Natuurwetenschappelijk Onderzoek vanuit Nederlands perspectief

Transcriptie

1 atuurwetenschappelijk nderzoek vanuit ederlands perspectief Jos Engelen Algemeen Bestuur W en IKEF-UvA Welke zijn de grote vragen? Waar moeten de (natuur)wetenschappen zich op richten? Wat is het belang om daaraan mee te doen? De primaire drijfveer blijft natuurlijk wetenschappelijk enieuwsgierigheid; gefascineerdheid; de ambitie om grenzen te verleggen!

2 The Structure of Matter A hydrogen atom: proton plus electron orbiting around it towards complex structures: heavier atoms Carbon, xygen,... molecules... proteins... DA mm 100,000 times smaller at least another 10,000 times smaller: pointlike towards smaller distance scales and the elementary constituents: fundamental particles and fields and their interactions in the beginning there were only fundamental particles and fields Various very different fields: electromagnetic (between proton and electron); strong (inside proton); weak (very short range) ISPARC Symposium, Eindhoven,

3 nderzoek vanuit de ruimte Een fascinerende ontdekkingsreis naar de oorsprong van het heelal, en het ontstaan van sterren en planeten

4 Van Big Bang naar Big Questions: een fascinerende ontdekkingsreis oe is het heelal ontstaan? Waar is het Universum van gemaakt en hoe evolueert het? oe ontstaan en evolueren sterren, sterrenstelsels en planeten? Zijn we alleen in het Universum? Waar komen we vandaan? Is er leven mogelijk op andere planeten? oe ontstaat en werkt het broeikaseffect? 4

5 SR: het ederlandse ruimteonderzoeksinstituut! ét ederlands expertise-instituut op gebied van ruimteonderzoek (W) ntwerp, ontwikkeling en gebruik van ruimte-instrumenten voor onderzoek aan de natuurkunde van de ruimte en aan de aarde Leidende rol in internationale ruimtemissies (ESA/ASA/JAXA). Combinatie van ultramoderne technologie en wetenschappelijke kennis. 5

6 All aspects of space research are represented at SR: research, design and construction of instruments, and cooperation with other research institutes. ere you can spend eight years working to your heart's content on a single instrument until it's perfect. Where else can you still do that?' 6

7 SR doet het niet alleen. Universiteiten UvA UU ijmegen RUG Leiden TU Delft TU Eindhoven? Wageningen Agentschappen en instituten T KMI ASA ESA JAXA Max Planck Instituten 7

8 nderzoek met satellieten en ruimte-instrumenten Maakt gebruik van satellieten, ruimtevaartuigen en ruimteinstrumenten m straling vanuit het heelal te kunnen detecteren, niet gehinderd door de aardatmosfeer m grootschalige verschijnselen op aarde of planeten vanaf grote hoogte te kunnen bestuderen m gebruik te maken van speciale omstandigheden in de ruimte (gewichtloosheid, luchtledigheid, etc.) 8

9 Werken in de cleanroom van SR 9

10 Welke straling uit het heelal bereikt het aardoppervlak? 10

11 Koele heelal: infraroodstraling Vorming en evolutie van melkwegstelsels, sterren en planeten Missies en bijdragen SR: erschel/ifi Spica/SAFARI 11

12 ete heelal: rontgen- en gammastraling Materie onder extreme omstandigheden (rondom neutronensterren, zwarte gaten) Wat is donkere materie/energie? Astrodeeltjes Missies en bijdragen SR: XMM-ewton/RGS Chandra/LETG ASTR- IX 12

13 Aardatmosfeer Klimaatonderzoek, luchtkwaliteit aarde Missies en bijdragen SR: Envisat-SCIAMACY Sentinel-Tropomi 13

14 Waarom GEE ruimteonderzoek? et is vreselijk duur!! Lancering is duur Team van mensen om satelliet te bedienen Satelliet moet jaren zonder reparatie werken Vijandige omgeving: vacuum, extreem koud/warm, schadelijke kosmische straling, vibratie bij lancering Vicieuze circel: et is duur, => mag niet mislukken, => extra eisen, => nog duurder Maar: Jaarlijkse uitgaven L voor ruimtevaart; 8 per hoofd Vergelijk VS; 50 per hoofd 14

