2/2015

TTY osallistuu CERNin uuden hiukkaskiihdyttimen käyttövarmuuden suunnitteluun

Seppo Virtasen ryhmä

 

Kone- ja tuotantotekniikan professori Seppo Virtanen (keskellä) sekä hänen tutkimusryhmäänsä kuuluvat väitöskirjatutkijat Imran Khan Douzi,  Arto Niemi ja Jussi-Pekka Penttinen ja auttavat Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERNiä arvioimaan uuden hiukkaskiihdyttimen toiminnan luotettavuutta ja minimoimaan sen käyttöön liittyviä riskejä jo suunnitteluvaiheessa.

 

Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERN suunnittelee rakentavansa uuden ja supertehokkaan hiukkaskiihdyttimen Geneven lähelle Sveitsiin. Professori Seppo Virtasen tutkimusryhmä auttaa CERNiä minimoimaan hiukkaskiihdyttimen käyttöön liittyviä riskejä jo suunnitteluvaiheessa.

Syvälle maan alle Genevenjärven läheisyyteen rakennettu ja vuonna 2008 käyttöön otettu ympyränmuotoinen Large Hadron Collider (LHC) on maailman suurin ja tehokkain hiukkaskiihdytin. LHC-hiukkaskiihdytin on ainoa paikka maailmassa, jossa pystytään tuottamaan maailmankaikkeuden alkuhetkistä tietoa antavia Higgsin hiukkasia. 27 kilometrin mittaisessa kiihdytintunnelissa törmäytetään kaksi vastakkaista protonisuihkua toisiinsa voimakkaalla 14 teraelektronivoltin energialla.

Hiukkaskiihdytin sijaitsee Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä. CERN aikoo tehostaa hiukkaskiihdyttimen toimintaa entisestään, mutta parin kymmenen vuoden kuluttua sekään ei enää riitä huippututkimuksen tarpeisiin. Siksi CERNin pitkän tähtäimen tavoitteena on rakentaa osittain Genevenjärven alle valtava uuden sukupolven hiukkaskiihdytintunneli, jonka ympärysmitta on 80–100 kilometriä.

Uuden ja nykyistä paljon tehokkaamman hiukkaskiihdyttimen avulla tutkijat CERNissä haluavat päästä käyttämään ennennäkemättömän suurta 100 teraelektronivoltin suuruista törmäysenergiaa. Sen avulla saadaan paljon tarkempaa tietoa Higgsin hiukkasesta, pimeästä aineesta ja muista maailmankaikkeuden taustalla olevista ilmiöistä. Lisäksi voidaan tehdä myös uusia kestävään energiantuotantoon liittyviä keksintöjä.

Käyttövarmuus on kaiken A ja O

Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERN

  • Maailman suurin ydinfysiikan tutkimuskeskus
  • Perustettu 1954
  • Sijaitsee Ranskan ja Sveitsin rajalla lähellä Geneveä
  • 21 jäsenvaltiota
  • Työllistää noin 2 250 henkilöä
  • Vuosittain tuhansia vierailevia tutkijoita
  • CERNin Large Hadron Collider-hiukkaskiihdyttimessä on löydetty Higgsin hiukkanen
 

Koska vain yksi miljoonasta törmäyksestä tuottaa Higgsin hiukkasia, on tärkeätä että törmäyksiä tuotetaan mahdollisimman paljon. Hiukkaskiihdytintä pitää voida käyttää keskeytyksettä ympäri vuorokauden.

– Kun nykyinen LHC-hiukkaskiihdytin otettiin käyttöön syyskuussa 2008, alkuvaiheessa ilmeni paljon yllättäviä vaurioita, joista aiheutui pitkiä käyttökatkoja ja huoltoseisokkeja. Käyttövarmuus ja riskien hallinta ovat siksi CERNille olennaisen tärkeitä asioita uutta hiukkaskiihdytintä suunniteltaessa, kertoo TTY:n kone- ja tuotantotekniikan professori Seppo Virtanen.

CERNissä onkin käynnistetty nelivuotinen, Future Circular Collider (FCC) -tutkimusohjelma, johon osallistuu maailman johtavia tutkimuslaitoksia ja valmistajia. Kyseessä on toteutettavuustutkimus, jossa analysoidaan ja arvioidaan tarkasti tulevan hiukkaskiihdyttimen rakentamiseksi tarvittava infrastruktuuri, kiihdyttimen erilaiset käyttökonseptit sekä uusien teknologioiden soveltamiseen tarvittavat tutkimus- ja kehitysohjelmat ja kustannukset. Työ on tarkoitus saada valmiiksi vuoden 2018 loppuun mennessä.

