstości energii, równań stanu dla ciepłej gęstej materii (Warm Dense Matter - WDM), przemiany fazowej w warunkach wysokiego ciśnienia oraz dynamiki plazmy o wysokiej gęstości. Otworzy to nowe perspektywy dla geofizyki i fizyki układów planetarnych poprzez rozszerzenie zakresu warunków wysokiego ciśnienia do 10 Mbar uzyskiwanego przez kompresję materii profilowanymi impulsami laserowymi wielkiej mocy. Wysoka częstotliwość powtarzania impulsów lasera oraz niepowtarzalna charakterystyka wiązki lasera XFEL umożliwi przekształcenie badań materiałów w zakresie WDM oraz wysokich ciśnień z ery demonstracyjnej do ery systematycznych badań o dużej precyzji. 3: Opis unikalnego charakteru IB oraz potencjalnego wkładu w rozwój badań naukowych: Infrastruktura Helmholtz Beamline będzie stanowić jedyne na świecie połączenie laserów impulsowych wielkiej mocy i energii, magnesów o silnym polu magnetycznym oraz źródła spójnego promieniowania rentgenowskiego o wysokiej jasności, jakim jest laser European XFEL. Stworzy ona nowe możliwości prowadzenia badań w zakresie wysokiej gęstości energii, relatywistycznej plazmy laserowej, silnych pól, ultraszybkiej dynamiki materiałów i układów złożonych. Wyjątkowe połączenie wiązki spójnego promieniowania rentgenowskiego o bardzo dużej jasności oraz bardzo silnych pól magnetycznych możliwych do osiągnięcia za pomocą lasera PW otworzy nowe możliwości badań podstawowych z zakresu elektrodynamiki klasycznej i kwantowej. Wiązka lasera XFEL będzie stosowana do sprawdzenia założeń fizyki kwantowej dotyczących polaryzacji próżniowej w silnym polu wytwarzanym w ognisku lasera PW. Nowa infrastruktura pozwoli na badania dynamiki procesów zachodzących na poziomie atomowym podczas obróbki materiałów wiązkami jonowymi oraz na badania zmian zachodzących w warunkach bardzo silnego napromieniowania, które będą możliwe dzięki zastosowaniu techniki próbkowania z użyciem laserów ultrakrótkich impulsów. Umożliwi to poznanie i lepsze zrozumienie nowych metod obróbki oraz własności materiałów zaawansowanych. Zastosowanie impulsów promieniowania rentgenowskiego o bardzo wysokiej jasności w badaniach plazmy o wysokiej gęstości powstającej podczas oddziaływania lasera o ultra-wysokim natężeniu promieniowania z materią, pozwoli na szczegółową analizę jej struktury wewnętrznej, co ma to zasadnicze znaczenie w badaniach procesu laserowej syntezy termojądrowej. 4: Opis potencjału badawczego konsorcjum (określany jako liczba podmiotów tworzących konsorcjum wraz z liczbą zatrudnionych pracowników naukowych i technicznych związanych z proponowanym obszarem badań, budżet badawczy, posiadana infrastruktura badawcza, itp.): Propozycja przystąpienia do projektu infrastruktury badawczej Helmholtz Beamline jest składana w imieniu krajowego konsorcjum, które utworzy kilkunaście polskich podmiotów (uczelni wyższych 2
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 Helmholtz Beamline, 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 we współpracy z zagranicą oraz projektów wdrożeniowych wspólnie z przedsiębiorstwami produkcyjnymi. 5: Opis koncepcji realizacji programu badań oraz zasady dostępu do prowadzenia i wyników badań (np. proporcje udziału zespołów krajowych i zagranicznych, wykorzystanie do celów akademickich): Planowana infrastruktura Helmholtz Beamline będzie stanowiła część wielkiej infrastruktury badawczej European XFEL. Projekty badawcze realizowane z użyciem tej infrastruktury będą prowadzone zgodnie z zasadami przyjętymi w ośrodku DESSY 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 wprowadzono w przypadku laserowych infrastruktur badawczych realizujących projekt Laserlab Europe. Proporcje udziału polskich zespołów badawczych będą zależały w decydującym stopniu od wartości naukowej zgłaszanych projektów, jednakże będzie on także zależał od stopnia udziału Polski w budowie infrastruktury i jej współfinansowaniu. Dotychczasowe doświadczenia polskich zespołów uczestniczących w tego typu projektach badawczych, np. na laserach na swobodnych elektronach FLASH w Hamburgu, SLAC w Stanford, SACLA w Harima oraz z użyciem systemów laserowych dostępnych w ramach projektu Laserlab Europe, wskazują na bardzo duży potencjał i możliwości udziału polskich naukowców w projektach realizowanych na dużych infrastrukturach badawczych. Projekt Helmholtz Beamline będzie wykorzystany do celów akademickich w zakresie popularyzacji tematyki badawczej związanej z techniką laserową wśród studentów i doktorantów oraz szkolenia kadr naukowych i technicznych w tym obszarze. Będzie to jeden z podstawowych celów działalności krajowego konsorcjum. Szczególna uwaga będzie zwrócona na działania promocyjne na terenie zachodniej Polski, gdzie ta tematyka badawcza nie jest uprawiana. 6: Koszty budowy IB oraz oczekiwane źródła finansowania (np. środki z budżetu Nauka, fundusze strukturalne UE, itp.), przewidywany okres budowy, proponowana lokalizacja, szacunkowe koszty operacyjne IB: Koszty całkowite infrastruktury Helmholtz Beamline zostały oszacowane na 45,3 mln Euro. Koszty te obejmują koszty budowy nowego budynku, w którym umieszczone będą systemy laserowe oraz generator pola magnetycznego. Ze względu na brak miejsca w budowanym obecnie budynku linii eksperymentalnej SASE 2 przy laserze European XFEL, konieczne jest zbudowanie nowego budynku, który połączony będzie z budynkiem linii SASE 2 tunelem. Nowy budynek będzie umieszczony w ziemi na głębokości 5 m. Planowany koszt budowy budynku wynosi 5,21 mln Euro. Koszty budowy systemów laserowych zostały oszacowane w wysokości 11 mln Euro w przypadku lasera PW oraz 13 mln Euro w przypadku lasera kj, w tym 3 mln Euro dla lasera 100J. 1,5 mln 3
