Het Nijmeegse laser- en magnetenlab HFML-FELIX verkeert in financieel zwaar weer. Maar welk onderzoek vindt er eigenlijk plaats? En wat kunnen we er als samenleving mee? Vox kreeg een twee uur durende rondleiding in het prestigieuze lab. ‘Kunnen jullie het nog volgen?’

Moleculaire wolken, krachtige lasers en de voormalig sterkste magneet ter wereld: ze komen allemaal aan bod in een uitgebreide rondleiding in het Nijmeegse magneten- en laserlab HFML-FELIX. Dat is gevestigd in een futuristisch ogend pand achter het Huygensgebouw. Promovendi, postdocs en wetenschappers uit de hele wereld doen hier aan fundamenteel en toegepast onderzoek.

Aanleiding van de rondleiding is een artikel over de financiële problemen van het lab dat begin februari op Vox verscheen. Twee jarenlange contracten tussen het lab en wetenschapsfinancier NWO liepen recent af, onderhandelingen over een voortzetting zijn nog niet rond. In tussentijd past de Radboud Universiteit het tekort, dat in de miljoenen loopt, bij. Kamerlid Lisa Westerveld heeft onlangs Kamervragen over het onderwerp ingediend.

Over de onderhandelingen met NWO is op dit moment nog geen nieuws, vertelt HFML-FELIX-directeur Britta Redlich in haar kamer, voor we aan de rondleiding beginnen. ‘We hebben er alle vertrouwen in dat er voor de zomer een oplossing komt’, zegt ze.

‘Ochtendshifts beginnen voortaan pas om zeven uur’

De financiële onzekerheid leidde tot een tweede probleem: een groep medewerkers stapte naar vakbondsvertegenwoordigers van FNV om de hoge werkdruk aan te kaarten. In samenspraak met het management zijn nu stappen gezet om de werkdruk aan te pakken.

Een van die eerste stappen, vertelt HFML-FELIX-managing director Femke Tabak, is dat de shifts waarin onderzoekers de magneten van het lab kunnen gebruiken, zijn aangepast. ‘Ochtendshifts beginnen voortaan niet langer om half zes maar om zeven uur. Binnenkort volgen nog andere maatregelen.’

Knikkers

Maar we waren hier voor een rondleiding. Die begint bij de FELIX-lasers, de afkorting staat voor Free-Electron Lasers for Infrared eXperiments. Voor we de vier echte lasers te zien krijgen, houden we halt bij een schaalmodel. Dat is voor een open dag gemaakt en doet het naar verluidt erg goed bij kinderen – maar een fotograaf en journalist kunnen er ook heel wat van opsteken.

‘Hoppa!’ Redlich mikt een paar knikkers door de speelgoedlaser en legt gelijk de werking uit. De lasers maken gebruik van elektronen die bijna tot aan de lichtsnelheid versneld worden. De elektronen worden door een magneetstructuur gestuurd, waardoor ze gaan wiebelen en licht uitzenden. Denk daarbij niet alleen aan het rode of groene licht van laserpointers, maar aan alle mogelijke kleuren. De kleur of de golflengte van het licht, aldus Redlich, is gemakkelijk te veranderen met de FELIX-lasers. Uiteindelijk dienen ze als een krachtig vergrootglas waarmee wetenschappers hun onderzoeksvragen kunnen beantwoorden.

We volgen Redlich door een beveiligde deur en komen in een soort ondergrondse bunker terecht. Bij werken met relativistische elektronen komt immers straling vrij, vandaar de dikke muren. Maar, stelt Redlich ons gerust: maandag is onderhoudsdag, waardoor er geen straling is. We zijn veilig.

Het FELIX-lab ziet eruit als een gigantische machinekamer en bestaat vooral uit oranje, blauwe en witte draadjes en buizen die de hele ruimte vullen. De buizen die verbonden zijn met de laser lopen door het plafond naar een andere verdieping. Via spiegels in die buizen wordt het licht doorgestuurd naar verschillende kamers, waar onderzoekers ermee aan de slag kunnen gaan.