Työkaluja luotettavuuden suunnitteluun ja riskienhallintaan

CERN on valinnut professori Virtasen ja hänen tutkimusryhmänsä toteuttamaan FCC-tutkimushankkeeseen olennaisesti kuuluvan RAMS (Reliability, Availability, Maintainability and Safety) Study -osaprojektin.

– Nelivuotisessa RAMS Study -projektissa me kehitämme CERNin fyysikoiden ja insinöörien käyttöön todennäköisyyspohjaisia suunnittelu-, simulointi- ja laskentatyökaluja, joilla he voivat arvioida hiukkaskiihdyttimen luotettavuutta, käytettävyyttä, huollettavuutta sekä turvallisuutta. Näiden työkalujen avulla cerniläiset pystyvät todentamaan ovatko ratkaisut sitä luokkaa, että uusi hiukkaskiihdytin on toteutettavissa teknisesti ja taloudellisesti, Virtanen selittää.

Seppo Virtanen

 

Seppo Virtanen tunnetaan maailmalla investointiprojektien varhaisessa vaiheessa toteutettavan RAMS-suunnittelun asiantuntijana ja yhtenä alan parhaista huippututkijoista maailmassa.

 

Virtanen on tutkinut teknisten järjestelmien luotettavuuden suunnittelua ja riskien hallintaa jo 1990-luvun puolivälistä lähtien. Virtanen tunnetaan maailmalla investointiprojektien varhaisessa vaiheessa toteutettavan RAMS-suunnittelun asiantuntijana ja yhtenä alan parhaista huippututkijoista maailmassa.

Virtanen on kehittänyt todennäköisyyspohjaisia järjestelmä- ja palvelusuunnittelun menetelmiä, joissa yhdistetään tietotekniikkaa ja älykkäitä kunnossapitojärjestelmiä riskien ja elinkaaren hallintaan. Menetelmiä käytetään muun muassa energia-, elektroniikka-, sellu- ja paperiteollisuudessa. Hän on tehnyt toteutettavuusarvioita niin Posivan käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituslaitoksesta kuin Statoilin, Procter & Gamblen, Wärtsilän, Koneen ja Cargotecin tapaisten kansainvälisten teollisuusyritysten suurista investointiprojekteista.

Virtanen kutsuu tutkimusryhmästään FCC-projektiin valittua nelihenkistä ryhmää Dream Teamiksi.

– Suomessa olemme johtava tutkimusryhmä luotettavuuden suunnittelun ja riskienhallinnan alueella, ja meidät tunnetaan hyvin myös maailmalla. Tavoitteeni on, että TTY:stä tulisi yliopistona yksi maailman johtavista tutkimusyhteisöistä tällä alalla, Virtanen sanoo.

Valttina valmis mallinnus- ja analyysiohjelmisto ELMAS

RAMS-projektiin sisältyy Virtasen mukaan kolme isoa ja vaativaa osa-aluetta.

– Aluksi valmistelemme yhtenäisen menettelytavan käyttövarmuusanalyysien toteutukseen laajan mittakaavan investointihankkeissa. Tätä lähestymistapaa käytämme nykyisen hiukkaskiihdyttimen käyttövarmuuden parantamiseen. Lopuksi selvitämme käyttövarmuuden kannalta nykyisen teknologian skaalattavuutta ja uuden teknologian sovellettavuutta uuteen hiukkaskiihdyttimeen. Lisäksi koulutamme CERNin asiantuntijoita soveltamaan todennäköisyyspohjaisia suunnittelu-, simulointi- ja laskentatyökaluja järjestelmien RAMS-vaatimusten ja -suorituskyvyn selvittämiseen ja määrittelyyn.

Professori Virtasen tutkimusryhmässä alkunsa saanut TTY:n tamperelainen spin-off-yritys Ramentor vaikutti Virtasen mukaan merkittävästi siihen, että hän ja hänen tutkimusryhmänsä tulivat valituiksi RAMS-projektin vastuulliseksi toteuttajaksi.

