Under en snart tjugofemårig period som forskare har Dan Anderson och Mietek Lisak haft ett intensivt yrkesmässigt samarbete. Det är därför naturligt at presentera deras aktuella forskning inom plasmafysik, ickelinjär optik och mikrovågsöverslag i gaser i en gemensam intervju.
Deras strategi består i ett aktivt försök att inte dela upp ämnesområden, och de ser en styrka i att kunna diskutera prestigelöst med varandra. Samtidigt är de noga med att påpeka vikten av att öppenhet råder i hela forskargruppen.
– Det är helt klart att vi åstadkommit mer genom att arbeta ihop än vi skulle ha gjort var och en för sig. Tyvärr är det ganska ovanligt i forskarvärlden, trots att man har mycket att vinna både i det dagliga arbetet i forskargruppen och vid handledning av doktorander. Jag skulle gärna se att det uppmuntrades av det akademiska systemet. Det allra roligaste är ju att studenterna verkligen uppskattar vårt arbetssätt, säger Mietek Lisak.
– Jag tror att vårt samarbete också bidragit till att många av våra tidigare doktorander blivit så framgångsrika. De är spridda runt om i världen på olika företag och universitet, och det är ju naturligtvis en stor fördel för oss i våra internationella kontakter, säger Dan Anderson.
Forskningen går ut på att ta fram fysikalisk-matematiska modeller för ickelinjära fenomen inom elektromagnetik. I korthet innebär ickelinjära fenomen att de elektromagnetiska egenskaperna hos mediet, det kan vara vatten, luft eller något annat material, inte bara bestäms av mediet självt utan även påverkas av det elektromagnetiska fältet. Om man tänker sig fenomenet i vatten, skulle ickelinjära vågor vara sådana som påverkar sina egna utbredningsegenskaper i vattnet, vilket bland annat kan leda till att vågorna bryter.
Tidigare betraktades dessa fenomen som mycket svåra att analysera, men en matematisk teori för ickelinjär vågutbredning som presenterades i slutet av 1960-talet innebar ett genombrott. Ickelinjära effekter har idag stor betydelse för många olika tillämpningar inom modern naturvetenskap och teknik.
Ett tillämpningsområde är plasmafysik, som handlar om egenskaperna hos materiens så kallade fjärde tillstånd: joniserad gas, det vill säga plasma. Plasmafysikaliska fenomen är i sin tur centrala inom forskningen om fusion som energikälla. Inom detta tillämpningsområde startade Dan Anderson och Mietek Lisak sin forskarbana och parallellt med nya intressen håller de fortfarande fast vid sin bakgrund.
– Sverige har en lång tradition inom plasmafysikforskning, mycket tack vare nobelpristagaren Hannes Alfvéns forskning om plasmafysikaliska fenomen inom astrofysik. Denna kunskap har sannolikt legat till grund också för Sveriges framgång vad gäller fusionsforskning, säger Mietek Lisak.
Redan under 1950-talet fanns allmänt stora förhoppningar om att kunna använda fusion som energikälla. De omfattande tekniska svårigheterna ställde dock till problem. Men när Dan Anderson och Mietek Lisak startade sin forskningsverksamhet hade kunskapsuppbyggnaden tagit ett stort steg framåt.
– Då var det full fart, fast tyvärr visade sig uppgiften med fusion som energikälla vara mycket tekniskt komplicerad. Utvecklingen till en fungerande fusionsreaktor har därför tagit längre tid än man först trodde. Man kan likna det vid att försöka bygga ”en sol på jorden”, säger Mietek Lisak.
Genomskärningsbild av den föreslagna experimentreaktorn ITER, som är tänkt att bli en gemensam internationell forskningsanläggning. I en fusionsreaktor slås små lätta atomkärnor, exempelvis deuterium och tritium, samman till helium. I reaktorns temperatur på miljontals grader bildas plasma, där atomkärnorna kolliderar med stor hastighet. Då sätts fusionsreaktionen igång och de snabba neutronerna, energibärarna, ger sig iväg från kärnan. Plasmat får inte komma i kontakt med reaktorns väggar utan måste inneslutas. Det heta bränsleplasmat i ITER innesluts med hjälp av magnetfält i det D-formade vakuumkärlet där de energialstrande fusionprocesserna äger rum. Observera personen i nedre kanten som illustrerar storleken av reaktorn.
De båda professorerna är ändå övertygade om att fusion kommer att kunna användas i framtida kraftverk. I så fall finns en fantastisk möjlighet till energiförsörjning för världen.
Även i en fusionsreaktor bildas en viss del radioaktivt avfall, det är framför allt reaktorns inre väggar, mot fusionsplasmat, som blir radioaktiva och måste slutförvaras säkert. Mängden avfall är dock betydligt mindre än i ett vanligt kärnkraftverk som använder fission.
– Halveringstiden är i storleksordningen tiotals år jämfört med 1000 år för fission, och en olycka av typen härdsmälta är inte möjlig. Visst finns ett antal tekniska problem som måste lösas, annars blir det politiskt svårt att gå vidare. Men det är väldigt viktigt att fusionsforskningen fortsätter, det kan mycket väl komma att bli den allra viktigaste energikällan i framtiden, säger Mietek Lisak.