Moleculaire wolken

We verlaten de lasers en gaan door naar het laserlab. Daar staat Sandra Brünken ons op te wachten. De universitair docent doet onderzoek naar moleculen in moleculaire wolken waar sterren en planeten worden geboren. Haar vakgebied, de astrochemie, bevindt zich op het snijvlak van moleculaire fysica, astrofysica en scheikunde. Tussen een paar computerschermen en apparaten die aan de FELIX-lasers gekoppeld zijn, werkt ze aan een experiment.

Bedoeling van dit onderzoek, aldus Brünken, is een stukje van de ruimte te simuleren, met name interstellaire en moleculaire wolken. ‘We onderzoeken onder andere hoe complexe moleculen gevormd worden’, zegt ze. ‘Welke structuur hebben ze, hoe komen ze bij elkaar, hoe worden ze groter en welke invloed hebben ze in een later stadium op het ontstaan van sterren en planeten?’ Met de FELIX-lasers kan ze de moleculen tot in het kleinste detail bestuderen, legt Brünken uit: door de straling te meten reconstrueert ze hun chemische vingerafdruk.

Na Brünkens heldere uitleg is het lastig om een vervolgvraag te bedenken. Zit de onderzoeker aan haar bureau tijdens haar onderzoek, of moet ze vooral aan de knopjes draaien? Dat hangt van onderzoek tot onderzoek af, legt Brünken uit, en van de fase waarin het zich bevindt. ‘Soms moeten we veel tweaken, maar soms doen we een hele dag data-analyse achter de computer.’

Wederkerigheid

Terwijl Brünken voor de fotograaf poseert, geeft HFML-FELIX managing director Femke Tabak wat meer uitleg over de buitenlandse onderzoekers die gebruikmaken van het lab. Op voorwaarde dat hun academisch onderzoek openbaar wordt gepubliceerd, hoeven ze niet te betalen voor de Nijmeegse faciliteiten. Hetzelfde geldt immers voor Nederlandse onderzoekers die onderzoek doen aan andere Europese laboratoria met een open-access gebruikersprogramma.

Onderzoekers die het lab willen gebruiken, moeten wel deelnemen aan een van de twee oproepen om voorstellen in te dienen die jaarlijks worden uitgeschreven. De beste voorstellen worden geselecteerd door een onafhankelijke en externe jury. Tabak: ‘Ze worden beoordeeld op wetenschappelijke verdiensten en op de vraag of onze apparatuur een toegevoegde waarde voor het onderzoek heeft.’

‘De apparatuur is complex’

In Nijmegen maken de promovendi, postdocs en wetenschappelijke en technische medewerkers van HFML-FELIX de buitenlandse onderzoekers wegwijs in het lab. Hoelang die opleiding duurt, hangt van het experiment in kwestie af. Tabak: ‘De apparatuur is complex, maar gebruikers die vaker terugkomen kunnen er vaak al goed mee werken.’

Hybride magneet

De rondleiding gaat verder in de richting van de magneten van het High Field Magnet Laboratory, kortweg HFML. In 2019 zijn het laser- en magnetenlab gefuseerd. De directeuren zijn zichtbaar trots op de wereldwijd unieke combinatie en het nieuwe wetenschappelijk gebied dat op die manier is ontstaan. ‘Zowel voor de lasers, de magneten als voor de combinatie komen onderzoekers uit de hele wereld naar Nijmegen’, zegt Redlich.

Ondertussen is Uli Zeitler erbij komen staan. Hij is groepsleider semiconductors en nanostructures, wat onder andere betekent dat hij alles van magneten weet. De hoogleraar vraagt of we iets onthouden hebben van de natuurkundelessen in het middelbaar onderwijs. We glimlachen even en staren naar de punten van onze schoenen.

