Mezinárodní výzkumné laserové centrum ELI

Mezinárodní výzkumné laserové centrum ELI Beamlines (ELI je zkratka pro anglický název programu Extreme Light Infrastructure) je architektonicky i technicky složitá budova, ve které bude v roce 2017 spuštěn nejvýkonnější laser na světě. Cílem projektu ELI je vybudování infrastruktury pro základní a aplikovaný výzkum s využitím nové generace laserů. Kapacita zařízení bude krátkodobě pronajímána mezinárodním vědeckým týmům na základě odborného posouzení předložených návrhů na experimenty a bude tedy poskytována pro široké spektrum činností, dopředu jen obtížně předvídatelných. Projekt ELI Beamlines představuje významný posun ve využití laserové technologie a věříme, že bude přínosem pro vědu v českém i celosvětovém měřítku.

Komplex laserového centra ELI se nachází v Dolních Břežanech, středně velké obci poblíž jižního okraje Prahy. Pro výstavbu byly využity dlouhodobě zanedbané a kontaminované pozemky bývalého zemědělského družstva. Jedná se tak o úspěšnou regeneraci brownfieldu v bezprostřední blízkosti centra obce. Součástí realizace jsou i rozsáhlé parkové úpravy, které společně s navazujícími projekty dopravní infrastruktury a dalších budov v okolí zlepšily kvalitu veřejného prostoru mezi obecním úřadem, zámkem a hřištěm a umožňují nová pěší propojení napříč dříve uzavřeným areálem. Nové venkovní osvětlení a bezbariérové uspořádání okolí vědecké instituce má za cíl zatraktivnění lokality nejen pro návštěvníky centra, ale také pro obyvatele přilehlých částí obce.

 

Nový vědecký kampus tvoří soubor sedmi staveb – kancelářská budova, multifunkční budova (kde je umístěn přednáškový sál, učebny, knihovna a v budoucnosti se v ní bude nacházet i jídelna pro zaměstnance), vstupní atrium, laboratorní budova, laserová budova a objekt technologie chlazení a hospodářství technických plynů. Jen samotná budova pro laserové technologie se rozkládá na ploše větší, než je velikost fotbalového hřiště. Promyšleným přístupem k projektu se architektům z mezinárodní kanceláře Bogle Architects podařilo rozčlenit rozsáhlý stavební program tak, aby bylo možné měřítko stavby co nejlépe přizpůsobit jejímu okolí. V návaznosti na tuto základní myšlenku je každá z budov opatřena fasádou z jiného materiálu. Jako sjednocující prvek byla navržena venkovní bílá vodorovná konstrukce z oceli a hliníku, která uspořádáním stínicích lamel v letním období pozitivně ovlivňuje teplotu uvnitř i v nejbližším okolí stavby a zároveň vizuálně odkazuje ke krátkým přímým laserovým pulsům vznikajícím uvnitř jejích laboratoří.

 

Hlavním vstupem do centra ELI je vysoké prosklené atrium, přístupné i pro veřejnost. Jedná se o reprezentativní prostor s prosklenými výtahy, schodištěm a lávkami, které ve všech patrech propojují kancelářskou a multifunkční budovu. Uvnitř obou těchto budov jsou umístěna menší vnitřní atria umožňující setkávání zaměstnanců a návštěvníků. Denní světlo jimi prochází přes všechna patra až do přízemí. Zároveň jsou do nich orientovány prosklené stěny zasedacích místností a kuchyněk. Toto uspořádání je výsledkem naší snahy o vytvoření příjemného pracovního prostředí při respektování požadavku na budovu s klasickými buňkovými kancelářemi pro dva až osm pracovníků.