Euro zaplanowano na koszty uruchomienia i utrzymania w ruchu systemów laserowych. Koszty wykonania eksperymentalnych komór próżniowych do prowadzenia badań zaplanowano w wysokości 4,3 mln Euro, natomiast koszty budowy układów magnesów impulsowych na 2,7 mln Euro. Koszty personelu zaangażowanego w konstrukcję i budowę infrastruktury oszacowano na 5 mln Euro. Dodatkowo zaplanowano kwotę w wysokości około 12,5 mln Euro, jako zabezpieczenie (contingency) ewentualnych zmian w kosztach budowy budynku laboratorium oraz systemu lasera kj. Termin realizacji projektu: 2013-2018. Projekt będzie finansowany przez Stowarzyszenie Helmholtza z udziałem partnerów spoza Niemiec. Ponieważ projekt ma bardzo duże znaczenie dla Polski oraz spodziewane jest mniejsze zaangażowanie w tym projekcie Francji, Czech, Węgier i Rumunii realizujących projekt ELI, rola Polski w projekcie Helmholtz Beamline może być znacząca. Z tego względu proponujemy udział Polski w wysokości 10 % kosztów całkowitych pokrytych ze środków na naukę. 7: Wizja przyszłej konsolidacji / współpracy IB z innymi ośrodkami badawczymi lub projektami o skali krajowej lub międzynarodowej: Planowana infrastruktura Helmholtz Beamline jest powiązana z infrastrukturami laserowymi z mapy drogowej ESFRI. Dotyczy to w szczególności rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach European XFEL w Hamburgu, której częścią składową będzie proponowana infrastruktura. Infrastruktura Helmholtz Beamline będzie współpracować z infrastrukturą ELI, na którą składają się trzy największe jak dotąd na świecie systemy impulsowych laserów wielkiej mocy. W odróżnieniu od infrastruktury ELI, która jest dedykowana do badań w zakresie oddziaływania przy bardzo dużej intensywności i ultrakrótkich impulsach promieniowania, infrastruktura Helmholtz Beamline będzie przeznaczona głównie do badań oddziaływania promieniowania z materią w zakresie dużych gęstości energii. Infrastruktura Helmholtz Beamline będzie współpracować także z istniejącymi obecnie infrastrukturami laserowymi w Europie, które są zgrupowane w konsorcjum Laserlab Europe. Rozważana jest konsolidacja infrastruktury Helmholtz Beamline z infrastrukturą ELI w ramach europejskiego konsorcjum ERIC. Poza infrastrukturami laserowymi, infrastruktura Helmholtz Beamline będzie współpracować z innymi wielkimi infrastrukturami realizowanymi w Europie w innych obszarach nauki, np. projektem FAIR w Darmstadt, gdzie planowana jest także budowa dużego systemu laserowego przeznaczonego do badań ekstremalnych stanów materii wytwarzanych za pomocą nowego akceleratora FAIR. Przykładem tej współpracy jest wspólne sympozjum zorganizowane w kwietniu ub.r. w Darmstadt, w którym uczestniczyło ponad 100 uczestników. 8: Dodatkowe informacje: Planowana infrastruktura badawcza Helmholtz Beamline w Hamburgu jest wyjątkowym przedsięwzięciem w zakresie dużych infrastruktur badawczych w skali światowej. Połączenie rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach European XFEL z systemami impulsowych laserów wielkiej mocy i energii stworzy możliwości badawcze, które nie istnieją w żadnym innym ośrodku na świecie. Szczegółowe informacje dotyczące programu naukowego planowanych badań z zastosowaniem nowej infrastruktury oraz zagadnień technicznych dotyczących jej budowy, są dostępne na stronie internetowej zespołu badawczego IOE uczestniczącego w projekcie (http://www.ztl.wat.edu.pl/zoplzm/). Projekt nowej infrastruktury Helmholtz Beamline będzie miał bardzo duże znaczenie dla Polski. Poza znaczeniem dla polskiej nauki i rozwoju kadry naukowo-technicznej w Polsce, projekt będzie miał duże znaczenie dla gospodarki. W Polsce działa obecnie kilka instytucji badawczych i przedsiębiorstw produkcyjnych, które mogą wnieść swój udział w budowie projektu w formie inkind. Znane na świecie firmy przemysłowe, takie jak: PREVAC - producent aparatury próżniowej oraz SOLARIS OPTICS - producent elementów optycznych do laserów wielkiej mocy, a także zespoły badawcze z Politechniki Warszawskiej, Politechniki Wrocławskiej, Wojskowej Akademii Technicznej, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Instytut Fizyki Jądrowej i inne, posiadające kompetencje w zakresie układów sterowania systemów elektronicznych, urządzeń kriogenicznych, systemów laserowych, akceleratorów cząstek naładowanych, tworzą potencjał naukowy i techniczny, który pozwoli na ich aktywny udział w budowie nowej infrastruktury. 4
5