15 Waarom WEL ruimteonderzoek? mdat we onze leefomgeving willen verkennen, gedreven door nieuwsgierigheid Space for society: zeer nuttige toepassingen op Aarde (navigatie, communicatie, materialen enz.) Fundamenteel fysisch onderzoek: nul-g Wakend oog op de Aarde (bijna): klimaatverandering. Luchtkwaliteit, samenstelling aardatmosfeer 15

16 Wat hebben we er aan? Wisselwerking tussen wetenschappelijke inspiratie en technische realisatie Internationale samenwerking; ruimtevaart is duur, projecten duren jaar Ruimtevaart is bron van innovatie; systemen moeten klein, licht en duurzaam worden uitgevoerd en weinig energie verbruiken; meestal moeten volstrekt nieuwe technologieën of meetprincipes worden ontwikkeld. Tech transfer en valorisatie: o.m. platform Teraertz Electronic ptical Systems (TES), miniaturisatie van electronica (ASICs) 16

17 etherlands Institute for Radio Astronomy ASTR - status & future developments - Prof. Michael A. Garrett General Director, ASTR ASTR is part of the etherlands rganisation for Scientific Research (W) ASTR March

18 etherlands Institute for Radio Astronomy Mission statement: Making discoveries in Radio Astronomy happen! ASTR is part of the etherlands rganisation for Scientific Research (W) 18

19 etherlands Institute for Radio Astronomy verall priorities ( ): - Int. LFAR Telescope [build, commission, operate & exploit] - SKA [leading role in Technology, science & policy] - Fundamental research [expansion Astronomy Group] ASTR is part of the etherlands rganisation for Scientific Research (W) 19

20 Int. LFAR Telescope Status Roll-out phase almost complete - some remote sites remain to be identified - all finished in huge success! ASTR is part of the etherlands rganisation for Scientific Research (W) 20

21 Commissioning results are impressive First Science paper in press. BUT - data processing challenges ahead... ASTR is part of the etherlands rganisation for Scientific Research (W) 21

22 V A L R I Z A T I ASTR is part of the etherlands rganisation for Scientific Research (W) S T R E G T I V A T I 22

23 ASTR - project-based forward look SKA2 R&D SKA1 ST& support SKA1 R&D ASTR is part of the etherlands rganisation for Scientific Research (W) 23 23

24 The Structure of Matter A hydrogen atom: proton plus electron orbiting around it towards complex structures: heavier atoms Carbon, xygen,... molecules... proteins... DA mm 100,000 times smaller at least another 10,000 times smaller: pointlike towards smaller distance scales and the elementary constituents: fundamental particles and fields and their interactions in the beginning there were only fundamental particles and fields Various very different fields: electromagnetic (between proton and electron); strong (inside proton); weak (very short range) ISPARC Symposium, Eindhoven,

25 igh Energy A particle accelerated to high energy E can probe interactions down to distances 1/E: λ = 1/E so probing sub-atomic distances requires high energy igh energy E is also required to produce new elementary particles with large mass M: E = Mc 2 Is there still something new to be discovered at smaller distance scales and at higher energies or have we seen it all? We definitely have not seen it all and the LC will allow the next step into new territory: new physics must show up ISPARC Symposium, Eindhoven,

26 ISPARC Symposium, Eindhoven, In 50 years, we ve come a long way, but there is still much to learn gauge x8 q q m qq m ll m Z Z W W g h h m L q q q q l l W ) ( ) 2 )( 2cos 1 ( 4 4 ) ( 2 1,, The unknown rdinary matter The Standard Model

27 Anti-Matter also Supersymmetry? gauge x8 The iggs sector - unknown The Supersymmetric world? ne supersymmetric partner for each standard particle the iggs sector becomes slightly more complicated: 5 supersymmetric iggs bosons 27

28 The Large adron Collider Proton Proton collisions at 7 TeV + 7 TeV Total energy = 14,000 times proton mass 1 billion collisions per second undreds of particles produced per collision n line selection of 100 events per second ff line analysis to find the new physics iggs particle(s); supersymmetric particles; dark matter ; gravity... a program of more than 10 years ahead of us! ISPARC Symposium, Eindhoven,

29 Experimental Particle Physics Get particles to interact and study the resulting products and features. Measure the energy, the direction and the identity of these products as precisely as possible. with thanks to T. S. Virdee ISPARC Symposium, Eindhoven,

