antologi

F O R SK ER L IV – L I V I FORSKNINGEN 1 0 F O RT Æ L L I N G E R

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

1

VILLUM KANN RASMUSSEN FONDEN

FORSKERLIV – LIV I FORSKNINGEN © Januar 2009 VILLUM KANN RASMUSSEN FONDEN Redaktør: Videnskabsjournalist Rolf Haugaard Nielsen Redaktionsgruppe: Direktør Kjeld Juel Petersen, fondsråd Lennart Rasmussen og fondsråd Frank Ulmer Jørgensen Layout: Jens Raadal Produktion: Marketingbrokers ApS Omslag: Smike Käszner Oplag: 1.500 1. udgave, 1. oplag 2009 ISBN: 978-87-989285-1-5 VILLUM KANN RASMUSSEN FONDEN Tobaksvejen 10, DK-2860 Søborg Tlf.: (+45) 39 69 11 44 E-mail: fond@VELUX.com www.veluxfondene.dk Trykt af Knudtzon Graphic A/S på FSC mærket papir

4

I N D H O L D

Indhold Forord ······················································································································· 7 Istiden sluttede ekstremt hurtigt ················································································ 8 Dorte Dahl-Jensen Liv - et spørgsmål om fedt ······················································································· 20 Ole G. Mouritsen Fra drøm til virkelighed: En livslang rejse gennem proteinernes verden ··················· 34 Peter Roepstorff Systembiologisk design af nye cellefabrikker ··························································· 50 Jens Nielsen Lyset, vinduet, spejlbilledet og livets molekyler ························································ 64 Karl Anker Jørgensen Katalyse - fra atomart plan til industriel skala ·························································· 74 Jens Kehlet Nørskov Mobilkommunikation – en verdensomspændende succes ······································· 86 Jørgen Bach Andersen Optisk kommunikation – mellem mennesker ··························································· 96 Palle Jeppesen Større frihed giver højere kvalitet – om designoptimering med computeren ··········· 108 Martin Bendsøe Minimalkonstruktioner ·························································································· 120 Erik Reitzel

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

5

6

F O R O R D

Forord Siden 1987 har VILLUM KANN RASMUSSEN FONDEN uddelt ”Villum Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk og Naturvidenskabelig Forskning” til 27 danske forskere, der har udmærket sig med forskning på højt internationalt niveau.

Med denne antologi, der udkommer i anledning af 100-året for Villum Kann Rasmussens fødsel, ønsker FONDEN at lade 10 tidligere legatmodtagere berette om deres forskning over for et bredere publikum. Fonden har bedt forskerne fortælle i jævne ord om deres forskning, om livet som forsker og om betydningen for deres arbejde af, at årslegatet i modsætning til de fleste offentlige forskningsmidler kan anvendes frit i deres forskning.

Det er således mit håb, at de 10 fortællinger i denne bog giver udenforstående læsere et interessant og tankevækkende indblik i forskernes verden. For i den verden arbejder mange dygtige forskere dagligt og målrettet med at aftvinge naturen svar på de mange nye spørgsmål, som den stadigt større viden om naturens fænomener paradoksalt nok giver grobund for. Allerede de gamle grækere forstod jo den enkle sandhed: At desto mere vi ved, desto mere forstår vi, hvor lidt vi ved.

Forskernes indsats folder verden ud for vore øjne. Men der vil bestandigt være meget nyt at forundres over og udforske i den verden, der omgiver os.

Denne bog er således også en hyldest til den samme menneskelige forundring, nysgerrighed og målrettede drivkraft, som lå bag Villum Kann Rasmussens mangeårige virke som opfinder, erhvervsmand og fondsstifter.

For deres bidrag til at hylde og nære forundringen, nysgerrigheden og den målrettede drivkraft skal jeg hermed udtrykke en stor tak til antologiens 10 forfattere.

Lars E. Kann-Rasmussen VILLUM KANN RASMUSSEN FONDEN

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

7

Istiden sluttede ekstremt hurtigt

Af Dorthe Dahl-Jensen Istiden sluttede brat for 11.704 år siden, hvor den atmosfæriske cirku­ lation på hele den nordlige halvkugle ændrede sig fra det ene år til det næste. Blot 50 år senere var klimaet blevet 10 grader varmere i Grønland.

Det viser nye analyser af en iskerne, som er udboret i Indlandsisen.

8

I S K E R N E R

Iskerner, som er udboret ned gennem Indlandsisen på Grønland, er unikke klimaarkiver, der fortæller om fortidens klima og om atmosfærens kemi langt tilbage i tiden.

Analyserne af iskernerne øger vor forståelse af Jordens komplekse klimasystem og medvirker således til at skabe bedre muligheder for at kunne forudsige, hvordan klimaet vil udvikle sig i fremtiden.

De oplysninger om fortidens klima, som vi finder i iskernerne, er ofte overraskende og med til at sætte klimamodellerne på svære prøver. Det gælder ikke mindst for en ny analyse af den seneste udborede grønlandske iskerne, NGRIP. Undersøgelsen viser nemlig, at istiden sluttede ekstremt brat for 11.704 år siden - sandsynligvis på et eneste år!

De første tegn på, at noget stort var i gære begyndte et årti tidligere. I årlagene fra istidens kolde perioder er iskernen fyldt med store mængder støv, som blæser til Grønland fra Kina og Tibet. Men i årene op til istidens afslutning begyndte mængden af støv at falde i den sne, som landede på Indlandsisen. En mulig forklaring er, at monsunbæltet rykkede mod nord, og nedbøren steg, så mere støv blev udvasket fra atmosfæren, inden luftmasserne fra Asien nåede til Grønland. Overgangen til mellemistiden startede altså i troperne og subtroperne, mens klimaet i nord stadig var uændret og bidende koldt.

Så pludselig - fra det ene år til det næste - forandrede den atmosfæriske cirkulation på hele den nordlige halvkugle sig radikalt. Vindmønstrets bratte skift kan måles i iskernen. Vore analyser viser nemlig, at vanddampen, der endte som sne på Indlandsisen, pludselig kom fra et koldere havområde, hvilket sandsynligvis skyldtes, at fordampningsområdet flyttede flere hundrede kilometer mod nord på grund af det ændrede vindmønster. De nye vinde udløste det dramatiske klimaskift mellem istiden og vor nuværende mellemistid.

Måske er vinden kommet fra en anden kant og har blæst havisen i Nordatlanten i stumper og stykker? Måske har vinden medvirket til at kick-starte den varme Golfstrøm, som var svækket i istidens kolde perioder? Hvad der præcist skete, ved vi ikke. Men vore analyser af iskernen viser med sikkerhed, at lufttemperaturen i Grønland steg dramatisk i de årtier, som fulgte i kølvandet på den pludselige ændring i den atmosfæriske cirkulation.

På blot 50 år blev det 10 grader varmere, og den nuværende mellemistid – hvor den menneskelige civilisation for alvor har foldet sig ud - var begyndt.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

Iskerne. Foto: Sepp Kipfstuhl

9

NGRIP lejren i midnatssolen - artiklens forfatter i borehallen – boret på vej til at blive sænket ned i hullet - og en iskerne fra dybet af den grønlandske iskappe. Boret er ti meter langt og kan hente tre meter iskerne op ad gangen. Iskernen har en diameter på ti centimeter

10

I S K E R N E R

11.683 år siden – nuværende mellemistid

11.704 år siden - istiden slutter

Istid – 11.728 år siden

Lufttemperaturen i Grønland tilbage i tiden kortlægges ved at måle forholdet mellem to stabile iltisotoper ned gennem iskernen. Mængden af støv er størst i istidens kolde perioder, f.eks. i Yngre Dryas, den sidste kolde periode lige før istidens afslutning. Den højre side af den viste del af NGRIP iskernen stammer fra Yngre Dryas, de lyse bånd har et højt indhold af støv, idet der omkring støvkornene dannes mange små luftbobler, der får isen til at se lys ud. Efter overgangen til den nuværende mellemistid (markeret med pilen) falder mængden af støv, og isen bliver mørkere. Isen til venstre for midten er fra begyndelsen af mellemistiden, hvor temperaturen i Grønland steg med 10 grader på fem årtier De store iskapper Både Grønland og Antarktis er næsten helt dækket af tykke iskapper, og de to gigantiske ismasser udgør tilsammen mere end 99 procent af al den is, der ligger på land.