Dus begint Zeitler bij de basis: een magneet maak je door stroom door een spoel heen te jagen. Hoe meer stroom door de spoel wordt gejaagd, des te hoger het magneetveld. Nadeel is dat de spoel hierdoor opwarmt en op een bepaald moment zelfs gaat smelten. Bovendien ontstaan er bij het opwekken van een magneetveld ook grote krachten. Dat fenomeen heet de Lorenzkracht: de krachten van de stroom in een magneet zijn zo groot dat het materiaal ervan uiteindelijk kapotgaat.

Terwijl Zeitler doceert, houdt de directeur van het lab de verslaggevers in de gaten. ‘Kunnen jullie het nog volgen?’, vraagt Redlich.

Een zekere Francis Bitter, gaat Zeitler onverstoord verder, vond een oplossing voor dat probleem. Hij ontwikkelde een spoel met kleine gaatjes in, waar koelwater doorheen wordt gejaagd om de magneet af te koelen. De grote magneten in het HFML-lab maken gebruik van die techniek. Water gaat de magneet in met een temperatuur van 10 graden Celsius en komt eruit met zo’n 40 à 45 graden. Zeitler: ‘Dat water gebruiken we onder andere om het Huygensgebouw te verwarmen, maar dat is een ander verhaal (zie kaderstuk, red.).’

Dan staan we oog in oog met het pronkstuk van het lab: een magneet met een kracht van 38 tesla. In 2014 was dit even de sterkste magneet ter wereld. Maar niet voor lang, zegt Zeitler met een beteuterd gezicht: een maand later hadden de Chinezen al een sterkere magneet ontwikkeld en op dit moment bevindt de wereldrecordhouder zich in het Amerikaanse Tallahassee.

Supergeleiding

Zeitler vertelt over een andere soort magneet: supergeleiding. Dat zijn materialen waar je stroom doorheen kunt sturen zonder dat er weerstand optreedt, waardoor de stroom nooit verloren gaat. Klinkt goed, maar de techniek werkt vooralsnog met conventionele supergeleiders alleen bij temperaturen rond het absolute nulpunt – min 270 graden Celsius – en in magneetvelden van maximaal 20 tesla.

Interessanter, aldus Zeitler, is dat je beide soorten magneten aan elkaar kunt koppelen. Precies daar wordt op dit moment aan gewerkt in het magnetenlab: de koppeling van een gewone magneet van 33 tesla aan een supergeleidingsmagneet van 12 tesla. Dat moet een magneet van 45 tesla opleveren – een evenaring van het wereldrecord voor dit type van magneten. Als het lukt, dan levert het grote mogelijkheden op voor onderzoek naar materialen: hoe sterker de magneet, hoe groter de effecten die je kunt onderzoeken.

Klinkt allemaal heel leuk, maar wat moeten we daarmee?

Zeitler houdt in eerste instantie de boot af. ‘Wij weten normaal van tevoren niet waarom wij dingen doen, wij proberen in de eerste plaats materialen te begrijpen’, zegt hij. De hoogleraar wil vooral een lans breken voor fundamenteel onderzoek: kennis om de kennis, zonder meteen aan concrete toepassingen te denken. ‘Eigenlijk zouden we eerst moeten begrijpen hoe een magneet werkt,’ zegt hij. ‘Zelfs na honderd jaar onderzoek op moleculair niveau begrijpen we dat nog altijd niet helemaal. Als we dat ontcijferd hebben, levert dat vast een hoop nieuwe toepassingen op.’

Toch wil hij een poging wagen om de vraag van de journalist te beantwoorden. ‘Naar de transistoren die in elk mobieltje zitten, gebeurde veertig jaar geleden fundamenteel onderzoek. En wie zweeftreinen, elektrische motoren of elektrische auto’s wil bouwen, heeft sterke magneten nodig.’

Chips

We zijn alweer in een nieuwe kamer terechtgekomen. Op welke verdieping we inmiddels zijn aanbeland, is ons niet meer duidelijk – het lab heeft zoveel trappen, gangen en deuren dat verdwalen niet moeilijk is.