30 This Requires. 1. Accelerators : powerful machines that accelerate particles to extremely high energies and then bring them into collision with other particles 2. Detectors : gigantic instruments that record the resulting particles as they stream out from the point of collision. 3. Computers : to collect, store, distribute and analyse the vast amount of data produced by the detectors 4. People : nly a worldwide collaboration of thousands of scientists, engineers, technicians and support staff can design, build and operate the complex machines 30

31 CER Site Large adron Collider 27 km circumference Lake Geneva CMS Totem LCb Moedal ALICE ATLAS LCf 31

32 General Purpose LC Experiments Physics requirements drive the design Analogy with a cylindrical onion: Technologically advanced detectors comprising many layers, each designed to perform a specific task. Many innovations (R&D): Together these layers allow scientists to identify and precisely measure the DSM (0.25 u) electronics (radiation hard) energies/momenta of all the particles produced in collisions. Accordion no crack LAr calorimetry PbW4 calorimetry Large spectrometer magnet systems igh precision, large area Silicon trackers Species of Particles bserved Super TPC Photons, ovel RIC systems Electrons, etc. Muons, Quarks, Gluons (as jets of particles) eutrinos (as missing energy (E T )) 32

33 Transverse cut of an LC Experiment T. Virdee, GridFest 33

34 The Toroidal System of Magnets of ATLAS 34

35 Selection of Interesting Events Cannot possibly extract and record 40 TB/s. Essentially 2 stages of selection - dedicated custom designed hardware processors 40 Mz 100 kz - then each event sent to a free core in a farm of ~ 30k CPU-cores 100 kz few 10 2 z 35

36 Acquiring and Recording Data of Interest 40 Mz CLLISI RATE 100 kz LEVEL-1 TRIGGER 1 Terabit/s (50000 DATA CAELS) 500 Gigabit/s Gigabit/s SERVICE LA Detectors Charge Time Pattern Energy Tracks etworks Computing services 16 Analogy Million channels With 3 Gigacell a 100 buffers Mpix 3-D digital camera 40M shots/sec (of events occurring 1/100 of a ns after the Big Bang) First 1 Megabyte selection EVET reduces DATA this to 100k shots/s Each 200 Gigabyte photo (~ MB) BUFFERS taken Readout in memories ~ 500 different parts - put together using a telecommunications switch EVET BUILDER. A large switching network ( ports) with a total throughput of - analysed in a CPU (in a farm of ~ cores) approximately 500 Gbit/s forms the interconnection between the sources (Readout Dual Port Memory) and the destinations (switch to Farm Interface). The Event Manager collects the status and request of event filters and distributes event building commands nly (read/clear) a to few RDPMs hundred photos stored on mass 5 TeraIPS storage. EVET FILTER. It consists of a set of high ~ 10 PB/year (3 M DVDs/year) performance commercial processors organized into many farms convenient for on-line and off-line applications. The farm architecture is such that a single CPU processes one event Petabyte ARCIVE 36

37 Summary The LC project (the accelerator and experiments) was conceived & designed to attack key questions in particle physics (and science). The LC accelerator and the experiments are unprecedented in complexity and will operate in an unprecedented & hostile environment. Driven by the science many technologies have been pushed to their limits. The Computing Grid is essential for the extraction of science from the LC. The Project has required a long and painstaking effort on a global scale. The accelerator and the experiments are unparalleled scientific instrument(s) - powerful microscopes as well as powerful telescopes. All expectations are that what we find at the LC will reform our understanding of nature at the most fundamental level. nly experiments reveal ature s inner secrets. 37

38 nderzoek op Rijnhuizen Institute for Plasma Physics Rijnhuizen

39 Wetenschap binnen Rijnhuizen Fusion Physics - hoge temperatuur-plasma's - stabiliseren plasma in fusiereactor PSI - wisselwerking tussen reactorwand en plasma in een fusiereactor GUTz nsi - FELIX / FELICE IR-laser, user facility moleculair onderzoek - multilaag-rontgenspiegels voor halfgeleiderindustrie - industriële partners: Carl Zeiss, ASML

40 Fusie - energiebron van zon en sterren nderzoek naar kernfusie als energiebron Lichte atoomkernen smelten samen en produceren energie

41 Internationaal fusie-onderzoek Gericht op bouwen ITER Grootste fusiereactor ooit 10 x meer energie uit dan in alve wereldbevolking: VS, EU, Japan, China, Rusland, India, Zuid- Korea Start experimenten in 2019 Complexer dan LC!