Nogle steder er iskapperne over tre kilometer tykke, og de er dannet gennem tusinder af år. Det er sket ved, at lag efter lag af sne er blevet aflejret oven på hinanden år efter år. Når et snelag bliver begravet under nye lag, bliver det efterhånden presset sammen til is under vægten af den sne, som ophober sig ovenpå. På denne måde dannes der et arkiv af is, hvor den ældste is ligger ved bunden og den yngste ved overfladen af iskappen. Når vi udborer en iskerne fra toppen og helt ned til grundfjeldet, indeholder iskernen lag af is fra hvert eneste år. Analyserne af isen giver meget detaljerede oplysninger om klimaet og atmosfærens kemi tilbage i tiden, og iskernerne er derfor helt unikke klimaarkiver. Den ældste is med uforstyrrede årlag, som vi har udboret fra Grønlands Indlandsis, er 123.000 år gammel og stammer fra NGRIP-borestedet i Nordgrønland.

Iskapperne på Grønland og Antarktis er unikke klimaarkiver. De røde prikker markerer placeringen af to iskerner,

NGRIP

som er udboret i de senere år. NGRIP boringen fra Grønland rummer is fra 123.000 år. Iskerner fra Antarktis ræk-

EDML

ker op til 950.000 år tilbage i tiden, men har ikke en lige så høj tidsopløsning. EPICA iskernen fra Dronning Maud Land på Antarktis har gjort det muligt at sammenholde hurtige klimaskift i nord og syd

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

11

DATERING AF ISEN – ÅR FOR ÅR Gennem de senere år har vi dateret NGRIP og de andre grønlandske iskerner med en hidtil uset nøjagtighed – simpelt hen ved at tælle hvert enkelt årlag i isen. Den absolutte kronologi rækker indtil videre 60.000 år tilbage i tiden.

Når det er muligt at tælle årlagene i isen på samme måde som årringe i et træ, skyldes det, at vi kan måle sæsonudsving af en række parametre.

I isen fra det meste af den nuværende mellemistid kan man se årstidernes skiften i selve klimakurven, men efterhånden som årlagene udtyndes ned gennem isen fra istiden, udviskes sæsonudsvingningerne. Men heldigvis er der sæsonvariationer i mængderne af forskellige urenheder i isen, som fortsat gør det muligt at skelne mellem de enkelte årlag.

Mængden af støv, som primært stammer fra Gobiørkenen og det Tibetanske plateau, topper hvert forår som følge af øget forvitring, når sne og is smelter. Det samme gælder for mængden af svovlsyre, der kulminerer som følge af mikrobiologisk aktivitet i havoverfladen. Om sommeren topper mængden af ammonium på grund af generel biologisk aktivitet, og det samme gælder for mængden af nitrat, som kulminerer, når der er mest sollys og mest gang i træers og planters fotosyntese. Mængden af havsalt i isen er derimod størst om vinteren, sandsynligvis fordi nedbøren og dermed udvaskningen fra atmosfæren er mindst, inden skyerne afgiver nedbør på Indlandsisen.

Dateringen af de grønlandske iskerner er så nøjagtig, at den tidsmæssige usikkerhed ved istidens slutning for 11.704 år siden kun er 50 år.

12

I S K E R N E R

Iskerner og fortidens temperatur Boret henter iskernerne op i stænger på op til tre meter ad gangen, og fra hvert stykke af iskernen bliver der skåret prøver, som anvendes til at måle mange forskellige klimaparametre på isen. NGRIP projektet er et internationalt samarbejde med deltagelse af ti nationer under dansk ledelse. De mange klimaparametre bliver målt af forskere fra alle de deltagende lande, og resultaterne publiceres som fælles internationale artikler.

NGRIP iskernen har årlag, som er 20 centimeter tykke nær overfladen, mens årlagene er 3 centimeter tykke ved overgangen fra istiden til vores nuværende mellemistid. Årlagene bliver udtyndet med dybden, fordi isen flyder på en måde, så lagene trykkes sammen, samtidig med at isen flyder ud mod iskappens rand. Mange af de klimaparametre, vi måler på iskernen, bestemmes med en nøjagtighed, der gør det muligt at se den årlige variation af klimaparametrene.

Boret henter iskernerne op i stænger på En af de vigtigste klimaparametre, vi måler, er forholdet mellem mængden af tung

op til tre meter ad gangen

ilt med atomvægten 18 (18O) og almindelig ilt med atomvægten 16 (16O) i selve isen, som jo består af frosset vand (H2O). Den sjældne og tunge iltisotop har to ekstra neutroner i atomkernen. Forholdet mellem de to iltisotoper i iskernen afspejler lufttemperaturen på det tidspunkt, da isen i et givet årlag faldt som sne på iskappens overflade.

Skyerne, der driver ind over Indlandsisen, dannes over havet, hvorfra de optager vanddamp. På vej ind over den kolde iskappe afkøles skyerne og afgiver nedbør, fordi den mængde vand, en sky kan indeholde, formindskes, når den afkøles. Jo koldere luften er, jo mere sne har skyen tabt, inden den kommer ind til midten af iskappen, hvor iskernerne udbores. Når det sner, falder de sjældne vandmolekyler med tung ilt lettere ud af skyen end almindeligt vand; ganske enkelt fordi de er tungere. Så jo mere skyen afkøles på rejsen hen over Indlandsisen, jo mere vand mister den undervejs, og jo mindre tung ilt er der tilbage i den sne, som falder midt inde på iskappen. Derfor fortæller forholdet mellem let og tung ilt i isen om skyens temperatur, da sneen faldt på iskappens top.

Ved at analysere forholdet mellem de to iltisotoper ned gennem iskernen får vi information om fortidens temperatur og bliver i stand til at beregne den klimakurve, som bl.a. viser, hvordan istiden sluttede, og mellemistiden begyndte. Hele klimakurven (δ18O) (δ =delta) fra NGRIP-iskernen rækker 123.000 år tilbage i tiden, hvilket dækker den nuværende mellemistid, sidste istid og begyndelsen af den forrige mellemistid, som sluttede for 115.000 år siden.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

13

Nederst: Klimakurven fra NGRIP i Grønland for de seneste 123.000 år. Øverst: Klimakurven fra EPICA iskernen fra Dronning Maud Land på Antarktis. Kurverne viser forholdet mellem lette og tunge iltmolekyler i isen gennem tiden.

Dette forhold er et mål for temperaturen tilbage i tiden. På figuren er de 25 bratte klimaskift, Dansgaard-Oeschger begivenhederne, nummererede

Mens klimaet har været varmt og stabilt gennem vores varme mellemistid, viser klimakurven fra NGRIP, at istidens klima var præget af hurtige og voldsomme klimasvingninger. Faktisk finder man spor af 25 af disse hurtige klimaskift, som kaldes DansgaardOeschger begivenheder, i løbet af sidste istid. Temperaturen i Grønland stiger hurtigt indenfor få årtier med 5-10 grader, hvorefter den aftager mere langsomt over 500 til 2000 år.