Vuonna 2006 perustettu Ramentor on kehittänyt ELMAS (Event Logic Modelling and Analysis Software) -ohjelmiston, jonka avulla voidaan suunnitella ja hallita järjestelmien käyttövarmuutta ja arvioida riskejä suunnittelun varhaisesta vaiheesta käytöstä poistoon asti.

Lähtökuopissa Geneveen

Virtasen tutkimusryhmään kuuluva tutkija Arto Niemi on valittu suuresta joukosta hakijoita CERNin jatko-opintotutkijaksi. Toukokuussa Sveitsin-pestinsä aloittava Niemi tekee väitöskirjatutkimuksensa CERNissä Virtasen vetämässä RAMS-projektissa. Tohtorintutkintonsa hän suorittaa TTY:ssä.

– On mahtava asia, että pääsen mukaan CERNiin. Se antaa vertailupohjaa siihen, mikä on tutkimuksen taso maailmalla, Niemi sanoo.

Arto Niemen lisäksi RAMS-projektissa työskentelee kaksi muuta Virtasen tiimiin kuuluvaa väitöskirjatutkijaa, Jussi-Pekka Penttinen ja Imran Khan Douzi.

– CERNissä tehtävän perustutkimuksen avulla saadaan mielenkiintoista tietoa siitä, millaisia fysikaalisia ilmiöitä on maailmankaikkeuden taustalla. Mutta ihan käytännön tuloksia ajatellen tärkeitä ovat ne teknologiasovellukset, joita luodaan CERNin tekemän perustutkimuksen mahdollistamiseksi, Niemi huomauttaa.

Hyvä esimerkki käytännön sovelluksista on internet. Ensimmäisen www-sivun kehitti CERNissä tutkijana työskennellyt Tim Berners-Lee, joka ymmärsi sovelluksen hyödyn CERNin tutkimustuloksia laajemmalle yleisölle levitettäessä. Myös elektroniikan ja satelliittien säteilysuojausta on Niemen mukaan pystytty kehittämään CERNissä tehdyn tutkimustyön avulla.

Yhteistyötä laajalla rintamalla

TTY ja CERN tekevät monenlaista yhteistyötä useassa eri projektissa.

Innovaatioiden hyödyntämistä

– CERN on yhteiskunnallisesti merkittävä tutkimuskeskus, jossa kehitetään uusia teknologioita, joilla on laajaa teollista hyödyntämispotentiaalia. Hyvänä esimerkkinä voi mainita vaikkapa kiihdyttimen ilmaisinteknologiat, joita on hyödynnetty lääketieteellisessä kuvantamisessa, kertoo teollisuustalouden professori Saku Mäkinen TTY:n teollisuustalouden laitokselta.

Mäkinen työskentelee CERNissä TTY:n ja Helsingin yliopiston Fysiikan tutkimuslaitoksen (HIP) teknologiaohjelman johtajana. HIP koordinoi Suomen CERN-yhteistyötä sekä suomalaisten tutkijoiden ja opiskelijoiden vierailuita CERNissä.

Mäkisen erikoisalueena CERNissä on edistää kehitettyjen teknologioiden hyödyntämistä ja innovaatioiden kaupallistamista.

– Teen läheistä yhteistyötä muun muassa tutkijoiden, teollisuuden, CERNin Knowledge Transfer -ryhmän sekä CERNin IdeaSquaren kanssa.

Suprajohdemagneetteja ja niiden suojausjärjestelmä

Tutkijatohtori Antti Stenvall TTY:n sähkötekniikan laitokselta vetää EuCARD2-projektia, jossa kehitetään uutta hiukkaskiihdytinteknologiaa CERNille. Projektissa jatko-opiskelija Erkki Härö rakentaa demoversiota korkean lämpötilan suprajohdemagneeteista. Ne ovat ainoa tapa, jolla isoissa kiihdyttimissä voidaan tuottaa hiukkaset kiihdyttimen ympyräradalla pitävä magneettikenttä.

Stenvallilla on alkamaisillaan myös CERNin Future Circular Collider -tutkimukseen liittyvä European Circular Collider (EuroCirCol) -projekti, joka on saanut EU:n Horizon2020-rahoitusta. Nelivuotisessa projektissa suunnitellaan hiukkaset ympyräradalla pitävien kaksinapaisten magneettien suojausjärjestelmä. Projektin tutkijana toimii jatko-opiskelija Tiina Salmi, jonka väitöskirja valmistuu piakkoin.

