Benannt nach dem hellsten Stern am Nachthimmel, Sirius ist eine der ersten Synchrotronlichtquellen der vierten Generation in der Welt und befindet sich in der Stadt Campinas im brasilianischen Bundesstaat São Paulo.
Die komplexeste und größte Anlage, die je in diesem Land gebaut wurde, Sirius, wird es Wissenschaftlern ermöglichen, Pionierforschung zu betreiben. Es werden bahnbrechende Entdeckungen in verschiedenen Bereichen wie Energie, Umwelt, Gesundheit und anderen erwartet. Sirius ist so konzipiert, dass es - genau wie der Stern - das hellste Licht von allen Geräten dieser Art hat. Und es ist bereit, eingesetzt zu werden.
Sirius befindet sich in einer großen privaten Einrichtung namens Brasilianisches Zentrum für Energie- und Materialforschung (CNPEM), die dem brasilianischen Ministerium für Wissenschaft, Technologie und Innovation (MCTI) untersteht.
Die Einrichtung ist die treibende Kraft hinter vier weiteren nationalen Labors. Als gemeinnützige Einrichtung, die sich auf Forschung und Entwicklung konzentriert, hat das CNPEM die Aufgabe, Innovationen in verschiedenen Bereichen wie Materialien, Gesundheit, Lebensmittel, Umwelt, Energie und vielem mehr zu fördern. Das CNPEM ist in der Lage, wissenschaftliches und technologisches Wissen aus allen seinen nationalen Labors zu integrieren.
Sirius funktioniert wie ein (riesiges) Mikroskop und deckt einen großen Teil des elektromagnetischen Spektrums ab, sein Licht reicht von Infrarotwellen bis zu Ultraviolett und umfasst auch Röntgenstrahlung. Damit kann Sirius viele Materialeigenschaften auf molekularer und atomarer Ebene aufdecken und sogar elektronische Strukturen untersuchen.
Dies ermöglicht multidisziplinäre Forschung zur Beantwortung akademischer und industrieller Fragen. Um das Synchrotronlicht zu erzeugen, werden geladene Teilchen - z. B. Elektronen - auf einem durch Magnetfelder kontrollierten Weg nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.
Heute gibt es weltweit mehr als eine Anlage, die mit Sirius vergleichbar ist, wie die Europäische Synchrotronstrahlungsanlage (ESRF) in Frankreich. Und vor Sirius nutzte die CNPEM eine andere ähnliche Anlage, die erste brasilianische Synchrotronlichtquelle - bekannt als UVX -. viel kleiner als Sirius, mit hoher Zuverlässigkeit und Stabilität. Als Sirius jedoch fertiggestellt war, wurde das Gerät abgeschaltet. Im Laufe der Jahre benötigten die Wissenschaftler mehr Informationen, als das UVX liefern konnte, und stießen dabei an die Grenzen seiner räumlichen und technischen Kapazitäten.
Die erste Diskussion über das Sirius-Projekt fand im Jahr 2003 statt, und das Projekt nahm allmählich Gestalt an. Mit dem Bau des Gebäudes wurde 2015 begonnen, und 2018 wurde es schließlich eingeweiht.
Obwohl das Gebäude fertiggestellt wurde, die nächste Phase, in der die gesamte Ausrüstung untergebracht wird war erst der Anfang.
Im Gegensatz zum UVX, das Materialien nur oberflächlich analysieren konnte, ist die von Sirius erzeugte Energie in der Lage, in harte und feste Materialien mit einer Tiefe von Zentimetern einzudringen.
Es war wie eine Aufnahme bei schwachem Licht", sagt Antonio José Roque da Silva, Physiker, Direktor von CNPEM und SIRIUS, in einer Erklärung über das UVX. "Sirius hat eine höhere Lichtintensität und nimmt deshalb schneller auf, wie ein Film statt eines Fotos".
Sirius hat zwei Mal mehr Energie und 360 Mal weniger Emittanz, was zu verschiedenen Lichtfrequenzen führt, die eine Milliarde Mal heller sind als UVX.
Was die Funktionsweise des Geräts betrifft, so handelt es sich um die Sirius-Grundstruktur:
Die Grundstruktur der Synchrotronlichtquelle besteht im Wesentlichen aus zwei großen Teilchenbeschleunigern, dem Einspritzsystem und die Speicherring.