De hurtige klimaskift under istiden Det har optaget os meget at finde ud af, hvad der kan få klimaet til at skifte så voldsomt og brat, og vi har efterhånden fået en forståelse af, hvordan det kan ske. Først kan man konstatere, at de bratte klimaskift ikke skyldes påvirkninger udefra såsom forandringer i solindstrålingen; hverken på grund af de periodiske variationer i Jordens bane omkring Solen eller på grund af ændringer i selve solstrålingens intensitet. Det er således Jordens eget system, der skaber klimaskiftene.

Det har vist sig, at klimakurver fra iskerner fra Antarktis også har klimaskift igennem istiden, men de ser meget anderledes ud end i Grønland. Et eksempel er temperaturkurven fra en iskerne, vi har udboret i forbindelse med det europæiske EPICA program ved Dronning Maud Land på Antarktis. På Antarktis var istidens klimaskift mindre, og de havde hverken bratte stigninger eller fald. Man kan desuden se, at skiftene mellem Nord og Syd ikke sker samtidigt. Mens det er koldt i Grønland, bliver der varmere i Antarktis, og når der i nord sker bratte skift til varmere temperaturer, begynder temperaturen at falde sydpå i Antarktis.

Varmen ”skvulper” med andre ord frem og tilbage mellem nord og syd. Her er der to meget vigtige spørgsmål, som trænger sig på: Hvorfor opfører klimasystemet sig på en måde, så varme i nord betyder kulde i syd og omvendt? Og hvordan sker de pludselige opvarmninger på den nordlige halvkugle?

14

I S K E R N E R

Den bipolare temperaturvippe Jorden modtager mest energi fra Solen på de lave breddegrader nær Ækvator, men heldigvis for os nordboere transporterer vindene i atmosfæren og havstrømmene i oceanerne varme til de høje breddegrader nær polerne. I Atlanterhavet leder en varm overfladestrøm, Golfstrømmen, varmt vand nordpå langs oceanets østlige kant ved Europa og Skandinavien. Danmark nyder godt af denne varme, som medfører, at vort klima er mildere end på samme breddegrad andre steder på Jorden.

De globale havstrømme kaldes den termohaline cirkulation; ”termo” står for varme og ”halin” for salt. Drivkraften bag strøm-

Istidens klimaskift; når det var varmt i nord, var det koldt i

mene er forskelle i vandets massefylde, som opstår på grund af

syd - og omvendt. Nederst: Klimakurven fra NGRIP i Grønland

gradienter i vandtemperaturen og forskelle i vandets saltindhold.

fra 10.000 til 60.000 år før nu. Øverst: Klimakurven fra EPICA

Vand bliver tungere jo koldere og jo mere saltholdigt, det er. Når

iskernen fra Dronning Maud Land på Antarktis gennem samme

Golfstrømmen flyder mod nord, afkøles vandet gradvist og bliver

periode. Dansgaard-Oeschger begivenhederne er også numme-

mere saltholdigt på grund af fordampning. Til sidst bliver over-

ret her

fladevandet så koldt, saltholdigt og tungt, at det synker til bunds nord for Island. Nedsynkningen i Nordatlanten er den vigtigste pumpe i den globale havcirkulation, og pumpen driver en dyb kold havstrøm, som fører vandet sydpå igen.

Den termohaline havcirkulation. Den vigtigste pumpe i de globale havstrømme er nedsynkningen af koldt og salt overfladevand i Nordatlanten. Grafik: NOAA

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

15

Isudbredelsen i den nordlige hemisfære

ISTIDEN 18.000 år siden

Is på land Havis Land over

IDAG Viser sommerudbredelsen af havis

havniveau

Isudbredelsen i den sydlige hemisfære Isens udbredelse på hav og land ved kulminationen af sidste istid. Grafik: Mark McCaffrey, Paleoclimate Program/NOAA

I de perioder under istiden, hvor klimaet var relativt mildt i de nordlige egne, har den termohaline cirkulation været stærk, og den har ført varme fra syd til nord. Ved denne proces ’stjæler’ den nordlige halvkugle varme fra den sydlige halvkugle, og afkølingen sydpå kan således forklares ved, at havstrømmene flytter varme fra syd til nord.

Omvendt var den termohaline cirkulation svækket i de lange perioder under istiden, hvor det var bidende koldt nordpå, og hvor havisen nåede helt ned til Spanien. Her blev afkølingen i nord forstærket ved, at havstrømmene ikke længere ’stjal’ varme fra syden, og følgelig blev havene på den sydlige halvkugle opvarmet.

De bratte opvarmninger i nord For at forklare, hvordan episoderne med brat opvarmning kan ske i nord, må man lægge mærke til, at der er væsentlig forskel på fordelingen af landmasser og havområder på den nordlige og den sydlige halvkugle. Mod nord ligger de store kontinenter, hvorpå der kan dannes iskapper i kolde perioder. Ved sydpolen ligger Antarktis, som er omgivet af havet, men ellers er der ikke store landmasser i de sydlige have. Under

16

I S K E R N E R

istiden dækkede kæmpemæssige iskapper Nordamerika (Laurentide iskappen) og Nordeuropa (Den Fennoskandiske Iskappe), og muligvis var der også iskapper over Sibirien. Det kolde klima gav samtidig anledning til mere havis og også flydende ishylder, der rakte langt ud i havet, som dem vi ser omkring Antarktis i dag.

Mod syd er der ikke landmasser, hvorpå store iskapper kunne bygges op, men ishylderne har været større i istiden og havisen mere udbredt.

I perioderne med koldt klima i nord var iskapperne store og omgivet af fyldende is. Den termohaline cirkulation var svækket. Men i slutningen af de kolde perioder sendte iskapperne enorme mængder af isbjerge ud i havene, hvilket især skete fra Laurentide iskappen. Der er flere teorier fremme til at forklare hvorfor, men den fremherskende ide er, at opvarmningen af sydhavet giver anledning til en havvandsstigning nordpå, hvilket fik iskapperne til at skride ud. Når processen først starter, vil isbjergene hæve havniveauet yderligere og få endnu mere is til at skride ud. Processen stopper først, når iskapperne er ”udsultet”.

Observationer viser, at meget store mængder af is blev sluset ud i havet – nok til at man observerer havvandsstigninger af størrelsesordenen 10 meter. Nu blev det for alvor koldt nordpå, og den store tilførsel af ferskvand slukkede helt for den termohaline cirkulation.

Efter udboringen af NGRIP iskernen har vi udført meget detaljerede målinger hen over de meget bratte opvarmninger, som afsluttede de kolde perioder i nord. Nye og spændende resultater fra NGRIP iskernen er lige blevet publiceret i det prestigefulde tidsskrift Science, og her lancerer vi en ny forklaring på mekanismerne bag de to seneste opvarmninger i istiden. Den første af dem var den varme Bølling-Allerød periode, som begyndte for 14.694 år siden og sluttede for 12.897 år siden. Derpå kom den kolde periode Yngre Dryas, som varede frem til den dramatiske opvarmning ved begyndelsen af vor nuværende mellemistid.