42 nderzoek bij Fusion Physics Rijnhuizen ontwikkelt voor ITER microgolfsysteem om plasma te verhitten en controleren trigger is signaal in nw; feedback in MW state of the art filters

43 nderzoek bij Fusion Physics Rijnhuizen ontwikkelt voor ITER microgolfsysteem: plasma verhitten (tot 150 miljoen o C!) meetinstrumenten om in heet plasma te kunnen kijken

44 nderzoek bij Plasma Surface Interaction ntwikkeling van onderdelen voor ITER bouw van Magnum-PSI opwekken condities ITER-wand slijtage en verzwakking van wandmaterialen voor fusiereactoren interactie tussen wand en plasma opname van waterstof door wandmaterialen

45 Afdeling nanolayer Surface and Interface Physics

46 Afdeling nanolayer Surface and Interface Physics Motivatie snellere computerchips Methode kleinere patronen odig: extreem Ultra Violet (XUV) licht (13,5 nm) Gewone spiegels en lenzen werken niet voor XUV plossing: multilaagspiegel

47 XUV-licht weerkaatsen multilaagspiegel molybdeen silicium Ieder laagje molybdeen reflecteert een klein beetje XUV Als de afstand precies goed is, versterken de gereflecteerde golven elkaar onder één bepaalde hoek Door tientallen laagjes van enkele atomen dik op elkaar te maken heeft Rijnhuizen het wereldrecord XUV-reflectie gehaald (>70%)

48 Afdeling nanolayer Surface and Interface Physics processen multilaagcoater Samenwerking met industrie (Carl Zeiss, ASML) Verbeteren stabiliteit en reflectiviteit spiegels nderzoeken oppervlakte- ASML-wafer stepper met Rijnhuizen-multilagen

49 ano-fotonica oe kun je licht stilzetten? Licht wordt opgesloten in een fotonisch kristal: een regelmatige structuur van gaatjes in silicium. et licht kaatst heen en weer tussen de gaatjes en komt (bijna) tot stilstand: de lichtsnelheid wordt kleiner dan c/1000! cleanroom igh-tech uitdaging: oe maak je extreem kleine gaatjes (< 500 nm) Waarom is het belangrijk? ptische chips voor telecommunicatie Team: Kobus Kuipers (samen met UT)

50 Bio-fysica oe groeit een cel? Met een optisch pincet trekken en duwen we aan de kleine polymeerbuisjes ( microtubili ) die de chromosomen op hun plek houden. iermee leren we beter hoe een cel zich deelt. laserlab igh-tech uitdaging oe pak ik een Bio-molecuul vast? Waarom is het belangrijk? m te begrijpen waarom we ziek worden Team: Marileen Dogterom (samen met WUR, UL, TUD, UL)

51 Energie: oe maak je een dunne (=goedkope) zonnecel Zonlicht komt een zonnecel binnen en wordt verstrooid aan een nanopatroon aan de achterkant en zo opgevouwen in de zonnecel. Daardoor wordt het licht efficienter in elektrische stroom omgezet. igh-tech uitdaging: oe maak je een nanopatroon in een zonnecel Waarom is het belangrijk? Voor een duurzame energievoorziening Team: Albert Polman (samen met UU & EC)

52

53

54

55

56

57

58

59 Self-assembly designated as 1 of the 25 important What we don t know issues Science 309, 95 (2005)

60 What is a Polymer? Colloidal Aggregate van der Waals interactions Macromolecule Covalent bonds (Staudinger) Supramolecular Polymer on-covalent interactions

61 ydrogen bonding unit R C Intramolecular -bond R' R' C R A D A D K dim = M -1 D A life time = 120 ms (CDCl 3 ) D Felix Beijer, Rint Sijbesma A

62 Supramolecular polymers from scientific curiosity to technological relevance Kraton L2203 Shell end-functionalized polymer Synthesis of a simple synthon out of commercially available unit: X Polymer X X = -, C 4 X Polymer X 4 Brigitte Folmer and SupraPolix

