Amerikanen bouwen Superlab

Vooruitgang in het vlak van wetenschap en onderzoek stelt steeds hogere eisen. Vooral aan de laboratoria waarin experimenten en metingen worden gedaan. Dit speelt vooral op terreinen als nanotechnologie, biotechnologie, onderzoek naar halfgeleiders en metrologie (de leer van maten en gewichten). Om exacte metingen te doen en zeer gevoelige experimenten uit te voeren willen wetenschappers in bun laboratoria controle hebben over omgevingsfactoren als vibraties, temperatuur, luchtvochtigheid, elektromagnetisme, stroomfluctuaties en concentraties van deeltjes in de lucht.

BLIJFT EEN LITER

Hoe nauwkeuriger de metingen en experimenten moeten worden uitgevoerd, hoe meer controle onderzoekers over de omgeving willen hebben. Dat betekent dat de laboratoria die tien of twintig jaar geleden zijn gebouwd niet langer aan de hoogste eisen voldoen. In de nanotechnologie worden nu afstanden gemeten van 1 tot 100 nanometer (een nanometer is een miljoenste van een millimeter). De kleinste trillingen kunnen een meting totaal in het honderd laten lopen. Het bouwen van moderne laboratoria vereist dan ook erg veel knowhow en een zeer nauwe samenwerking tussen de architecten, ingenieurs en aanne- mers die een lab bouwen en de wetenschappers die het gaan gebruiken.

Op 21 juni 2004 werd in Gaithersburg, in de Amerikaanse staat Maryland, het nieuwe Advanced Measurement Laboratory (AML) van het NIST in gebruik genomen. 'Het NIST is het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology, de overheidsinstelling die sinds 1901 in de Verenigde Staten belast is met het ontwikkelen van standaarden voor wetenschappelijk onderzoek en standaarden voor het meten en produceren van allerlei industriele en commerciele producten. Dankzij het NIST is een liter melk in Californie net zoveel als een liter melk in New York en past een moer die in Texas is gemaakt altijd op een bout die in Chicago is gefabriceerd. Anno 2004 meten de medewerkers van bet NIST echter niet de dikte van moeren en bouten, maar de afstanden tussen atomen, de dikte van laserstralen, de hoeveelheid elektronen in een stroompuls en de tijd in miljoenste delen van seconden. De laboratoria van bet NIST die in de jaren zestig van de vorige eeuw zijn gebouwd, voldeden daarom allang niet meet aan de eisen die vandaag aan de meest geavanceerde laboratoria worden gesteld. In de jaren negentig werd daarom besloten meer dan 200 miljoen dollar uit te trekken voor bet bouwen van een nieuw laboratorium dat bet meest geavanceerde in zijn soort moest worden.

 
LABORATORIA

ZWEVEN OP LUCHT

Het Advanced Measurement Laboratory van het NIST bestaat uit vijf vleugels die samen een oppervlakte van bijna 50.000 vierkante meter in beslag nemen. In deze vijf vleugels, die rusten op stalen funderingen, zijn 338 herconfigureerbare labmodules ondergebracht. Om maximale controle te hebben over vibraties en temperatuur zijn de twee vleugels waarin metrologisch onderzoek wordt gedaan, volledig onderaards gebouwd. De betonnen vloeren van deze vleugels bevinden zich twaalf meter onder de grond. De twee bovengrondse vleugels worden gebruikt voor her ontwikkelen van precisie-instrumenten. De vijfde vleugel is de 'nanofabrication facility' - een Class 100/lS0 5 clean room - met een oppervlakte van 8.500 vierkante meter.

Om trillingen zoveel mogelijk te beperken kregen de laboratoria betonnen cassettevloeren die op luchtveren rusten (cilinders gevuld met lucht) waarin de druk door een computer pneumatisch kan worden aangepast. De luchtveren onder de vloer dempen vooral trillingen met lage frequenties. Onder de zware betonnen tafels in deze laboratoria bevinden zich opnieuw luchtveren die als schokbrekers de trillingen met hogere frequenties absorberen. In het hele laborarorium kunnen hiermee de trillingen worden beperkt tot 3 micrometer per seconde. Er zijn dan nog eens zevenentwintig laboratoriummodules waarbinnen de trillingen beperkt kunnen worden tot 0,5 micrometer per seconde. In aIle 'general purpose' laboratoria kan de temperatuur worden gecontroleerd binnen een marge van een kwart graad Celsius. Daarnaast zijn er zesendertig waarin de temperatuur tot op 0,1 graad nauwkeurig kan worden beheerst. De muren en plafonds van deze labs zijn gemaakt van dubbele staalplaten met daartussen een dikke laag isolatiemateriaal. Ten slotte zijn er voor erg temperatuurgevoelige experimenten nog eens twaalf labs waarin temperatuurschommelingen tot plus of min 0,01 graad Celsius beperkt kunnen worden. In deze laboratoria worden onder meer experimenten gedaan met laserstralen die niet goed gefocust kunnen worden wanneer de temperatuur langs de lengte van de straal varieert.