Den blå kurve viser klimaets udvikling gennem de seneste 15.500 år målt ud fra forholdet mellem tung ilt og almindelig

Vinden skifter og fordampningsområdet flytter

ilt i NGRIP iskernen. Denne kurve afspejler lufttemperaturen i

Udover den klimaparameter, som bygger på det indbyrdes

Grønland. Den røde kurve viser deuterium overskuddet, som er

forhold mellem tung ilt og almindelig ilt i isen, vil jeg nu introdu-

et indirekte mål for havtemperaturen i det område, vanddam-

cere en anden klimaparameter, som er baseret på vands brinti-

pen kom fra

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

17

sotoper (δD). Her måler vi forholdet mellem tung brint (H) også

gerne 14.500 år siden og for 11.704 år siden. Men en mulig

kaldet deuterium, der har en ekstra neutron i kernen og atom-

forklaring er, at monsunbæltet blev skubbet nordpå af den

vægten 2, og almindelig brint med atomvægten 1. Forholdet

opvarmning, som fandt sted i sydhavet sidst i den meget kolde

mellem de to brintisotoper ned gennem årlagene i isen giver en

periode mod nord, og det kan have startet det voldsomme og

klimakurve på samme måde som forholdet mellem iltisotoperne,

pludselige skift i den atmosfæriske cirkulation, der på blot 50 år

og de afspejler ligeledes temperaturen i de skyer, der dækkede

opvarmede de arktiske områder med 10 grader.

toppen af Indlandsisen med sne. Der er dog en lille, men vigtig forskel, som vi kalder deuterium overskuddet (d = δD - 8δ18O).

Bratte skift i mellemistider – og i fremtiden?

Deuterium overskuddet er en indirekte parameter for havvandets

Det er meget bemærkelsesværdigt, at Jordens interne klimasy-

temperatur i det havområde, hvorfra vanddampen, der giver

stem kunne skifte så brat i istiden. Som tidligere nævnt var der i

nedbør over Grønland, blev dannet.

alt 25 bratte klimaskift i sidste istid, og de to sidste skift bragte klimaet ind i den nuværende varme mellemistid. I mellemisti-

Når det bliver koldere i Grønland, falder mængden af både tung

den har klimasystemet ikke udvist lignende store udsving. Det

ilt og tung brint i nedbøren og dermed i isen, så både δD og

er bestemt noget, vi skal sætte pris på, og det stabile klima er

δ18O aftager, men deuterium overskuddet vokser typisk, fordi der

sandsynligvis en medvirkende årsag til, at vores civilisation har

er varmere i fordampningsområdet, som vides at ligge i subtro-

kunnet udvikle sig så rivende.

perne. Fordampningsområdet menes at blive varmere, fordi kulden fra nord skubber fordampningsområdet sydpå. Men ved de

Vil bratte klimaskift kunne ske i fremtiden, hvis den globale op-

bratte opvarmninger nordpå for 14.694 år siden og for 11.704

varmning tipper vort klima over i en anden balance? For at svare

år siden skete der noget mærkeligt!

på det, må man først bemærke at forsøg på at genskabe de bratte istidsskift i beregninger med klimamodeller ikke har været

Deuterium overskuddet skifter fra varme værdier til koldere

særlig succesfulde. Hvis klimaet bevæger sig ind i en ny tilstand,

værdier på et enkelt år svarende til en afkøling af fordampnings-

der muliggør bratte skift, vil vores klimamodeller derfor næppe

området på 2-4 grader. Så hurtigt kan et havområde umuligt

være i stand til at advare os om risikoen.

nedkøles, så på et enkelt år må fordampingsområdet være flyttet flere hundrede kilometer nordpå. Det kan kun forklares ved,

Til trods for den intensive klimaforskning gennem de sidste år

at atmosfærens cirkulation på hele den nordlige halvkugle brat

kan man derfor konstatere, at nok er vi blevet meget klogere,

er skiftet, hvilket har medført, at vanddampens kildeområde har

men der er stadig lang vej igen, før vi forstår det meget kom-

ændret sig. Efter det bratte skift i vindmønstret ser vi i iskernen,

plekse klimasystem på Jorden. Undersøgelser af højtopløste

at lufttemperaturen over Grønland i de følgende årtier steg

klimaserier, som dem iskernerne giver, og udvikling af klimamo-

stærkt i takt med, at havisen forsvandt.

deller baseret på den procesforståelse, der fremkommer ud fra data om fortidens klima, er således helt nødvendige for at blive i stand til at kunne forudsige fremtidens klima. Der er stadig

på den nordlige halvkugle skiftede fra år til år ved opvarmnin-

meget at forske i!

18

Vi ved ikke, hvorfor eller hvordan den atmosfæriske cirkulation

I S K E R N E R

Om forfatteren: Dorthe Dahl-Jensen, f.1958, professor, modtog Villum Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk og Naturvidenskabelig Forskning i 2001 for hendes arbejde inden for isfysik. Hun er professor i Isfysik ved Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet. Hun leder et Grundforskningscenter for Is og Klima med fokus på at bruge iskernedata til at forstå fortidens, nutidens og fremtidens klima. Dorthe Dahl-Jensen leder også det Internationale Polarårs iskerneboringsprogram NEEM på Grønlands Indlandsis med deltagelse af forskere fra 14 nationer. Dorthe Dahl-Jensens forskning omhandler rekonstruktion af klima fra iskernedata og udvikling af isflydemodeller med særlig henblik på iskappens udvikling i fortidens varme klimaperioder. Hun er hovedforfatter på kapitlet om ”The Greenland Ice Sheet in a changing climate”, en Arktisk Råds AMAP rapport om “Climate Change and the Cryosphere: Snow, Water, Ice and Permafrost in the Arctic”.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

19

Liv

-et spørgsmål om fedt

Af Ole G. Mouritsen Jeg forsker i modellering af komplekse, molekylære fænomener.

“Hvad behager?” Eller sagt på anden måde: Jeg forsker i fedtstoffer, og resultaterne kan bruges til at udvikle bedre fødevarer og nye læ­ gemidler. “Jamen, det er jo interessant! “ En historie om forskning og formidling og om, hvorfor en fysiker laver sushi og spiser tang.

20

S Y S T E M B I O L O G I S K

D E S I G N

A F

N Y E

C E L L E F A B R I K K E R

En bekendelse: Nysgerrigheden og fortællingen som drivkraft Hvorfor vælger man at blive forsker? Spørgsmålet er svært at svare på, men sikkert er det, at valget har noget at gøre med nysgerrighed og lyst til at lege. Forskning og videnskab er jo fine navne for fortsættelsen af barnets leg ind i voksenlivet. Jeg har altid været fascineret af at undersøge mine omgivelser og stille nysgerrige spørgsmål til, hvorfor tingene ser ud, som de gør, og hvordan og hvorfor de fungerer. Nysgerrigheden er den centrale drivkraft i mit liv som forsker.

Men der er også en anden drivkraft, som er lige så vigtig, men hvis betydning og styrke jeg først er blevet klar over senere i min karriere. Det er ønsket om at fortælle andre, hvad man laver og måske har fundet ud af, og hvad det eventuelt kan bruges til.

Alle forskere kommunikerer deres tanker og resultater til deres omverden. Normalt sker det mest gennem videnskabelige artikler, bidrag på faglige konferencer og ved undervisning af studerende. Den faglige formidling er næsten lige så vigtig som videnskaben selv og har afgørende betydning for den globalisering af viden, som altid har kendetegnet naturvidenskaben. Processen er dog noget indforstået og for det meste henvendt til en snæver kreds af indviede. Formen er ofte kedelig og uinspirerende, og det er velkendt, at langt det meste af den videnskabelige litteratur har meget lille effekt i dagligdagen og kun bliver læst af få.

Heldigvis er der en stigende interesse for formidling af forskning til en bredere kreds af befolkningen, og med Universitetsloven af 2003 blev forskningskommunikation ligefrem en af universiteternes hovedopgaver. Jeg og mange af mine kolleger har gennem årtier lagt et stort arbejde i at formidle forskningen bredt; ikke mindst til unge.

Hvorfor formidler vi, bliver der ofte spurgt? Svaret falder prompte: Vi formidler, fordi vi ikke kan lade være! Forskningsformidlingen bliver en del af den store fortælling, som videnskab jo er.

