W tym artykule chcielibyśmy zaprosić Cię w podróż po CERN, domu Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), gdzie najlepsi na świecie naukowcy wykorzystują druk 3D do wspierania swoich przełomowych badań.

Najpierw krótkie wprowadzenie (na wszelki wypadek): CERN, (francuski akronim Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych), to międzynarodowa instytucja z siedzibą na granicy Francji i Szwajcarii, w pobliżu Genewy. Został założony w 1954 roku i koncentruje się na zrozumieniu interakcji najmniejszych cząstek subatomowych. Najbardziej znany jest z Wielkiego Zderzacza Hadronów, ogromnego obiektu w kształcie pierścienia, który znajduje się 100 metrów pod powierzchnią ziemi i rozciąga się na zdumiewającą długość 27 kilometrów. Służy głównie do testowania przewidywań różnych teorii fizyki cząstek poprzez ich zderzanie. A tak przy okazji, już planują budowę jeszcze większego…

© CERN – Wielki Zderzacz Hadronów

To miejsce niesamowitych odkryć – kilku laureatów Nagrody Nobla przeprowadziło tu swoje eksperymenty, w tym słynne potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa. Ale wiedza CERNu wykracza poza fizykę cząstek elementarnych – na przykład wynaleziono tu protokół World Wide Web, z którego korzystamy na co dzień. CERN przyczynia się również do innowacji w medycynie dzięki swoim najnowocześniejszym technologiom, kompetencjom i know-how.

Całe to miejsce jest ogromne, aż przyprawia o zawrót głowy – pracuje tam ponad 12 000 osób, a w niektórych częściach obiektu, aby zjeść lunch, trzeba dosłownie przekroczyć granicę kraju. Spędziliśmy tam cztery dni, poznając ich badania i to, jak używają w szczególności drukarek Original Prusa. Właściwie moglibyśmy zostać tam na kilka tygodni i wciąż odkrywać coś nowego. To była niesamowita podróż, którą nadzorował sam Jo. Zorganizowaliśmy nawet seminarium na temat druku 3D, open-source i rozwoju materiałów.

CERN wspiera ruch Open Science, więc jeśli szukasz przygody, możesz odwiedzić i przekonać się o tym osobiście. Ale my damy Ci dodatkowe spojrzenie za kulisy 🙂 .

Nieograniczone możliwości

W dążeniu do zrozumienia tajemnic wszechświata, CERN polega na unikalnej gamie specjalistycznych narzędzi, często wykonanych na zamówienie dla konkretnych procesów naukowych. Podczas naszej wizyty zwiedziliśmy ogromne warsztaty, w których starannie kształtowano różne materiały, od zwykłych metali po rzadkie pierwiastki. Inżynierowie stosują różnorodne techniki: Od obróbki CNC po odlewanie metali lub trawienie kwasem, aby tworzyć precyzyjne formy bez uszczerbku na wytrzymałości materiału.

Jo był szczególnie zdumiony kolekcją dużych maszyn CNC i drukarek 3D do metalu tworzących tytanowe komponenty. Mieliśmy okazję poznać inżyniera, który był pasjonatem swojej pracy i wyjaśnił, w jaki sposób naukowcy przedstawiali mu swoje kreatywne pomysły do realizacji.

© CERN – eksperyment CMS

„Najlepsze jest to, że naukowcy rzucają mi wyzwanie, abym urzeczywistnił ich często szalone koncepcje. Daje to zarówno satysfakcję, jak i dużo zabawy” – uśmiechnął się, programując maszynę CNC do wykonania dużego aluminiowego łącznika rurowego.

W tym momencie zaczęliśmy wątpić w potrzebę posiadania drukarek 3D. Wątpliwości szybko jednak zniknęły, gdy poznaliśmy Jonasa Kamppa i weszliśmy do jego laboratorium.

Małe, ale kluczowe narzędzia

„Korzystamy z druku 3D bardzo często”, mówi Jonas, inżynier mechatroniki w CERN. „Używamy go nie tylko do testowania, ale także do tworzenia części, które trafiają bezpośrednio do tuneli Wielkiego Zderzacza Hadronów”.

Ich praca ma kluczowe znaczenie dla LHC: ponieważ pierścień znajduje się 100 metrów pod ziemią i rozciąga się na ponad 27 kilometrów, utrzymanie go w idealnej pozycji do eksperymentów jest nie lada zadaniem. Ruchy Ziemi mogą zakłócić jego ustawienie, więc Jonas pomaga utrzymać go na właściwym torze.

„Tworzymy czujniki, systemy sterowania i akceleratory do pomiaru i regulacji pozycji dużych magnesów, upewniając się, że są one idealnie wyrównane” – wyjaśnia Jonas.

Doskonałym przykładem jest ten koralik: może i wygląda prosto, ale ma bardzo ważne zadanie. Podtrzymuje delikatny przewód używany do pomiaru odległości w krytycznej części LHC i musi to robić przez całe 200 metrów z każdej strony czterech eksperymentów bez uszkodzenia przewodu. Jest to nie lada wyzwanie, a zrobienie tego dobrze zajęło Jonasowi wiele czasu i prób. Ale druk 3D to doskonałe narzędzie w warsztacie Jonasa.