KAMERS OP AARDE

Om de temperatuur te controleren zijn op verschillende plaatsen in elk laboratorium thermistors geplaatst. Dat zijn zeer gevoelige elektronische sensoren waarin een elektrische weerstand met de temperatuur van de omgeving varieert. Deze thermistors, die hun data doorgeven aan een computer die de airconditioning beheert, zijn door bet NIST zelf gekalibreerd met een tolerantie van plus/min 0,003 graden Celsius. AIle laboratoria zijn exact twaalf meter hoog, maar de bovenste drie meter daarvan zijn gereserveerd voor de systemen die de temperatuur, de vochtigheid en de kwaliteit van de lucht regelen.

De luchtkwaliteit in het gebouw, met name het aantal vaste deeltjes in de lucht, wordt beheerst door 16 HEPA-eenheden (HEPA staat voor high efficiency particulate air). Volgens gegevens van het NIST is de lucht in bet hele gebouw duizend keer zo schoon als de lucht in de oudere laboratoria. Het aantal deeltjes per liter schommelt tussen 70.000 en 100.000. Voor de Nanofabrication Facility, waar het kleinste stofje onder een microscoop duizenden deeltjes onzichtbaar kan maken, is dat uiteraard onvoldoende. In deze clean room is het aantal deeltjes gereduceerd tot 3,5 deeltjes per liter lucht. De lucht wordt hier 300 keer per uur door het HEPA- systeem gefilterd. De luchtvochtigheid kan door bet hele gebouw worden beheerst binnen marges van plus 5 procent tot min 5 procent. In sommige laboratoria zelfs tussen plus 1 procent en min 1 procent.

Uiteraard heeft het laboratorium zijn eigen stroomvoorziening. Die levert bijzonder 'schone' elektriciteit. Pieken en dalen in de stroomaanvoer, die instrumenten en experimenten kunnen ontregelen, zijn uitgesloten. Veel instrumenten en laboratoria zijn bovendien ingepakt om ze tegen elektromagnetische straling te beschermen. Dit is noodzakelijk als we bedenken dat het NIST werkt met apparaten die al ontregeld raken door de ontsteking van een bougie in een auto die een kilometer van het gebouw is verwijderd.

 HIER WORDT

DE TOEKOMST GEMAAKT

Het ontwerpen en bouwen van het hele complex was voor aIle betrokkenen een hightech experiment op zich. Het Advanced Measurement Lab is volgens Ahmad Soueid, een van de architecten van HDR Architecture, zowel een proeftuin voor nieuwe bouwtechnieken als voor nieuwe mechanische systemen. De architect en de opdrachtgever moesten de aannemers ervan overtuigen dat her iiberhaupt mogelijk was een gebouw op te trekken dat aan de zeer strenge

specificaties van her NIST zou voldoen. Architecten, aannemers, leveranciers en wetenschappers werkten al in de ontwerpfase samen bij het ontwerpen van proeflaboratoria. Uiteraard werden die eerst met een computer gesimuleerd. Daarna werden deze ontwerpen in de computer blootgesteld aan allerlei simulaties waarin trillingen, temperatuurschommelingen en andere variabelen werden gemanipuleerd. Hierna werden de ontwerpen aangepast en werden 'mock-up' labs, prototypes op ware schaal, gebouwd. In deze 'mock-ups' konden allerlei materialen en controlesystemen worden uitgeprobeerd. Pas daarna tekenden de architecten her definitieve ontwerp van het gebouw.

Een bijzondere, en enigszins paradoxale, uitdaging voor de bouwers was wel dat alle apparatuur die nodig is om zaken als vibraties, temperatuurschommelingen, etc. te controleren, zelf ook weer vibraties en warmte veroorzaakt. De meeste mechanische systemen in het gebouw zijn dan ook ingepakt in dikke lagen glasvezel, sommige ervan beschikken over een eigen warmteafvoer om ongewenste beïnvloeding door de omgeving te voorkomen. Waar dat nodig is zijn deze systemen ook voorzien van trillingsdempers.

 
Als het meest geavanceerde metrologisch instituut ter wereld is het NIST belast met het ontwerpen van standaarden en procedures die ruim baan moeten maken voor de wetenschappelijke en technologische ontwikkelingen van de toekomst. 'We moeten altijd aan de top van de piramide staan,' zegt Hratch Semerjian, directeur van NIST. In het verleden moesten de wetenschappers van het NIST eerst een complexe omgeving bouwen - dozen in dozen in dozen in ...- waarbinnen ze betrouwbare metingen konden doen. Nu kunnen ze al die energie meteen besteden aan het uitvoeren van de eigenlijke metingen en experimenten. Veel wetenschappers hebben eindelijk hun droomhuis gevonden. .