Přijměte pozvání na výpravu CERNu, špičkového vědeckého pracoviště a místa, kde mají přední vědecké kapacity k dispozici bájný Velký hadronový urychlovač.

Nejprve ale krátké historické okénko: CERN (to je francouzská zkratka pro Evropskou organizaci pro jaderný výzkum) je mezinárodní instituce, sídlící na hranicích Francie a Švýcarska, nedaleko Ženevy. Byla založena v roce 1954 a zaměřuje se na pochopení interakcí těch nejmenších subatomárních částic. CERN je známý zejména díky Velkému hadronovému urychlovači (Large Hadron Collider, neboli LHC), což je opravdu masivní zařízení ve tvaru prstence ukryté 100 metrů pod povrchem. Na délku má ohromujících 27 kilometrů a slouží především k ověřování různých výzkumných teorií částicové fyziky prostřednictvím srážek částic. Ale tamním vědcům to zjevně nestačí, protože už plánují stavbu ještě většího urychlovače!

© CERN – Large Hadron Collider

Celá řada zásadních vědeckých objevů a poznatků vznikla právě v CERNu – své experimenty zde uskutečnilo několik nositelů Nobelovy ceny a došlo tu ke slavnému potvrzení existence Higgsova bosonu. S některými vynálezy se setkáváme denně a nejsou jen z oblasti částicové fyziky: Málo se ví, že například protokol World Wide Web (WWW) vznikl zde. Výzkum CERNu také přispívá k inovacím v medicíně.

Areál CERNu je obří! Pracuje tu více než 12 000 lidí a v některých částech zařízení musíte cestou na oběd doslova překročit hranice země. Naše výprava – v čele se samotným Josefem – zde strávila čtyři dny, během kterých jsme se seznamovali s výzkumem a zejména pak s tím, jakým způsobem využívají 3D tiskárny Original Prusa. A dokonce jsme uspořádali i seminář o 3D tisku, směřování open-source a vývoji tiskových materiálů. Těch pár dní ale uteklo jako voda a odjížděli jsme s pocitem, že v CERNu by se dalo strávit libovolné množství času a stále by bylo co objevovat.

A je to i dobrý tip na výlet! CERN totiž podporuje hnutí Open Science, takže pokud toužíte po dobrodružství, můžete ho navštívit a přesvědčit se na vlastní oči. S námi však budete mít možnost mrknout i za oponu.

Neomezené možnosti

Při snaze o pochopení principů a tajemství vesmíru se CERN spoléhá na jedinečnou řadu specializovaných nástrojů, často vytvořených na míru konkrétním vědeckým procesům. Během naší návštěvy jsme si prohlédli obrovské (zase to slovo) dílny, kde pracují s nejrůznějšími materiály, od běžných kovů až po vzácné prvky. Inženýři využívají různé techniky: Od CNC obrábění po odlévání kovů nebo dokonce leptání kyselinou – to aby vytvořili přesné tvary bez snížení pevnosti materiálu.

Josefa asi nejvíce zaujala průmyslová dílna plná velkých CNC strojů a samozřejmě 3D tiskárny, které vytvářely titanové komponenty. Měli jsme příležitost prohodit pár slov s jedním z inženýrů – povyprávěl nám o tom, jak za ním chodí vědci s různými nápady a koncepty. „Nejlepší na mojí práci je vymyslet způsob, jak ty jejich blázniviny reálně vyrobit. Je to obohacující a zároveň zábavné,“ usmíval se ukázal nám, jak zadává výrobu velkého hliníkového potrubního konektoru do jednoho z CNC strojů. Tomu pak výroba potrvá tři dny.

© CERN – CMS experiment

V jednu chvíli jsme začali trochu pochybovat, že tu naše 3D tiskárny najdou nějaké uplatnění. Ale tyhle pochyby se rozplynuly jakmile jsme se setkali s Jonasem Kamppem a vstoupili do jeho laboratoře.

Drobnosti – ale zásadní!

„3D tisk používáme opravdu často,“ ujistil nás Jonas, inženýr mechatroniky v CERNu. „Není to jen na testování, ale také k výrobě součástek a nástrojů, které jdou přímo do tunelů u Velkého hadronového urychlovače.“

Práce Jonasova týmu je pro správnou funkci hadronového urychlovače zásadní: Vzhledem k tomu, že prstenec je 100 metrů pod zemí a táhne se v délce přes 27 kilometrů, je udržení jeho dokonalého nastavení pro experimenty nekončící výzvou. Země pracuje, hýbe se a právě tyto pohyby mohou narušit přesnost – takže dochází k neustálému vyrovnávání a vyvažování.

„Vyrábíme senzory, řídící systémy a nástroje, které měří a upravují polohu velkých magnetů a zajišťují jejich dokonalé vyrovnání,“ vysvětluje Jonas.

Na 3D tiskárně pak vyrobili například tento člunek: Možná vypadá jednoduše, ale má mimořádně důležitý úkol. Nese křehký drát, který se používá k měření vzdáleností a vyrovnání v kritické části urychlovače: Musí donést drát celých 200 metrů z každé strany u všech čtyř velkých experimentů – a to aniž by se drát poškodil. Byla to výzva a Jonase stálo spoustu času a pokusů, ale zejména díky flexibilitě a rychlosti 3D tisku má se zadařilo.