Das Injektionssystem umfasst den Linearbeschleuniger (Linac) und das Injektorsynchrotron (Booster).
Beide zusammen haben die Aufgabe, den Elektronenstrahl zu erzeugen und zu beschleunigen, bis er das für den Betrieb des Speicherrings erforderliche Energieniveau erreicht.
Darüber hinaus sind zwei Transportleitungen vorgesehen, von denen eine den Elektronenstrahl vom Linac zum Booster und die andere vom Booster zum Speicherring leitet.
Der Linac erzeugt einen gepulsten Stromimpuls, und zwar zwei Impulse pro Sekunde, und der erzeugte Stromimpuls wird dann in den Booster eingespeist.
Im Booster werden die Elektronenstrahlen beschleunigt, bis sie die notwendige Energie erreichen, um in den Speicherring injiziert zu werden.
Im Speicherring wiederum, dem Hauptbeschleuniger, der den Elektronenstrahl über lange Zeiträume speichert, wird schließlich das Synchrotronlicht erzeugt.
Außerdem wird zur Steuerung des Elektronenstrahls eine Kombination verschiedener Magnete, die ein Magnetfeld erzeugen, - oder ein Magnetgitter - verwendet, um den Fokus aufrechtzuerhalten und den Elektronenstrahlweg zu korrigieren.
Letztendlich wird das Synchrotronlicht in Experimentierstationen zur Verfügung stehen, die sich um den Speicherring herum befinden und Beamlines genannt werden - hier werden die Wissenschaftler ihre Materialproben platzieren und Daten zur weiteren Untersuchung erzeugen.
Die obige Abbildung - verfügbar auf der CNPEM-Website - zeigt eine Illustration von SIRIUS, bei der der durch den blauen Kreis dargestellte Speicherring einen Umfang von etwa 518 Metern hat, während der in Orange dargestellte Booster etwa 496 Meter lang ist.
Linac hingegen ist mit nur 32 Metern viel kleiner, was durch die rosa Linie dargestellt wird.
Diese Synchrotron-Lichtquellen der vierten Generation werden den Wissenschaftlern helfen, ihre Forschung im wahrsten Sinne des Wortes zu vertiefen, indem sie mehr Raum und bessere Instrumente für die Analyse komplexer Themen erhalten.
So werden beispielsweise fortschrittlichere Bodenanalysen das Wissen über die Entwicklung von Düngemitteln erweitern, was zur Herstellung von weniger toxischen Agrarprodukten führen wird, was der menschlichen Gesundheit und der Umwelt zugute kommt.
Ebenso wird Sirius es den Wissenschaftlern ermöglichen, durch eine umfassendere Untersuchung der Strukturen von Nanopartikeln neue Materialien zu entwickeln.
Am 21. Oktober 2020 wurde die erste Sirius-Beamline namens Manacá für die Forschung freigegeben. Diese Linie soll sich auf Makromoleküle konzentrieren und Proteine und ihre Wechselwirkungen mit Medikamenten untersuchen.
Künftig werden fünf weitere Beamlines zur Verfügung stehen, die Carnaúba, Cateretê, Ema, Ipê und Mogno heißen. Jede von ihnen wird sich auf eine bestimmte Art von Analyse konzentrieren. Derzeit befinden sich diese Strahlrohre in einem fortgeschrittenen Stadium der Installation, und bis Ende 2021 sollen einige von ihnen fertiggestellt sein.
Insgesamt wird die Sirius-Struktur 14 Arbeitsstationen haben. Das Gesamtprojekt umfasst sieben weitere Beamlines, die voraussichtlich 2021 eröffnet werden. Die Zahl der Strahlführungen kann jedoch schrittweise auf bis zu 40 Experimentierstationen erweitert werden.
Sehen Sie sich ein Video über den Bau von Sirius an hiermit Erfahrungsberichten und Erklärungen direkt von den beteiligten Ingenieuren.
Und Sie können auch besuchen CNPEM offizielle Website die alle Informationen über das SIRIUS-Projekt.
Schließlich ist der Sirius nicht nur für brasilianische Wissenschaftler von Interesse, sondern die Begeisterung für Fortschritte in der Forschung geht um den ganzen Globus. Vorwärts, Wissenschaft!
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