Det interessante er, at formidling kan virke tilbage på forskeren, som får spejlet sin specialiserede forskning i generalistens selvreflekterende optik. Samtidig er responsen ofte præcis, afslørende og til tider opmuntrende. Folks reaktioner kan for forskeren føre til en slags gennemlysning, som efter en vellykket formidling giver inspiration til det videre arbejde.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

21

Hvad forsker du i, og hvad kan det bruges til?

Som forsker bliver man tit konfronteret med netop disse to spørgsmål. Jeg kunne så svare, at jeg forsker i modellering af komplekse, molekylære fænomener i naturen, og at jeg hertil bruger statistisk fysik og computersimuleringsmetoder. Min forskning er af meget generel og grundlæggende karakter, og den giver indsigt i fundamentale egenskaber ved systemer, som består af mange atomer og molekyler. Måske kan resultaterne ad åre bruges til at fremstille nye materialer.

Her stopper samtalen som regel.

Jeg kunne også have svaret, at jeg forsker i fedtstoffer og deres betydning for cellernes funktion. Resultaterne kan bruges til at forbedre fødevarer eller udvikle nye lægemidler til behandling af kræftsygdomme. Nu er der straks mere opmærksomhed, og udsagnet bliver højst sandsynligt mødt af spørgsmål om ernæring og sundhed. Der er etableret en interesse, som skabes af kontakten til dagligdagens problemer. Men kontakten kan være problematisk, fordi jeg jo hverken er læge eller ernæringsekspert, men fysiker. På det punkt bliver det så vigtigt at gøre klart, hvad det er, jeg rent faktisk ved noget om, og finde en balance i formidlingen af dyb og mere overfladisk viden, så den vakte interesse ikke falder til jorden.

Det er min erfaring, at hvis man griber fast i tilhørerens første og umiddelbare interesse, kan man meget hurtigt gå videre til at tale om ret indviklede forhold, især hvis det er klart, at man både brænder for sit fag og har interesse for og viden om et bredere område uden for éns speciale.

Jeg har selv haft den fornøjelse at arbejde på grænserne mellem de traditionelle natur­videnskabelige fag som fysik, kemi og biologi samt med deres anvendelser indenfor ingeniørfag og medicin. Ofte er randområderne jo der, hvor der sker videnskabelige nybrud og gennembrud, og hvor indsigt hentet indenfor et felt kan få afgørende betydning inden for et andet område.

Det er en stor udfordring at arbejde tværfagligt eller multidisciplinært; man må have indsigt på tværs og respekt for de forskellige fags traditioner, tankesæt og metoder.

Det vil med garanti føre til kritik fra kolleger med et traditionelt fagsyn, og tværfaglighed gør det ikke nemmere at skaffe penge til forskningen. Årslegatet var for mig af helt afgørende betydning i en længere periode, hvor det var meget vanskeligt at skaffe ressourcer fra traditionelt tænkende forskningsråd og fonde. Legatet var samtidig en vigtig del af grundlaget for at skabe nogle af de forskningsresultater, som gjorde det muligt at etablere et 10-årigt forskningscenter “MEMPHYS – Center for Biomembranfysik” med støtte af Danmarks Grundforsk-

22

L I V

-

E T

S P Ø R G S M Å L

O M

F E D T

Genomet – den totale arvemasse – er i dag kortlagt for et stort antal mikroorganismer, planter og dyr; fx mus, rotte, chimpanse og menneske. Grafik: Jens Raadal ningsfond i perioden 2001-2011 samt indgå som partner i “BioNET – Dansk Center for Biofysik”, som er et VKR Center of Excellence støttet af VILLUM KANN RASMUSSEN FONDEN i perioden 2004-2009.

Fysikken ind i biologien Det 20. århundredes anden halvdel var videnskabeligt set stærkt præget af molekylærbiologiens store landvindinger. DNA’ets gåde blev løst, og grundlaget blev lagt for at udnytte biologiens molekylære basis inden for moderne medicin og bioteknologi.

Fokus var på gener og de produkter, som generne koder for, nemlig proteinerne. Ved årtusindeskiftet nåede forskningen et højdepunkt gennem kortlægningen af fuldstændige genomer, dvs. den totale arvemasse, for organismer som orm, mus og menneske. Forventningerne var enorme, og der blev givet mange løfter om hurtige veje til ny medicin og helbredelse af vanskelige sygdomme.

Nu står vi så i den postgenome tidsalder og opdager, at der er lang vej igen, før vi kan opfylde forventningerne. Sagen er nemlig, at genomet ikke indeholder den fuldstændige information om levende liv, men alene opskriften på de byggesten og arbejdsheste, som livsprocesserne kan benytte sig af. Der skal mere til! Det er nødvendigt at inddrage fysikkens og kemiens love, der udspænder det rum, som biologi og biologisk evolution nødvendigvis må udspille sig indenfor.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

23

Artiklens forfatter i laboratoriet. Ekspe-

Set med de briller bliver livet straks meget mere komplekst. For nu omfatter problem-

rimenter og teori baner tilsammen vej

stillingen også selvorganisering og kollektive fænomener i systemer, som består af

for at opnå en forståelse af komplekse

mange forskellige molekyler, hvis opførsel afhænger af molekylernes fysiske veksel-

biologiske systemer på basis af funda-

virkninger og de strømme af energi og materie, som flyder gennem systemet. Selvor-

mentale fysiske principper

ganiseringen spænder over meget andet end gener og proteiner, og dette gælder ikke mindst for fedtstofferne.

Jeg har siden begyndelsen af 1980’erne interesseret mig for fedtstoffers betydning for biologisk funktion. Skønt fedtstoffer sammen med proteiner, kulhydrater og nukleinsyrer - DNA og RNA - udgør de fire grundlæggende byggesten i alt levende, har de ikke haft nogen stor forskningsmæssig bevågenhed i det 20. århundrede. Fedtstoffer blev betragtet som kedelige byggeklodser og energidepoter i cellerne, og de har ikke den veldefinerede molekylære struktur, som var det centrale fokus i molekylærbiologernes studier af DNA og proteiner. Tilmed er fedtstoffer vanskelige at studere, fordi deres egenskaber netop er præget af elementer af uorden og kaos sammenlignet med proteinernes veldefinerede molekylære orden.

24

L I V

-

E T

S P Ø R G S M Å L

O M

F E D T

Fedtstoffer og specielt de lipider, som alle cellemembraner er opbygget af, var derfor ikke noget fashionabelt forskningsområde. Det billede er nu ved at vende, for det er blevet åbenbart, at lipider spiller en meget vigtig rolle for cellernes funktion.

Jeg har altid været fascineret af lipider og de helt specielle fysiske egenskaber, som de giver cellevæggene. Det stod tidligt klart for mig, at hvis man skulle forstå lipidernes betydning for biologisk funktion, var det nødvendigt at bruge redskaber fra fysikkens og den fysiske kemis fagområder. Imidlertid var de fleste fysikeres holdning til biofysik, og ikke mindst til lipidernes biofysik, næsten helt op til i dag temmelig afvisende. Det er ikke rigtig fysik, mente man. Da lipider af biologerne heller ikke blev opfattet som rigtig biologi eller molekylærbiologi, er det indlysende, at det kunne blive besværligt at opbygge en forskningsaktivitet inden for lipid- og membranbiofysik. I det hele taget var det fra 1980erne og næsten helt frem til i dag vanskeligt at skaffe ressourcer fra universiteter og de statslige forskningsråd til at arbejde inden for biologisk inspireret fysik.

I mit eget tilfælde var finansiel støtte fra fremsynede private fonde derfor af helt afgørende betydning for mit arbejde i en kritisk fase i 1990erne; det gælder både Årslegatet og støtte fra den svenske Hasselblad Stiftelse.