Det handlar om stora ekonomiska satsningar. Hittills finns den största experimentella anläggningen med magnetisk inneslutning, JET, i England. Nästa steg är en ännu större experimentanläggning, ITER, som är planerad sedan många år i ett samarbete mellan Europa, forna Sovjetunionen, Japan och USA.
Mietek Lisak har insikt i det aktuella läget i egenskap av ordförande för Sveriges fusionsforskning inom den europeiska sammanslutningen för atomenergi, EURATOM. Han berättar att USA, på grund av ekonomiska skäl, ville dra sig ur ITER-satsningen. Men nyligen kom ett annat besked.
– I juli 2002 kom positiva signaler från amerikanska energidepartementet, vilket återigen öppnar för ett eventuellt amerikanskt deltagande. Det är ännu inte klart var ITER ska byggas, men Japan, Frankrike, Spanien och Kanada har anmält intresse. I stort upplever jag en mer positiv inställning till fusionsforskning under senare år, säger han.
Man räknar också med att ITER ska ge många andra ”spin-off”-effekter. Till exempel forskning på helt nya material som kan minimera radioaktiviteten i reaktorväggarna.
Mietek Lisak och Dan Anderson säger sig få mycket inspiration och idéer från olika praktiska tillämpningar av fysikalisk teori. Ett exempel är optisk fiberkommunikation, där de var först i Sverige med att studera ickelinjära effekter. Inspirationen var ett amerikanskt experiment 1981, där man visade att de ickelinjära effekterna var väldigt viktiga för överföring av optiska signaler vid höga hastigheter.
– Ett nytt forskningsfält öppnade sig när vi såg att vår kunskap kunde användas i ett helt annat sammanhang, så trots att vi egentligen sysslade med plasmafysik och fusion, började vi arbeta med ickelinjär optik som ett slags biverksamhet. Efter några år var ickelinjär optisk kommunikation ett högaktuellt område, som har stor del i att man nu kan överföra mycket stora mängder information på långa avstånd med hög hastighet, säger Dan Anderson.
Den "optiska yxan", ett exempel på hur man kan manipulera ljus med ljus. Med en stark kontrollpuls splittras en svagare ljuspuls i två delar som "flyger isär". Bilden visar, i en så kallad konturplot, en numerisk simulering av hur pulsen förändras när den utbreder sig (utbredningsriktning uppåt). Horisontell led ger utsträckningen i tiden och färgerna anger ljusintensiteten (röda färger - hög intensitet). Man kan se hur den ursprungliga pulsen delas upp i två delpulser som tidssepareras under utbredning. "Optiska yxan" är Dan Andersons och Mitek Lisaks egen idé och har också verifierats experimentellt.
Han berättar att ytterligare ett nytt intressant optiskt område nu är i fokus. Målet är att kunna styra ljus med ljus, vilket blir allt viktigare idag när mer och mer av elektroniken baseras på ljus och fotoner istället för elektroner. Återigen visade sig grundläggande kunskaper och erfarenheter från plasmafysikforskningen vara mycket användbara.
– För närvarande arbetar gruppen med en modellbeskrivning av partiellt koherent ljus som är väldigt lik den vi använder inom plasmafysiken. Vi har i detta sammanhang börjat diskutera optiska tillämpningar för så kallade inkoherenta pulser och även utarbetat en metod att beskriva dessa. Denna grundläggande forskning har redan väckt stort vetenskapligt intresse och vi hoppas att den på sikt kommer att leda till viktiga tekniska tillämpningar, säger Dan Anderson.
Tidigare kontakter med industrin har gett upphov till ett nytt forskningsområde – mikrovågöverslag – inom forskningsgruppen.
– Mikrovågsöverslag i gaser, till exempel luft, inträffar när mikrovågor vid viss intensitet påverkar luften så att den joniseras, det vill säga det skapas ett plasma. Detta kan medföra att överföringen av mikrovågor i exempelvis radaranläggningar stoppas. Nu har vi en pågående forskning kring detta fenomen, som både innebär att studera dess grundläggande fysik och ta fram numeriska simuleringsverktyg som kan användas inom mikrovågsindustrin, säger Mietek Lisak.
– Överslagen kan ge upphov till tekniska problem och stora kostnader för utslagna mikrovågskomponenter. Ett exempel är om en kraftig förstärkare i en radaranläggning skickar iväg en signal och det blir överslag, då reflekteras signalen tillbaka in i förstärkaren som i sin tur riskerar att gå sönder. Även för mobiltelefonin kan överslag orsaka problem, som till exempel brus och störningar, säger Dan Anderson.
Forskargruppens arbete med mikrovågsöverslag har nyligen även lett till ytterligare ett projekt inom satellitkommunikation. Det bekostas av franskarymdstyrelsen, CNES.
– För första gången bekostar de ett projekt på en högskola utanför Frankrikes gränser. Det är vi förstås stolta över. Projektet handlar just om problematiken med urladdningar och överslag, denna gång i samband med mikrovågskomponenter i satelliter, vilket innebär en intressant vidareutveckling av vår verksamhet, säger Dan Anderson.
Fakta:
ITER = International Thermonuclear Experimental Reactor
JET = Joint European Torus, startade 1983
(Intervjun gjordes 2001 av Sofie Hebrand för skriften Ny kunskap)