Technicky nejnáročnější částí díla je budova pro laserové technologie s experimentálními laboratořemi. Budova je navržena tak, aby vyhovovala vysokým prostorovým, technickým a bezpečnostním nárokům. Jedním z klíčových požadavků byla mechanická stabilita. Svazky laserových paprsků budou po budově vedeny s extrémní prostorovou přesností. Mezi zdrojem a cílovou komorou, vzdálenými od sebe po trase svazku laserového světla řádově stovky metrů, je po konečném jemném nastavení zrcadel v lomových bodech požadována maximální odchylka dráhy svazku paprsků od středu terče 50 μm, a to po 99 % doby trvání modelového čtyřhodinového pokusu. Pro úspěšné fungování celého zařízení je nutné, aby byly vyloučeny vlivy, které by mohly zapříčinit pohyb nosné konstrukce, ke které budou kotveny jednotlivé optické komponenty laserových systémů.

 

Z tohoto důvodu je významná část budovy umístěna v podzemí, přímo na předem otestovaném rostlém skalním podloží, bez vložení pružných vrstev. Vzhledem k extrémním požadavkům laserové technologie na ochranu před působením vibrací a pro odstínění elektromagnetického a ionizujícího záření emitovaného v průběhu některých experimentů jsou nosné stěny a stropy uvnitř i po obvodu laserové budovy navrženy jako masivní těžké železobetonové konstrukce, až 1,6 m silné. Součástí stínicích opatření jsou také monolitické konstrukce z betonu s garantovanou minimální objemovou hmotností. Pro ochranu cenného vnitřního vybavení je podzemní obvodová část stavby opatřena dvěma navzájem nezávislými systémy izolace proti spodní vodě. Samotná nosná železobetonová konstrukce je odolná proti průsaku vody (velmi dobré výsledky zkoušek byly popsány v časopise Stavebnictví 08/2015), k tomu je navíc provedena druhá nezávislá vrstva povlakové hydroizolace z asfaltových pásů.

 

Laserová budova je ojedinělá také z hlediska tepelných izolací, při jejichž návrhu se nepostupovalo běžným způsobem podle tepelně-technických požadavků. Rozhodujícím kritériem byla teplotní stabilita železobetonové konstrukce, opět daná nadstandardními požadavky na mechanickou stabilitu kotevních bodů drah laserových svazků. Pro omezení vlivu teplotní roztažnosti na celkové deformace konstrukce statici z firmy Němec Polák, s.r.o., vypočetli maximální rozdíl teplot na vnitřním a vnějším povrchu masivních obvodových monolitických stěn cca 7 °C. Na tuto hodnotu byly následně navrženy tloušťky tepelných izolací, a to téměř dvojnásobné oproti požadavkům tepelně-technické normy. Ve fázi realizace stavby se detailně prověřoval i vliv kotev fasádního obkladu na teplotní pole v jejich okolí, aby bylo prokázáno, že výše uvedený rozdíl teplot nebude překročen ani lokálně.

 

Prostupy v nosné konstrukci velkých průřezů (až cca 10 m²) pro TZB a vědeckou technologii jsou ve velké míře vyplněny bloky z vysokohustotního betonu, který v kombinaci s PE granulátem v menších prostupech zabraňuje šíření zbytkové radiace z experimentálních laboratoří. Prostory před vstupy do experimentálních místností jsou ze stejného důvodu doplněny stínicími labyrinty, vyzděnými také z vysokohustotních betonových bloků. Samotné dveře a velkoformátová vrata do experimentálních prostor jsou celokovové a zajišťují odstínění elektromagnetických pulzů (EMP). Jejich šíření z experimentálních laboratoří zabraňují rovněž voštinové filtry na všech rozvodech vzduchotechniky, plastové mezikusy na kovových trubních rozvodech, EMP filtry na všech metalických kabelech i ve svítidlech, kovové trubkování ve stínicích monolitických stěnách, to vše doplněno rámovým modulovým systémem těsnění prostupů. Betonářská výztuž s profily až 32 mm á 100 mm je hustou sítí provařování zapojena do zemnicí soustavy budovy, okolo každé laboratoře tak vzniká samostatná stínicí Faradayova klec.