– Suurin hyöty CERNin kanssa tehtävistä projekteista on kansainvälistyminen ja mahdollisuus olla mukana kehittämässä maailman kalleinta tutkimusinfrastruktuuria korkeatasoisessa tutkimusympäristössä, Stenvall sanoo.

PURESAFE -tohtorinkoulutusohjelma (Marie Curie ITN)

Professori Jouni Mattila TTY:n hydrauliikan ja automatiikan laitokselta koordinoi vuoden 2015 alussa päättynyttä, kansainvälistä PURESAFE-tohtorinkoulutusohjelmaa (Marie Curie ITN), johon muun muassa CERN ja TTY osallistuivat. PURESAFE oli ensimmäinen suomalaisen yliopiston koordinoima Marie Curie Initial Training Network -ohjelma. Kolmivuotinen projekti rahoitti yhteensä viiden TTY-läisen jatko-opinnot, joihin sisältyi muun muassa tutkijavierailuja CERNissä. Imran Khan Douzi on yksi viidestätoista tutkijasta, joka osallistui PURESAFE-projektiin.

– Ensimmäisenä heistä väitöskirjansa teki Hector Martinez Landa, jonka kehittämää lisätyn todellisuuden sovellusta on käytetty CERNissä. Sinne suunniteltiin videokuvaa ja virtuaalisuutta hyödyntävä opastusjärjestelmä Large Hadron Colliderin keskeisen osan vaihtamista varten, Mattila kertoo.

 

Teksti: Leena Koskenlaakso
Kuva: Mika Kanerva

 
Kerro kaverille
Säätiöpääoman tuotoilla rakennetaan tulevaisuutta
Säätiöpääoman tuotoilla rakennetaan tulevaisuutta
2/2015
Säätiöpääoman tuotoilla rakennetaan tulevaisuutta
VTT ja TTY mukaan fuusioenergian robotiikkasopimukseen
VTT ja TTY mukaan fuusioenergian robotiikkasopimukseen
2/2015
VTT ja TTY mukaan fuusioenergian robotiikkasopimukseen
Aurinkosähköä älyverkkoon
Aurinkosähköä älyverkkoon
2/2015
Aurinkosähköä älyverkkoon
Nanosellusta uusia markkinoita
Nanosellusta uusia markkinoita
2/2015
Nanosellusta uusia markkinoita
Joukkoistaminen mullistaa teollisten yritysten toimintatapoja
Joukkoistaminen mullistaa teollisten yritysten toimintatapoja
2/2015
Joukkoistaminen mullistaa teollisten yritysten toimintatapoja
Luotettavan tietokoneohjelman tekeminen on mahdollista, mutta ei kannata
Luotettavan tietokoneohjelman tekeminen on mahdollista, mutta ei kannata
2/2015
Luotettavan tietokoneohjelman tekeminen on mahdollista, mutta ei kannata
LUMATE-tiedekerhosta wau-fiiliksiä
LUMATE-tiedekerhosta wau-fiiliksiä
2/2015
LUMATE-tiedekerhosta wau-fiiliksiä
Pelitutkija kehittää uusia menetelmiä matematiikan oppimiseen
Pelitutkija kehittää uusia menetelmiä matematiikan oppimiseen
2/2015
Pelitutkija kehittää uusia menetelmiä matematiikan oppimiseen
Tiedon valoon!
Tiedon valoon!
2/2015
Tiedon valoon!
Marianne Poulsen: Otatko vastuun omasta työstäsi ja pysytkö uteliaana?
Marianne Poulsen: Otatko vastuun omasta työstäsi ja pysytkö uteliaana?
2/2015
Marianne Poulsen: Otatko vastuun omasta työstäsi ja pysytkö uteliaana?
Uudet puhdastilat TTY:lle
Uudet puhdastilat TTY:lle
2/2015
Uudet puhdastilat TTY:lle

Tampereen teknillinen yliopisto on teknologisen kehityksen tiennäyttäjä sekä tutkimusmaailman ja elinkeinoelämän yhteistyökumppani. Yliopistosta valmistuu haluttuja osaajia yhteiskunnan eri aloille.

Käyntiosoite:
Korkeakoulunkatu 10,
33720 Tampere

Postiosoite:
PL 527, 33101 Tampere

Puhelinvaihde:
03 311 511
ma–pe kello 8–16.15
kesällä ma–pe 8–15.45

Virallinen sähköpostiosoite:
tty.asiointi@tut.fi