På internationalt plan er biofysik kommet i fokus i de sidste 10-15 år, og forskningsmiljøerne i Danmark er også ved at komme med på vognen. Selv de mest konservative danske fysikinstitutter er i de senere år blevet klar over, at en del af fysikkens fremtid ligger indenfor biologien. Biologien åbner for en velkommen fornyelse af fysikken, ligesom fysikken har en vigtig rolle at spille for at gøre biologien til en kvantitativ videnskab.

Lipidernes og cellemembranernes fysik En helt afgørende beslutning for min forskningsgruppes udvikling blev taget i 1990, hvor gruppens indtil da rent teoretiske forskning blev suppleret med et eksperimentelt laboratorium. I årenes løb er dette laboratorium vokset til at være landets bedst udstyrede og mest moderne biofysiklaboratorium. Laboratoriet er nu daglig arbejdsplads for små tredive forskere og forskerstuderende. Det særegne ved gruppens forskning er, at den udføres som et tæt samarbejde mellem eksperimentalister og teoretikere, samt at forskningen rækker langt ind i de bioteknologiske og biomedicinske fagområder. Hvor arbejdet tidligere var bits i en computer eller formler på et stykke papir, kan det nu forekomme, at der på laboratoriebænken ligger et griseøre gjort klar til biofysiske undersøgelser af hudens struktur og barrierefunktion.

Den vigtigste drivkraft i forskningen er dog stadig den samme: En nysgerrighed efter at beskrive og forstå komplekse biologiske systemers struktur og funktion på basis af fundamentale fysiske principper. Lad os se på et par eksempler, som viser behovet for

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

25

Skematisk billede af cellemembran.

det lange seje træk i forskningen og grundforskningens nødvendighed for fremtidens

Kernen af membranen er et dobbeltlag

teknologi. Det ene eksempel omhandler kolesterols betydning for membraners funk-

af amfifile lipidmolekyler. Lipidernes

tion. Det andet eksempel viser, hvorledes en dyb indsigt i lipidmembraners fysik og

vandelskende dele vender udad mod

kemi kan danne grundlag for udviklingen af et helt nyt princip for målrettet aflevering

de vandige miljøer inden i og uden for

af lægemidler indenfor cancerterapi.

cellen, mens molekylernes fedtelskende dele samles i membranens indre. I cel-

Jo mere vi er sammen: steroler i membraner

lemembranen er der indlejret proteiner,

Lipidmolekyler er amfifile, hvilket betyder, at de i vand spontant organiserer sig i ag-

som er ansvarlige for cellens mange

gregater med mange molekyler, for eksempel i form af det dobbeltlag, som er ker-

funktioner.

nen i alle cellemembraner. Membranen opstår derfor som en kollektiv egenskab ved en samling af mange lipider og vandmolekyler. Membranens struktur, dynamik og dermed biologiske funktion bliver hermed i vid udstrækning kontrolleret af fysikken i aggregatet. Det gælder for eksempel transport over membranen, enzymers aktivitet, signalering mellem membraner samt membranens vekselvirkning med stoffer udefra, for eksempel lægemidler. I virkeligheden er cellemembraner endnu mere komplekse, og den fysiske beskrivelse må også tage højde for de proteiner og kulhydrater, som sidder indlejret i membranerne.

En central aktør i alle højere organismers cellemembraner er en klasse af særlige lipider, sterolerne; cholesterol i dyr, ergosterol i svampe, phytosteroler i planter, og

26

L I V

-

E T

S P Ø R G S M Å L

O M

F E D T

desmosterol og fucosterol i alger. Ethvert af biologiens store kongeriger synes således at betjene sig af sin foretrukne sterol. Det har været et centralt problem indenfor cellebiologien at forstå, hvad disse steroler rent konkret gør ved de membraner, hvori de sidder indlejret. Det er ikke noget uvæsentligt problem, hvilket understreges af, at der typisk er 20-30 procent sterol i enhver cellemembran.

I slutningen af 1980erne foreslog vi en løsning på problemet ved udvikle en teori, som beskriver, hvilke specielle fysiske egenskaber kolesterol giver til membraner. Løsningen, som er baseret på ren fysik og fysisk kemi, postulerede en ny fase, som vi kaldte den flydende-ordnede fase, og som giver membraner nogle helt særlige og meget favorable egenskaber med hensyn til permeabilitet og mekanisk styrke. I det følgende årti videreudviklede vi teorien og igangsatte et omfattende eksperimentelt program, som hurtigt blev fulgt op af grupper verden over. I dag er “liquid-ordered” et standardudtryk i den faglige litteratur – spændende fra fysik, kemi, biofysik, biokemi, molekylærbiologi og cellebiologi og helt ind i biomedicin, fysiologi, neurologi, farmakologi og psykiatri. Hvis man søger på Google, er der nu over 25.000 hjemmesider, som omtaler dette udtryk.

At denne grundvidenskabelige indsats har fået vind i sejlene, skyldes ikke mindst en parallel udvikling, hvor vi og mange andre forskere blev opmærksomme på, at membraner - i modsætning til den konventionelle opfattelse - ikke er strukturløse væsker, men flydende-krystallinske faser, som er organiseret lateralt i membranens plan. Vi talte om lipiddomæner, som er områder i cellemembranen med specifikke funktioner, og som ligeledes opstår som en vigtig konsekvens af lipidernes kollektive opførsel. De vigtigste domæner er dem, som indeholder kolesterol og derfor er i den flydende-ordnede fase. Lipiddomæner bliver nu brugt i laboratorier verden over som forklaringsgrundlag for komplicerede, membranmedierede processer som signalering, receptorfunktion og vækstprocesser. Den udstrakte brug af begrebet viser, at det har haft den kraft, som skal til for at drive videnskaben videre.

Historien her er et eksempel på, at lipider har bevæget sig fra at være et randområde i den moderne biologi til at blive et centralt forskningsfelt. For at gøre status over situationen besluttede jeg i 2001 at skrive en bog, som skulle give lipiderne deres rette plads i den videnskabelige fortælling. Midler fra Årslegatet satte mig i stand til at tage nogle måneders orlov fra min stilling og opholde mig en måneds tid på Institutionen San Cataldo ved Amalfibugten i det sydlige Italien. Her i en af de små og kolde celler i det tidligere nonnekloster tog bogen så meget form, at jeg kunne afslutte den og sende den til trykning i slutningen af 2004. Det tager lang tid at skrive en moderne monografi, og jeg vil mene, at det stort set er umuligt for en aktiv forsker at skrive en bog, uden at der tidsmæssigt skabes det frirum af sammenhængende tid, som er

Skematisk billede af et kolesterol­

nødvendig for fordybelse.

molekyle. Grafik: Andrei Ryjkov

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

27

Mikroskopibilleder af store liposomer

Årslegatet var derfor helt afgørende for, at bogen Life – As a Matter of Fat blev en

fremstillet af lipider og proteiner fra

realitet. Efterfølgende har det vist sig, at bogen kom på det rette tidspunkt, og den

forskellige cellemembraner. Farverne

bliver nu brugt som standardreference verden over. Det er især opmuntrende for mig

skyldes fluorescerende molekyler, som

at erfare, at ikke kun fysikere og kemikere anvender bogen, men at den åbenbart er

fordeler sig forskelligt i de forskellige

skrevet på en måde, så biokemikere og cellebiologer også finder den nyttig.

områder af liposomernes dobbeltlagsmembraner. Billedet er stillet til rådighed

Lipider i kampen mod kræft: den magiske kugle

af Dr. Jorge Bernadino de la Serna, se

Lipider er på vej til at finde en vigtig rolle i moderne kemoterapi, og måden, det sker

også Nikon Small World 2007 og http://

på, er overraskende, fordi den bygger på fysik og fysisk kemi i mindst lige så høj grad

scienceinyoureyes.memphys.sdu.dk

som medicinalkemi. Ja faktisk kan man sige, at uden et langt grundvidenskabeligt træk med at forstå lipiders og enzymers fysiske kemi, ville denne udvikling nok ikke være tænkelig.