‘De helft van de chips gaat kapot. Dat is normaal in fundamenteel onderzoek’

Zeitler stelt ons voor aan postdoc Oleksandr Zheliuk. Hij doet onderzoek naar een nieuw materiaal voor halfgeleiders, dat op termijn in elektronische chips gebruikt zou kunnen worden. Door de materialen met behulp van een stok in een gat van een kubieke centimeter in het midden van de magneet te plaatsen, kan hij nagaan of de chips werken. ‘De helft van de chips gaat kapot’, legt Zeitler uit. ‘Dat is normaal in fundamenteel onderzoek.’

De postdoc legt uit waarvoor zijn onderzoek bedoeld is: om een standaard te ontwikkelen voor elektronische apparaten in de halfgeleiderindustrie. ‘Mobiele telefoons moeten standaard een bepaalde weerstand hebben’, legt hij uit. ‘Als dat een paar procent meer of minder is, dan wordt het lastig om je telefoon te laten werken. Daarom hebben we een gestandaardiseerde maat nodig.’

Hielprik

De rondleiding zit er bijna op, we bevinden ons opnieuw bij FELIX – een verdieping boven de lasers. Door de ratelende machines is er veel lawaai in het lab. Hoogleraar Molecular Structure and Dynamics Jos Oomens neemt ons mee naar een kleine kamer, waar een paar massaspectrometers staan. Die gebruikt hij om de samenstelling van complexe mengsels zoals bloed, urine of drugs te analyseren. Oomens wil daarbij graag weten uit welke moleculen deze stoffen zijn opgebouwd.

Dat is heel interessant om te weten, vertelt Oomens, terwijl hij molecuulspeelgoed op zijn vingers laat balanceren. Een massaspectrometer is erg nauwkeurig voor de massa maar het instrument vertelt niet hoe atomen precies aan elkaar zitten, en wat de exacte molecuulstructuur is. Daarom maakt hij ook gebruik van de FELIX-lasers. Dankzij de infraroodspectra van de laser weet Oomens pas echt waaruit de stoffen zijn opgebouwd.

Nog voor we naar toepassingen hebben kunnen vragen, vertelt Oomens over een onderzoek naar stofwisselingsziektes dat hij samen met het Radboudumc uitvoert. Bedoeling daarvan is om na te gaan welke stoffen in het bloed of urine van patiënten kunnen wijzen op de aanwezigheid van een bepaalde ziekte. Bij de hielprik worden pasgeborenen in Nederland gescreend op twintig ziektes, terwijl er zeker 1500 van dergelijke ziektes zijn. Maar daarvan is de samenstelling niet bekend. Door Oomens’ onderzoek komt er binnenkort één ziekte bij op die lijst: PDE, voluit Pyridoxine-Dependent-Epilepsy. ‘Als je dat bij de geboorte weet, kan je gelijk met de behandeling daarvan beginnen.’

Datacenters

Niet de eerste keer tijdens de rondleiding zijn we sprakeloos. Dat is ook Redlich niet ontgaan. ‘We wilden vandaag laten zien dat we hier een breed pallet aan onderzoek hebben’, zegt ze. ‘Van het proberen te ontrafelen van supergeleiding tot hele concrete toepassingen als deze.’

‘Misschien kunnen we in de toekomst iets betekenen voor het energiezuinig maken van datacenters’

Redlich noemt het de kracht van haar onderzoeksinstituut: steeds opnieuw inspelen op maatschappelijke ontwikkelingen. De directeur denkt groots. ‘Misschien kunnen we in de toekomst iets betekenen voor CO₂-opslag of het energiezuinig maken van datacenters.’

Twee uur na het begin van de rondleiding staan we opnieuw buiten, het contrast met de bedrijvigheid in het gerenommeerde lab is enorm. De zon, de wolken, de bomen in Park Brakkenstein: meer dan ooit beseffen we dat alles is opgebouwd uit moleculen. En als ze ergens de molecuulstructuur kunnen achterhalen, dan wel in het gebouw achter ons.