63 C 2 * n cell-adhesion peptide GRGDS synergistic peptide PSR PCL 2000 UPy 2 Patricia Dankers, Eva Wisse, Bjorne Mollet 2 2 * n PCL 2000 UPy 2 Modular approach to dynamic biomaterials

64 Living bioactive membranes for kidneys perfusion UPy-membrane nanorods 0.1 mm cells 100 nm Bioactive nanorods 2 n 2 UPy-polymer UPy-hexyl-urea-PCL-urea-hexyl-UPy UPy-peptides Fibronectin Collagen Laminin UPy-hexyl-urea-GGG-GRGDS UPy-hexyl-urea-GGG-PSR UPy-hexyl-urea-GGG-DGEA UPy-hexyl-urea-GGG-YIGSR

65 Koninklijk ederlands Instituut voor Zeeonderzoek et ceanografische Instituut van ederland et IZ is een instituut van de ederlandse rganisatie voor Wetenschappelijk nderzoek

66 Waarom Zeeonderzoek? Enige Feiten: 71 %van het Aardoppervlak bestaat uit ceanen en Zeeën ceanen en kustzeeën zijn daarom van groot belang voor: - Klimaat - Veiligheid - Voedselvoorziening - Transport/scheepvaart - Energiewinning: olie, gas, wind- en getijdenenergie - Recreatie Planeet ceanus 60% van de wereldbevolking woont en werkt in kustgebieden 66

67 nze Missie 1. et verrichten en communiceren van wetenschappelijk onderzoek aan kustzeeën en oceanen voor een goed begrip van het systeem en een duurzame toekomst van onze planeet. 2. et managen van de nationale faciliteiten voor zeeonderzoek. 3. et ondersteunen van onderzoek en onderwijs in de mariene wetenschappen in ederland en in Europa. 67

68 Pijlers van de ceanografie atuurkunde (stromingen van water en deeltjes) Chemie (voedingsstoffen, biochemie van de cel) Biologie (ecologie van virus tot walvis, fysiologie) Geologie (sediment als archief van de zee, vulkanisme) èn hun Interacties 68

69 Wie zijn onze belangrijkste L-partners? Instituten: Centrum voor Estuariene en Mariene Ecologie (wordt medio 2011 onderdeel van het IZ) IMARES(-wur) Deltares Darwin Instituut (Virtueel Inst.; IZ is partner) Willem Barentsz Poolinstituut (idem) Universiteiten (ook: mariene masters opleiding) Universiteit Utrecht Rijksuniversiteit Groningen Vrije Universiteit Amsterdam Universiteit van Amsterdam Radboud Universiteit ijmegen 69

70 Wie zijn onze belangrijkste Internationale partners? Instituten: totaal 24 belangrijke partners; 2 echte toppers : Alfred Wegener Inst. für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven, De ational ceanography Centre, Southampton, UK p landen/regiobasis vooral: De, UK, USA en Afrika Universiteiten: totaal 23 partners; 2 toppers: Universiteit Bremen (De; ook onderwijs EBRC cursus voor promovendi & postdocs) Universiteit Gent, Be p landen/regiobasis vooral: De, Be, UK, Fr, Pt, Se, At (!; groep G. erndl) en Aus/ZL 70

71 nze Multidisciplinaire nderzoeksthema s Kustzeeën (Wadden, oordzee en Delta, Banc d Arguin) pen ceanen (stofkringlopen oceaan i.r.t. grote zeestromingen, verticaal transport van opp. naar diepzee) Dynamische zeebodems (canyons, koudwaterkoralen.atlantische ceaan, moddervulkanen) Zee en klimaat (verleden en heden, Waddenzee tot oceanen, opwarming èn verzuring) Biodiversiteit (in relatie tot functioneren van ecosytemen) 71