28

L I V

-

E T

S P Ø R G S M Å L

O M

F E D T

Det konventionelle paradigme i moderne sygdomsbehandling er baseret på kemi og forestillingen om, at de fleste sygdomme kan behandles med kemiske stoffer. Vores apoteker er jo basalt set et lager af kemisk fremstillede stoffer. Grundlaget for denne tilgang blev skabt af immunologiens og medicinalkemiens fader, den tyske kemiker og Nobelpristager Paul Ehrlich (1854-1915). Ehrlich havde en vision om det perfekte lægemiddel som et kemisk stof, en slags magisk kugle, der selv kunne opsøge sygdommen og kun dræbe de syge celler eller indtrængende mikroorganismer og ikke skade kroppens egne raske celler. I dag ville man kalde dette princip for målrettet kemoterapi med minimerede bivirkninger.

Endnu har ingen skabt Ehrlichs magiske kugle, men visionen har været en central drivkraft i udviklingen af lægemidler gennem de sidste hundrede år. Problemerne er indlysende. For det første skal man udvikle et aktivt lægemiddelstof, som har en specifik og effektiv virkning på de celler, man ønsker at helbrede eller uskadeliggøre; for det andet skal man skabe et fremføringssystem, som kan bringe lægemiddelstoffet intakt frem til de syge celler; for det tredie må stoffet ikke have for kraftige virkninger på de raske celler på vej mod målet; og for det fjerde må den magiske kugle ikke blive opdaget af immunforsvaret, så den bliver opfanget og nedbrudt på vej mod de syge celler. Det lyder som en håbløs opgave, og store internationale lægemiddelfirmaer med et milliardbudget i ryggen har da heller ikke fundet løsningen.

Men muligvis er mine kolleger og jeg godt på vej. Og årsagen til, at vi måske kommer i mål, er, at vores forskning er baseret på grundvidenskab, og at vi stædigt gennem årtier har været drevet af ambitionen om at forstå den fundamentale fysik og fysiske kemi af lipider og enzymer. Vel at mærke uden at have været strategisk målrettet mod lægemiddeludvikling og uden at have været tynget af fordomme om, hvad der kan lade sig gøre eller ikke lade sig gøre.

Nøglen til vore magiske kugler er igen lipidernes kollektive opførsel. I vand danner

Et liposom, som indkapsler et lægemid-

lipidmolekyler små lukkede kapsler, som kaldes liposomer. Dette har været kendt siden

delstof. Polymerkæderne yderst medvir-

1960erne, hvor den engelske blodforsker Alec Bangham opdagede liposomet.

ker til at skjule liposomet for immunforsvaret, mens det cirkulerer i blodbanen

Et liposom synes at være ideelt som fremføringssystem, fordi det kan indkapsle lægemiddelstoffer, som derved holdes væk fra kroppens raske celler. Problemet er imidlertid, at liposomer lynhurtigt vil blive genkendt af kroppens medfødte immunforsvar og derpå nedbrudt. Lægemiddelstoffet vil så slippe ud, hvor det ikke skal frigives. Dette problem blev løst i begyndelsen af 1990erne af nogle forskere, som kendte nok til polymerers fysiske kemi til at vide, at når man dækkede liposomets overflade med en særlig polymer, kunne man gøre det “usynligt” for kroppens radarsystem, immunforsvaret. Disse liposomer blev kaldt stealth-liposomer, fordi de har egenskaber, som ligner det berømte jagerfly af samme navn. Stealth-liposomer kan cirkulere i blodba-

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

29

Målrettet kræftmedicin med en minimum af bivirkninger. Selve lægemidlet er en cellegift, der slår celler ihjel; indpakningen i liposomer medfører, at medicinen selektivt rammer kræftceller. I blodbanen er liposomerne beskyttet mod nedbrydning, hvorved medicinen ikke frigives til raskt væv. Men kræftceller udsender store mængder af et enzym, som nedbryder liposomet. Derved frigives lægemidlet, som suges ind i de porøse svulster. Grafik: Jens Raadal nen uden at lække det indkapslede lægemiddelstof, og bivirk-

så de gøres specielt følsomme over for de phospholipaser, som

ningerne er dermed formindsket. Desværre blev lægemidlets

findes i store mængder i kræftsvulster. Fordi vi havde forstand på

virkningsgrad også reduceret, fordi det viste sig, at liposomerne

de grundlæggende forhold, kunne vi nu pludselig se en mulig-

nu var blevet så stabile, at de ikke frigiver nok lægemiddelstof

hed for at designe en ny slags liposomer, som fik navnet LiPlaso-

på det syge sted.

mer, og som målrettet kunne føre cancermedicin frem til effektiv udløsning via selektiv enzymatisk nedbrydning i kræftsvulsterne.

Det er her en basal forståelse af fysikken og den fysiske kemi

Dermed var der skabt forhåbning om en meget effektiv behand-

af liposomer og enzymer kommer ind i billedet. Uden at have

ling og færre bivirkninger.

lægemiddeludvikling og sygdomsbekæmpelse i tankerne havde min gruppe siden begyndelsen af 1980erne arbejdet med at for-

Fra dette punkt tager udviklingen en ny vending. Vi stiftede nu

stå grundlæggende egenskaber ved lipidmembraner. Samtidig

et lille innovationsfirma LiPlasome Pharma A/S. Formålet var med

havde vi i løbet af 1990erne igangsat en række forskningspro-

en række investorers finansielle støtte at udføre det målrettede

jekter, som havde til hensigt til at klarlægge de grundlæggende

udviklingsarbejde, som kunne føre den nye magiske kugle frem

mekanismer, der styrer en særlig klasse af enzymer, de såkaldte

mod klinikken. Her i 2008, syv år efter firmaets start, er vi kom-

phospholipaser, som er i stand til at nedbryde fedtstoffer. Den

met så langt, at de første kliniske forsøg på kræftsyge menne-

væsentlige del af denne forskning var underkastet den form

sker er gået i gang. Om et par år vil vi vide, om vi rent faktisk har

for tilfældighed og uforudsigelighed, som er kendetegnet ved

skabt en magisk kugle, som kan bruges i behandlingen af kræft.

grundforskning, der alene er drevet af nysgerringhed.

Historien slutter ikke her. Grundvidenskaben tager os videre. Vi arbejder nu på den idé, at lipiderne i liposomerne selv kan være

blemet med den manglede frigørelse af lægemiddelstof fra de

lægemiddelstoffer eller udvikles til at være det. Igen er det den

alt for stabile stealth-liposomer simpelt hen ved at indrette dem,

fysisk-kemiske beskrivelse af samspillet mellem lipider og enzy-

30

På et tidspunkt gik det op for os, at man måske kunne løse pro-

L I V

-

E T

S P Ø R G S M Å L

O M

F E D T

mer, som vi bringer i anvendelse. Ideen er at bygge liposomer af

af hjerte-karsygdomme samt visse psykiske lidelser.

en ny slags lipidmolekyler, som syntetiseres ved kemiske metoder i laboratoriet, så en del af lipidmolekylet bliver et aktivt lægemid-

