V znanosti je včasih presenetljivo veliko truda namenjeno temu, da bi ustvarili nič. Konec septembra leta 2006 je tovarno MAN DWE, ki leži neposredno na levem bregu Donave v nemškem mestu Deggendorf, zapustila cepelinu podobna kovinska konstrukcija. Namenjena je bila v bližnje mesto Karlsruhe. Čeprav sta si mesti na zemljevidu oddaljeni le 400 km, je njena pot trajala 63 dni in obsegala 8600 kilometrov. Svojo pot po Donavi je naprava pričela na ladji Tajfun, na prvi resnejši izziv pa naletela že ob prečkanju nemško-avstrijske meje 5. oktobra, kjer je z zgolj 7 centimetrov razlike uspela smukniti pod mostom čez kanal ob hidroelektrarni v Jochanesteinu. Pot je ladjo nato nesla mimo Dunaja, Bratislave, Budimpešte, Vukovarja, Novega Sada, vse do delte Donave v Romuniji. Tam so 31. oktobra kovinsko konstrukcijo preložili na morsko ladjo Annegret, ki je zapustila romunsko pristanišče Constanta in se odpravila čez Črno morje, skozi Bosporsko ožino in Dardanel v Egejsko morje. Med plovbo po Sredozemskem morju je ladjo Annegret zajelo neurje, močni vetrovi pa so odtrgali zaščitno ponjavo, ki je varovala kovinsko konstrukcijo. V pristanišču Augusta pri Sirakuzah na Siciliji so 6. novembra konstrukcijo ponovno preložili. Tokrat na ladjo Svenja, ki je brez večjih zapletov zaplula mimo Gibraltarja, nato pa še mimo Portugalske, Španije in Francije, do Rotterdama. Od tam se je plovba nadaljevala po reki Waal do Rena in se končala pri nemški vasi Leopoldshafen, kjer je 25. novembra zjutraj konstrukcijo pričakal orjaški žerjav – eden od samo dveh dovolj velikih v vsej Evropi – in jo premaknil na tovorno vozilo, ki je čakalo v pristanišču. Zadnji, 7 kilometrov dolgi etapi je sledila množica navdušencev in radovednežev, ki so spremljali, kako se je ogromna konstrukcija za las izogibala hišam, preden je prispela na cilj do tedanjega Raziskovalnega centra v Karlsruheju. Zakaj takšen ovinek? S svojimi 200 tonami teže in 10 metrov premera na najširšem delu je bila konstrukcija prevelika in pretežka, da bi lahko potovala po cestah, zaradi njene posebne namembnosti pa je ni bilo mogoče prepeljati po delih.
Ta velika kovinska konstrukcija predstavlja srce eksperimenta KATRIN, namenjenega meritvi mase nevtrinov. V njej se skriva spektrometer, s katerim bi znanstveniki radi čim bolj natančno določili vrednost mase ene izmed osnovnih vrst delcev, za katero je še 20 let nazaj veljalo, da je ta delec sploh nima. Pred nekaj leti so na podlagi različnih eksperimentov dokazali, da nevtrini maso imajo, za kar je bila leta 2015 tudi podeljena Nobelova nagrada za fiziko, zdaj pa bi radi to količino tudi natančno izmerili.
Poleg občutljivega spektrometra, ki išče te zelo izmuzljive delce, je posebnost konstrukcije tudi ta, da mora biti za uspešno delovanje spektrometra komora, v kateri je nameščen, čim bolj prazna. Da bi se izognili vplivu drugih delcev, je v komori treba vzpostaviti ultravisoki vakuum. Iz nje je treba izčrpati ves zrak, do te mere, da preostanek delcev ustvarja tlak, ki je za bilijonkrat manjši od običajnega zračnega tlaka, kar je podobno tlaku, ki bi ga izmerili na površju Lune.