Wiele urządzeń wykorzystuje delikatne światłowody. Małe, ale sprytne drukowane w 3D obudowy i prowadnice pomagają chronić przewody. Spójrz na ten moduł fotodetekcji FSI:

Wydrukowana w 3D część układa światłowody w zgrabne zwoje. Zbyt ostre zagięcia spowodowałyby pęknięcie włókna szklanego wewnątrz i zniszczenie sygnału.

Druk 3D jest ważnym narzędziem dla Jonasa, zwłaszcza w fazie testowania. Zespół musi upewnić się, że ich narzędzia działają niezawodnie przed użyciem droższych materiałów. Czasami jednak modele drukowane w 3D stają się produktem końcowym.

Jest to próbny wydruk wstępnej wersji czujnika HLS (Systemu Hydrostatycznego Poziomowania). Jonas badał możliwość wydrukowania tej części w 3D z metalu i obniżenia kosztów produkcji.

Innym przykładem jest prototyp złącza pomiędzy dwoma czujnikami WPS (Systemu Pozycjonowania Przewodu).

Zanim opublikowaliśmy ten artykuł, Jonas zaktualizował projekt kilka razy…

Zapraszamy do IdeaSquare!

Innym miejscem, które w dużej mierze opiera się na druku 3D, jest IdeaSquare w CERN. Jest to warsztat poświęcony łączeniu społeczeństwa z nauką, w którym młode umysły mogą wykazać się kreatywnością, podobnie jak naukowcy w CERN. Spotkaliśmy tam Dinę Zimmermann, inżynier strukturalną z Norwegii, która jest odpowiedzialna za prototypowanie. Pokazała nam, jak druk 3D ma realny wpływ na różne eksperymenty.

© CERN – Linear Electron Accelerator for Research (CLEAR)

CERN to nie tylko Wielki Zderzacz Hadronów, ale także inne akceleratory cząstek. Jeden z nich, o nazwie CLEAR, robi coś niesamowitego: wykorzystuje wiązkę promieniowania do namierzania i niszczenia komórek nowotworowych, oszczędzając przy tym zdrowe tkanki.

Ale oto prawdziwe wyzwanie: podczas całego eksperymentu napromieniowane próbki komórek muszą zostać szybko wymienione, bez ciągłego włączania i wyłączania wiązki. W przypadku promieniowania bezpieczeństwo ludzi jest najwyższym priorytetem. Aby temu zaradzić, zespół CLEAR stworzył inteligentnego robota, który może wymieniać próbki bez zatrzymywania wiązki. Oszczędza to dużo czasu i zapewnia wydajność eksperymentów. Pudełka na próbki zostały wydrukowane w 3D przez Dinę z IdeaSquare.

W ten sposób robot wymienia próbki

Druk 3D umożliwia tworzenie uchwytów na próbki o różnych kształtach i rozmiarach.

To jest wydrukowany w 3D model inteligentnego robota CLEAR.

IdeaSquare współpracuje również z innymi zespołami. Jeden z nich, VITO, wykorzystuje magnetyczny rezonans jądrowy do badania jonów metali i biomolekuł. Jest to trudne, ponieważ muszą pracować z płynnymi próbkami w warunkach wysokiej próżni. Otwieranie i zamykanie sprzętu w celu wymiany próbek wymaga czasu.

Inżynierowie z CERN wymyślili więc sprytne rozwiązanie. Zaprojektowali specjalny uchwyt na ciekłe próbki i wykorzystali drukarkę 3D do wykonania kapilary o średnicy 8 mm. Pozwala to na szybką wymianę próbek bez przerywania eksperymentów.

Kapilara jest wydrukowana z żywicy na drukarce Original Prusa SL1.

CERN to znacznie więcej

Jak widzisz, CERN to miejsce nieskończonych możliwości. Nasza eksploracja wykorzystania druku 3D jest tylko namiastką tego, co dzieje się w tej instytucji. Drukarki 3D Original Prusa są obecne w różnych działach, od konserwacji i IT, po zaplecze badawcze.

© CERN – komputery

Imponujące jest to, że pomimo wszystkich zaawansowanych możliwości badawczych, jakimi dysponują, naukowcy i inżynierowie w CERN cenią druk 3D za jego elastyczność.

„Druk 3D pozwala naukowcom i inżynierom szybko tworzyć prototypy i przesuwać granice tego, co możliwe” – mówi Dina.

Jonas podziela tę opinię.

„Chociaż moja praca mogłaby być wykonywana bez druku 3D, byłaby wolniejsza i znacznie trudniejsza” – dodaje Jonas.

W ten sposób nasza wizyta w tej światowej klasy placówce naukowej dobiega końca, ale nie całkiem. Przywieźliśmy ze sobą małą pamiątkę dla każdego – drukowalny model detektora CMS, istotnego elementu Wielkiego Zderzacza Hadronów. Możesz go od teraz znaleźć na Printables.com. Mamy nadzieję, że spodoba Ci się ten mały kawałek nauki na pamiątkę naszej podróży. Jo natychmiast umieścił go na wystawie…

Jakub Kmošek, Štepán Feik oraz Jakub Fiedler