 

Experimentální a laserové laboratoře mají velikost menších hal. Běžně je jejich půdorysná plocha cca 33 × 18 m při světlé výšce 4,9 m, některé jsou ještě větší. Pro usnadnění očekávané manipulace s velkými břemeny, např. zrcadlovými komorami, částmi cílových komor apod., je každá halová laboratoř vybavena vlastní podvěšenou jeřábovou dráhou s nosností jeřábu od 1,5 do 5 t. Stejně jako všechna ostatní elektronická zařízení v experimentálních laboratořích jsou i jeřáby navrženy jako odolné vůči účinku elektromagnetického pulzu.

 

Specializované prostory v laboratorní a laserové budově jsou přístupné pouze úzké skupině uživatelů na základě jejich pravidelně aktualizovaných přístupových oprávnění. S výjimkou hygienických zařízení a místností pro úklid jsou do přístupového systému zahrnuty prakticky všechny dveře v celém komplexu, kterých je dohromady bezmála 650. Do bezpečnostního a přístupového systému jsou zapojena také další zařízení, jako jsou vjezdové závory, vstupní turnikety, šatní skříňky apod. Přístupový systém umožňuje pro každého jednotlivého uživatele vybaveného čipovou kartou nastavit individuální režim přístupu do vybraných místností, a to včetně časového omezení. Velká pozornost musela být věnována také koordinaci bezpečnostních požadavků na přístup s požárně-bezpečnostními požadavky na únik v případě vyhlášení požárního poplachu a v neposlední řadě i na požární zásah jednotek HZS.

 

Velké nároky jsou kladeny také na udržování optimálních parametrů vnitřního prostředí. Pro provoz laserů je požadováno čisté prostředí s omezeným počtem částic ve vznosu, jelikož prachové částice by mohly v případě ulpění na zrcadlech ve zlomových bodech dráhy paprsku při provozu laseru zahořet a povrch zrcadel zničit. Parametry čistého prostředí odpovídají třídám ISO 8 – ISO 5 ve smyslu skupiny norem ČSN EN ISO 14644. Svazky laserových paprsků budou proto navíc v rámci instalace vědecké technologie uzavřeny do těsných dvouplášťových ochranných pouzder, ve kterých bude strojním podtlakem udržováno vakuum. Tím se dá předejít negativním vlivům částic obsažených ve vzduchu na laserový paprsek. V místnostech s lasery je také s vysokou přesností kontrolována teplota (±0,5 °C), vlhkost (±5 %) a přetlak vůči sousedním místnostem (odstupňování je řádově po jednotkách Pa). Vstupy do čistých prostor jsou navrženy výhradně přes přechodové komory, vybavené v některých případech vzduchovými sprchami. Čistému prostředí a jeho údržbě je přizpůsobena povrchová úprava všech podlah, stěn, stropů a výplní otvorů.

Pro laboratorní budovu a laserovou budovu jsou instalována vzduchotechnická zařízení o celkovém průtoku vzduchu cca 1,6 mil. m³/hod. Z toho cca 1 mil. m³/hod je výkon cirkulačních VZT zařízení, která v čistých prostorech zajišťují požadovanou čistotu prostředí cirkulací vzduchu přes hepa filtry. Tato zařízení zajišťují také úpravu teploty a vlhkosti podle požadavků v konkrétním prostoru. Množství a velikosti jednotlivých čistých prostor v projektu ELI jsou enormní, celkový objem čistých prostor je cca 43 000 m³. Vzduchotechnický systém je pro udržování přesných tlakových poměrů vybaven referenčním potrubím nulového tlaku rozvedeným po celé budově. Vzduch se upravuje v centrálních cirkulačních vzduchotechnických jednotkách, anebo v lokálních cirkulačních zařízeních. Regulace výkonu chladičů vzduchotechnických jednotek umožňuje rychlou a citlivou reakci na změny tepelné zátěže.