Orkester črpalk
Beseda vakuum, ki izvira iz latinskega pridevnika »vacuus« (»prosto« ali »prazno«), označuje prostor brez snovi. Ker popolnega vakuuma ni mogoče doseči, s to oznako imenujemo tudi prostor s tlakom, ki je veliko nižji od atmosferskega. V enem kubičnem centimetru zraka pri atmosferskem tlaku je približno 1019 molekul zraka, pri tlaku 1·10-7 pascala (Pa), kjer se začne ultravisoki vakuum, pa »le še« 10 milijonov. Razlika v gostoti delcev je podobna, kot če bi Blejsko jezero izpraznili do te mere, da bi ostalo za eno vedro vode, 500.000 kapljic iz tega vedra pa bi skakljalo po prvotnem volumnu jezera.
Danes znamo v laboratorijih ustvariti različne stopnje vakuuma. Kako dober vakuum lahko vzpostavimo, je odvisno od zmožnosti tesnjenja vakuumskih komor in zmogljivosti ter iznajdljivosti pri črpanju vakuumskih sistemov. Da vakuumske komore dobro tesnijo, morajo biti varjene na poseben način, izdelane pa morajo biti tudi iz posebnih vrst nerjavnega jekla. Za pritrditev oken in druge opreme je treba uporabljati bakrene tesnilke. Izdelava tovrstnih posod je zato draga in že manjša komora, ki ni večja od kotla za kuhanje golaža, lahko hitro stane več kot večji družinski avto.
S posodo, ki dovolj dobro tesni, pa se delo šele prične. Iz komore je treba izčrpati čim več snovi. Da bi to dosegli, moramo nanjo priklopiti set različnih vakuumskih črpalk, ki so primerne za doseganje različnih stopenj vakuuma. Črpanje se začne z rotacijskimi črpalkami, ki postopoma zajemajo in iztiskajo zrak iz vakuumskega sistema. Z njimi lahko dosežemo tlak reda velikosti 1 Pa, kar je 100.000-krat manj od zraka, kot smo ga vajeni. Na tej stopnji postane preostali zrak že tako redek, da ga tovrstne črpalke ne zmorejo več izčrpavati. Pri spremembi tlaka se namreč spremeni tudi obnašanje delcev. Če se je sprva zrak v komori še obnašal kot viskozna tekočina, se z nižanjem števila delcev v prostoru situacija močno spremeni. Ko tlak pade pod 0,1Pa in prestopimo mejo visokega vakuuma, si lahko predstavljamo, da se delci v komori gibljejo kot skokice, ki se odbijajo od sten zelo velike škatle. Črpalka mora v tej fazi počakati, da se molekule odbijejo v njeno grlo, podobno kot čakamo, da kroglica najde pot iz bobna pri žrebanju lota. Zato potrebujemo t. i. turbomolekularne črpalke, ki s pomočjo veliko majhnih hitro vrtečih se lopatic odbijajo posamezne delce iz komore in nam omogočajo, da dosežemo tlak okoli 1·10-6 Pa.
Ko iz komor izčrpamo večino zraka, nam jo zagode še vodna para, ki se je prijela na notranje stene in z njih zelo počasi »hlapi«, s tem pa viša tlak v sistemu. Da bi vodno paro hitreje odstranili, moramo tako običajen vakuumski sistem kakšen dan ali dva segrevati nad temperaturo 100 °C. S pregrevanjem lahko znižamo tlak za še en velikostni red in tako preidemo v režim ultravisokega vakuuma. Pogled v laboratorij z ultravisokovakuumsko (UVV) opremo na hitro izgleda kot pakirnica čokolade – vse je ovito v aluminijasto folijo, ki pomaga pri enakomernem segrevanju vakuumskega sistema z grelniki.
Do še nižjih stopenj vakuuma nam pomagajo črpalke, ki na različne načine ujamejo in zadržijo preostale delce. En takšen primer so plošče, ohlajene na temperaturo tekočega vodika ali tekočega helija, ki ima temperaturo zgolj 4 °C nad absolutno ničlo. Ko atomi in molekule trčijo ob ohlajene plošče, se nanje prilepijo oziroma na njih na neki način zamrznejo. S takšno vrsto kriočrpalk delcev torej sploh nismo vzeli iz posode, temveč smo tlak uspeli znižati že s tem, da smo ustavili njihovo gibanje.