Mnoho zařízení v CERNu používá křehká optická vlákna. Malá, ale chytrá pouzdra a vodítka vytištěná na 3D tiskárně pomáhají vlákna chránit. Takhle s jejich pomocí vylepšili fotodetekční modul FSI:

3D tištěný díl udržuje optická vlákna v úhledných cívkách. Příliš ostré ohyby by způsobily prasknutí skleněného vlákna uvnitř drátu a přerušil by se signál.

3D tisk je pro Jonase důležitým nástrojem, zejména ve fázi testování a prototypování. Tým se potřebuje ujistit, že nástroje fungují tak, jak byly zamýšleny – a to ještě předtím, než je zadají do výroby z drahých či exotických materiálů. Někdy však i vytištěné modely skončí jako finální produkt.

Zde vidíte zkoušku proveditelnosti tisku modelu pro senzor hydrostatického nivelačního systému (Hydrostatic Levelling System, neboli HLS). Jonas zkoumal, zda bude možné tento díl vytisknout z kovu. Díky důkladnému prototypování snížil jeho výrobních náklady.

Tohle je prototyp konektoru mezi dvěma senzory systému pro kontrolu pozice drátu (Wire Positioning System, neboli WPS).

Než jsme stihli vydat tenhle článek, Jonas design ještě několikrát přepracoval…

Vítejte na náměstí plném nápadů!

Dalším místem, kde se v CERNu ve velké míře využívá 3D tisk, je IdeaSquare. Představte si pod tím dílnu zaměřenou na propojení společnosti s vědou. Studenti zde mohou být stejně kreativní a odvážní jako vědci v CERNu. Tam jsme se seznámili s Dinou Zimmermannovou, konstrukční inženýrkou z Norska, která má na starosti výrobu prototypů. Ukázala nám přínos 3D tisk pro různé experimenty.

© CERN – Linear Electron Accelerator for Research (CLEAR)

Krom Velkého hadronového urychlovače totiž mají v CERNu ještě další menší urychlovače částic. Jeden z nich, nazvaný CLEAR, je součástí mimořádného výzkumu: S jeho pomocí zaměřují radiační paprsek na ničení rakovinných buněk – ale s tím, že se přitom nepoškodí zdravá tkáň.

Během experimentu je potřeba rychle vyměnit ozářené vzorky buněk neustálého zapínání a vypínání paprsku. Vzhledem k radiaci je bezpečnost lidí nejvyšší prioritou. Proto vytvořil tým CLEAR speciálního robota, který dokáže vyměnit vzorky bez zastavení paprsku. Tím se ušetří spousta času a zachová efektivita. Ony krabičky na vzorky jsou pak Dinou vytištěné na 3D tiskárně v IdeaSquaru.

Takto robot vyměňuje vzorky

Pomocí 3D tisku můžete vyrobit držáky na vzorky všech tvarů a velikostí.

Než ho postavili, vytvořil tým CLEAR 3D tištěný model chytrého robota.

IdeaSquare spolupracuje i na dalších projektech. Jeden z nich, VITO, využívá nukleární magnetickou rezonanci ke studiu iontů kovů a biomolekul. Je to složitý experiment, protože během něj musí vědci pracovat s kapalnými vzorky ve vysokém vakuu. Otevírání a zavírání zařízení kvůli výměně vzorků vyžaduje čas a není příliš efektivní.

Inženýři v CERNu proto přišli s chytrým řešením. Navrhli speciální držák pro kapalné vzorky a pomocí 3D tiskárny vyrobili 8mm kapiláru. Ta jim umožňuje rychlou výměnu vzorků bez přerušení experimentů.

Kapilára je vytištěna z resinu na tiskárně Original Prusa SL1 printer.

Je toho tolik…

Jak vidíte, CERN je místo plné kreativních lidí s chytrými nápady. A my viděli opravdu jen zlomek toho, co se v institutu odehrává. Tiskárny Original Prusa jsou přítomny v různých odděleních, od údržby a IT až po výzkumná zařízení. Působivý je zejména fakt, že navzdory všem pokročilým technologickým možnostem, které mají k dispozici, nedají vědci a inženýři na 3D tisk dopustit – zejména pro jeho flexibilitu.

© CERN – Computing

„3D tisk umožňuje vědcům a inženýrům rychle vytvářet prototypy a posouvat hranice možností,“ říká Dina.

Jonas je stejného názoru.

„Moje práce by sice byla možní i bez 3D tisku, ale byla by pomalejší a mnohem složitější,“ uzavřel Jonas.

Naše velkolepá návštěva CERNu sice skončila, ale přivezli jsme malý suvenýr pro každého: Tisknutelný model detektoru CMS (Compact Muon Solenoid), kritickou součást Velkého hadronového urychlovače. Najdete ho na webu Printables.com a doufáme, že vám bude líbit. Josef si ten svůj okamžitě vystavil…

Jakub Kmošek, Štepán Feik and Jakub Fiedler