 

V laserové budově je ochrana proti požáru zabezpečena aktivním systémem detekce požáru, který sítí trubek nasává vzorky vzduchu ze střežených prostor a přivádí je k laserovému detektoru v hlásiči kouře. Vzhledem k požadavkům na stínění elektromagnetických pulzů jsou tyto hlásiče umístěny odděleně, mimo střežený prostor v chráněném prostoru řídicích místností.

 

V experimentálních halách je navrženo chlazení vědecké technologie demineralizovanou vodou, která je upravována reverzní osmózou. Voda v okruhu přímého chlazení laserové technologie je ochlazována přes deskový výměník napojený z centrálního zdroje chladu. Ten je umístěn v samostatném objekt u technologie chlazení. Potrubí okruhu chladicí demivody je vyrobeno z nerezové oceli AISI 316L. Chlazení je navrženo tak, aby v případě výpadku napájení ze sítě při probíhajícím experimentu bylo možné bezpečně dochladit připojenou vědeckou technologii.

 

Pro účely použití při plánovaných experimentech jsou po budově z centrálních zdrojů rozvedeny běžně využívané technické plyny a rozvody vakua, které jsou společně s chladicí vodou, silnoproudou a optickou kabeláží vyvedeny v laserových a experimentálních halách do speciálních skříní se sdruženými koncovými body, určených pro napojení hostujících uživatelů při sestavování experimentů. Jedná se o unifikované rozhraní mezi trvale instalovanou technologií budovy a vybavením vědeckých týmů, které bude osazeno vždy krátkodobě podle sestavení pokusu. Na tyto skříně, pro které se vžil název service HUB, navazují speciální skříně s požární odolností pro skladování tlakových lahví s příležitostně používanými technickými plyny.

 

Celý projekt TZB navrhla firma PBA International Prague s.r.o., za využití moderního 3D modelování. Modely konstrukce budovy, vakuových rozvodů a dalších vědeckých technologií vytvořil technologický tým Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, v.v.i. Detailní stavební výkresy zpracovali architekti a stavební inženýři ve 2D. Společnou platformou pro koordinační model TZB byl program Revit 2015, do kterého byly importovány ostatní modely včetně 2D výkresů.

 

Použití 3D modelování umožnilo koordinovat i klientem dodávané systémy vakua i další zařízení a navrhnout přesně s nulovou chybovostí všechny potřebné otvory a prostupy v nosných 1,0–1,6 m silných železobetonových stěnách, což bylo pro úspěch celého projektu velmi důležité. 3D model upravený pro prohlížení na přenosných zařízeních využívaly při montáži systémů TZB téměř všechny subdodavatelské firmy. V tuzemských podmínkách se jednalo o jeden z prvních velkých stavebních projektů, kde bylo 3D modelování s úspěchem přeneseno do praktického života na stavbě.

Projektové práce byly zahájeny ve druhé polovině roku 2009. Příprava území probíhala od podzimu 2012. Celý areál byl zkolaudován v prosinci 2015. Stavba byla financována z veřejných zdrojů, konkrétně z 85 % z prostředků operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace a z 15 % z rozpočtu Ministerstva školství. Jelikož je celé zařízení experimentální a většina instalované laserové technologie je svého druhu prototypem, bylo po celou dobu navrhování i výstavby nutné přizpůsobovat stavbu pokrokům v souběžném vývoji laserů. Projektový i realizační tým se společně domnívají, že se jim i přesto podařilo s úspěchem dodat technicky mimořádně složité dílo s mnoha v České republice ojedinělými paramentry, které se povedlo skloubit s vysokou funkční a estetickou kvalitou. O úspěchu svědčí mimo jiné řada ocenění, včetně významného mezinárodního uznání v podobě vítězství v MIPIM Awards 2016.

 

Celý článek naleznete v archivu čísel 03/2017.