Da izvemo več, sprva potrebujemo manj
S pomočjo opisanih postopkov je mogoče doseči tlake tudi pod 1·10-9 Pa. To je za običajen laboratorij že zelo nizek tlak, a še vedno daleč od vakuuma v medgalaktičnem prostoru. Zrak se z oddaljevanjem od Zemlje sicer postopoma redči. Vesolje se po definiciji začne na razdalji 100 km od Zemlje. Na tej je še vedno prisoten tlak okoli 0,1 Pa. Na razdalji 400 km od površja Zemlje, na kateri krožijo nekateri sateliti in mednarodna vesoljska postaja, je tlak že veliko nižji. Še vedno pa je prisotnih toliko delcev, da se zaradi njihovega upora mednarodna vesoljska postaja postopoma ustavlja, njeno približevanje Zemlji pa večkrat na leto preprečujejo s popravljanjem orbite. Ko potujemo iz Zemljine orbite v vesolje, se gostota delcev še niža. V medgalaktičnem prostoru pa je v povprečju le še nekaj atomov vodika na kubični meter.
Ves opisan laboratorijski postopek zniževanja tlaka od atmosferskega do ultravisokega vakuuma s pomočjo črpanja in pregrevanja je zelo zamuden. Pri običajnem vakuumskem sistemu v laboratoriju lahko postopek, skupaj z ohlajanjem, traja tudi štiri ali pet dni. V primeru vakuumskega sistema LHC (Large Hadron Colider) trkalnika v CERNu, ki je, s skupno dolžino cevi 104 km, eden največjih UVV sistemov na svetu, pa lahko samo obdobje črpanja traja več kot dva tedna.
Če se vmes kaj zalomi in je treba kaj v sistemu popraviti, vanj zopet vstopi zrak. To hkrati pomeni ponovitev celotnega postopka ustvarjanja vakuuma. Premikanje reči po vakuumski komori je zato lahko zelo stresno, predvsem za začetnika. Za premikanje vzorcev od komore, v kateri pripravimo vzorec, pa do mikroskopa ali kakšne druge analizne naprave znotraj vakuumskega sistema, je treba uporabljati posebne naprave. To so prenosne palice, vakuumske pincete in drugi pripomočki, ki na različne načine prenesejo gibe operaterja iz zunanjosti v notranjost komor, ne da bi jih bilo treba odpreti. Izkušnja je podobna lovljenju plišastih igrač z žerjavom v zabaviščnem parku. Pri tem pa brnenje orkestra črpalk ne pomaga. Slušalke za dušenje zvoka so lahko zato med daljšimi eksperimenti v tem okolju res dobre prijateljice.
Ves ta trud, dovršena tehnologija in zapleteni postopki, ki omogočajo doseganje ultravisokovakuumskih (UVV) pogojev, so izrednega pomena za ogromno število znanstvenih raziskav, predvsem na področju fizike osnovnih delcev, atomske fizike, pa tudi fuzije ter znanosti o nanomaterialih. Pri študijah površin materialov na atomski skali znanstveni poskusi zahtevajo kemično čisto površino vzorcev brez neželenih adsorbatov. Pri tlaku približno 1·10-4 Pa se namreč površina v zgolj eni sekundi povsem prekrije s kontaminacijo, zato so za natančne analize potrebni pogoji z veliko nižjim tlakom. Pri tlaku 1·10-7 Pa se ta čas podaljša na več kot eno uro, pri tlaku 1·10-9 Pa pa na 37 ur. Dodati velja še, da orodja za preiskavo strukturnih in kemijskih lastnosti (površin) materialov, ki za svoje delovanje uporabljajo ionske ali elektronske snope, brez UVV pogojev sploh ne bi mogla delovati. Brez vakuuma tudi ne bi bilo elektronskih mikroskopov, masnih spektrometrov, današnje sofisticirane proizvodnje računalniških čipov, in nenazadnje energetsko učinkovitih troslojnih oken ter dobro zapakirane domače salame. Še dobro, da za zadnjo zadošča že manj zmogljiva rotacijska črpalka ali po domače – sesalnik.