72 Waar is het IZ actief? Ronald de Koster voor m.b.v. Google Earth 72

73 oogleraarsbenoemingen (Texel en Yerseke) Carlo eip: Estuariene Ecologie (RUG) en Biogeochemische Cyclci (Univ. Gent) ein de Baar: ceanografie (RUG) Theunis Piersma: Dierecologie (RUG) erman Ridderinkhof: Fysica van sedimenttransport in kustwateren (UU) Leo Maas: Golfdynamica van de oceaan (UU) Jef Zimmerman: Fysische ceanografie (UU) Stefan Schouten: Moleculaire Paleontologie (UU) Jaap Sinninghe-Damsté: Moleculaire Palaeontologie (UU) Jack Middelburg: Geochemie (UU) Jan de Leeuw (emeritus): rganiche Geochemie & Moleculaire Biogeologie (UU) Jaap van der Meer: Populatie ecologie van het mariene Milieu (VU Amsterdam) Geert-Jan Brummer: Paleoceanografie & Geochemie (VU Amsterdam) Tjeerd van Weering (emeritus): Paleoceanografie (VU) & Marine Geosciences International (Univ. Bremen) 73

74 oogleraarsbenoemingen -vervolg Lucas Stal: Mariene Microbiologie (UvA) Rolf Bak (emeritus): Ecologie van tropische koraalriffen (UvA) Peter erman: Estuariene Ecologie (RU) Karline Soetaert: Ecologische modellering (Univ. Gent en Vrije Universiteit Brussel; gasthoogleraar) Filip Meysman: Ecologische modellering (Univ. Gent; gasthoogleraar) Jens Greinert: Mariene Geologie (Univ. Gent; gasthoogleraar) enk van der Veer: Zoology, orth Carolina State University, Raleigh, USA (associate professorship). 74

75 nze onderzoeksvloot Pelagia Luctor avicula Stern Vlet t orntje 75

76 IZ èn L met de Pelagia in FEG; de Europese onderzoeksvloot Aantal schepen per land: Duitsland: 7 Frankrijk: 4 Engeland: 3 Spanje: 4 oorwegen: 4 ederland: 1 (Pelagia) 3 categorieën schepen: Global class cean class Regional class

77 Wat maakt zeetechniek anders dan landtechniek? oge druk Corrosie Koud op de oceaanbodem Instrumenten met lokale energie voorziening Geen radio contact Zeer weinig in de winkel verkrijgbaar Werken op zee Beperkt zicht 77

78 Centrum Wiskunde & Informatica Maart 2011

79 Wetenschappelijke uitdaging Zonder wiskunde en informatica rijden er geen auto s kun je niet mobiel bellen zou internet nooit ontstaan zijn krijgen we in ederland natte voeten moeten patiënten langer wachten in het ziekenhuis reduceert complexiteit

80 Voorbeelden van CWI-onderzoek Levenswetenschappen kanker bestrijden met wiskunde en informatica Aardwetenschappen en energie zuinige energienetwerken met intelligente agenten modelleren van bliksem en plasmatechnologie Maatschappelijke logistiek optimalisering spoorboekje betere ambulanceplanning Data-explosie en learning sterrenatlas van het heelal (met Astron) zelflerende software voor spamfilters Software als service veilige en correcte software voor medische apparatuur 21 spin-off bedrijven voor de ontwikkeling van onderzoekstoepassingen

81 Wapenfeiten CWI Berekeningen van de dijkhoogten van ederland Berekening van de vleugels van de Fokker F 27 ARRA, X1: de eerste computers in ederland Computertalen ALGL 60, ALGL 68, Python: gebruikt door Google en Walt Disney MonetDB database systeem Eerste internetverbinding tussen Europa en de Verenigde Staten.nl eerste niet-militaire internetdomein ter wereld

82 CWI in feiten en cijfers pgericht in 1946 wederopbouw ederland na W2 In 2010 zijn er 210 mensen werkzaam 162 onderzoekers 35% onderzoekers is buitenlands 16% onderzoekers is vrouw 19 onderzoekers gepromoveerd in onderzoekers zijn ook hoogleraar 10 Veni, 8 Vidi, 3 Vici winnaars 1 Spinozaprijs winnaar 17,5 M inkomsten: 12,6 M basis financiering W 4,9 M projectfinanciering

83 oogleraren CWI aan universiteiten eind 2010 Sinds 1946 zijn bijna 200 CWI-ers tot hoogleraar benoemd

84 et CWI heeft circa 200 internationale en nationale onderzoekspartners bij instituten, universiteiten en bedrijfsleven

85 Conclusies!? ebben L onderzoekers de mogelijkheden om volwaardig te participeren in het mondiale grensverleggende wetenschappelijke onderzoek?