Fænomenet fører til nogle oplagte og meget konkrete spørgs-

delstof. Men lægemiddelstoffet frigives først, når enzymerne i

mål, som kan besvares med biofysiske teknikker; for eksempel

kræftvævet har gjort deres arbejde og sat det fri. Hermed skabes

hvorledes umættede fedtstoffer påvirker membraners organi-

det aktive lægemiddelstof lige netop der, hvor det skal bruges,

sation og deres vekselvirkning med receptorer, eller hvordan

og ikke andre steder. Forsøg i laboratoriet har allerede vist, at

bioaktive stoffer i japansk shiso har antiseptisk virkning og

dette princip med såkaldte prodrugs ser ud til at kunne virke,

derfor kan bruges som konserveringsmidler. Svarene på sådanne

men meget mere forskning skal udføres, inden denne nye gene-

spørgsmål rækker ind i den videnskabelige litteratur, men også

ration af liposomer kan finde vej ind i sygdomsbehandlingen.

den populærvidenskabelige verden. Jeg havde i den forbindelse stor fornøjelse af at skrive og udgive bogen Sushi. Lidenskab,

At lege i sandkassen

videnskab og sundhed (2006), som beskriver videnskaben bag

Som jeg startede med at fremhæve, er forskning og grundvi-

denne populære japanske spise. Forarbejdet til dette bogprojekt

denskab på mange måder at opfatte som en leg, der er drevet

nød også gavn af midler fra Årslegatet.

af nysgerrighed og fortællelyst. Nybrud og udvikling i videnskaben sker ofte som konsekvens af tilfældigheder, hårdt arbejde

Mit seneste sandkasseprojekt omhandler tang som fødevare.

og et åbent sind. Samtidig er det vigtigt bestandigt at invitere

Tang er makroalger, som sammen med mikroalgerne er bunden

andre forskere med i legen, ikke mindst unge under forskerud-

af fødekæderne. Det er herfra, fisk og skaldyr får alle deres gode

dannelse, for at få nye og fordomsfrie indfaldsvinkler samt en

næringsstoffer, fedtstoffer og mineraler. Tang er en fuldstændig

konstruktiv kritik af eksisterende opfattelser.

overset og uudnyttet fødekilde i den vestlige verden, hvorimod befolkninger i Østen, for eksempel i Japan, får op til 10 procent

Det er min egen erfaring, at det er godt løbende at have et par

af ernæringen dækket af tangprodukter. Tang er samtidig en

sandkasseprojekter, som er helt “blue sky” og alene drevet af

sand guldgrube med hensyn til gode og nysgerrige spørgs-

lyst. Jeg er overbevist om, at sådanne projekter kan blive vigtige

mål i forhold til optimal ernæring og søgen efter interessante

livliner i et forskningslandskab, som i stadig voksende grad er

bioaktive stoffer. I øjeblikket arbejder vores laboratorium med

drevet af politisering, evindeligt ansøgningsskriveri og såkaldt

at beskrive, hvorledes algers specielle steroler, især fucosterol,

strategisk planlægning. I de senere år har jeg fattet interesse for

påvirker membraners egenskaber. Måske kan resultaterne af den

videnskaben bag maden, især med fokus på fedtstoffer og deres

kommende forskning være med til at forklare, hvorfor fucosterol

betydning for fysisk og psykisk sundhed. Mad og fødevarer er

i kosten nedsætter blodets indhold af frit og bundet cholesterol

samtidig et godt udgangspunkt for formidling af videnskab og

og desuden formindsker risikoen for blodpropper.

forskning. De fleste mennesker er interesseret i sammenhængene mellem kost og sundhed.

Et af mine sandkasseprojekter omhandler flerumættede fedtstoffer, specielt omega-3 fedtsyrer, og deres effekt på cellemembraner. Omega-3 fedtsyrer er essentielle fedtsyrer, dvs. vores krop kan ikke selv danne dem, men skal have dem tilført fra kosten.

Den vigtigste kilde hertil er fødevarer fra havet, altså fisk, skaldyr og tang. Min interesse har da ført mig ind på japansk mad, og jeg er blevet opmærksom på det forhold, at mennesker, som

Grundvidenskab kan opfattes som leg, drevet af

lever efter en traditionel japansk levevis, har mindre hyppighed

nysgerrighed. Foto: SXC

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

31

På denne baggrund kan det næppe undre, at jeg i min fritid er optaget af at tilberede sushi, og at jeg dagligt spiser tang.

Også tangprojektet nyder gavn af Årslegatets midler. Det er overvejende sandsynligt, at et så umodent, utraditionelt og risikobetonet projekt som et om tang og fucosterol ikke ville have fundet nåde i et forskningsrådssystem, som overvejende støtter mainstream-forskning. Jeg kvitterer i første omgang for Årslegatets støtte til tangprojektet ved i foråret 2009 at udgive en ny populærvidenskabelig bog med titlen Tang. Grøntsager fra havet.

Om VILLUM KANN RASMUSSEN FONDEN og dansk forskning Jeg har vist ikke lagt skjul på, at de forskningsmidler, som Årslegatet indebærer, har betydet meget for mig personligt og for min forskning. Det er ikke så meget legatets størrelse som den frihed, der ligger i brugen af midlerne. Fonden giver Legatet i tillid til forskerens evne til selv at planlægge og prioritere, og der er ikke smålige bindinger med hensyn til idelig rapportering. Friheden indebærer muligheden for at agere hurtigt, og denne frihed betyder, at pengene ofte ’kan bruges flere gange’ som en slags ’kassekredit’.

Fonden har med Årslegatet, post doc. programmet og ikke mindst med VKR-Centres of Excellence givet en stor gave til dansk forskning og videnskab. Det særlige er, at gaven er givet i en ånd og på en måde, som udtrykker stor forståelse og respekt for Mad i sandkassen: Sushi & tangsalat

32

forskningens og videnskabens natur.

L I V

-

E T

S P Ø R G S M Å L

O M

F E D T

Foto: Lasse Hassold

Om forfatteren Ole G. Mouritsen, f. 1950, professor dr.scient., modtog Villum Kann ­Rasmussens Årslegat til Teknisk Forskning i 1990 for hans arbejde inden for biofysik, materialefysik og overfladefysik. Hans forskning er kendetegnet ved at bevæge sig på og over grænserne mellem de traditionelle fagområder. Han var professor i biofysik og fysisk kemi ved Danmarks Tekniske Universitet i perioden 1985-2001. Han har siden 2001 været professor i biofysik ved Syddansk Universitet, hvor han er leder af Danmarks Grundforskningsfonds Center for Biomembranfysik. Han er valgt medlem af Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab, Akademiet for de Tekniske Videnskaber, Danmarks Naturvidenskabelige Akademi og Det Danske Gastronomiske Akademi. Han har modtaget en række priser for sin forskning, senest Royal Society of Chemistry Bourke Award i 2008. Han er medstifter og medejer af LiPlasome Pharma A/S, som udvikler liposomsystemer til cancerbehandling. Han er engageret i formidlingen af sin forskning til offentligheden og modtog i 2007 Forskningskommunikationsprisen herfor. Han er i sin fritid interesseret i videnskaben bag maden og har bl.a. skrevet artikler og bøger om sushi og tang som fødevare.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

33

Fra drøm til virkelighed:

En livslang rejse gennem proteinernes verden Af Peter Roepstorff Proteiner er livets vigtigste byggesten og arbejdsheste. Da jeg begyndte at analysere pro­ teiner, var det umuligt at bestemme massen af et naturligt protein. I dag er målet at kortlægge hele proteomer – alle de proteiner, som en orga­ nisme danner i løbet af sin livstid – og min ung­ doms håb om, at massespektrometri kunne blive en vigtig analysemetode i proteinforskningen er blevet opfyldt i langt højere grad, end jeg selv i mine vildeste drømme turde tro på.

Computersimulationen viser strukturen af insulin, som var det første intakte protein, hvis præcise molekylvægt blev bestemt ved hjælp af massespektrometri. Insulin er med til at sørge for, at vore celler kan optage næring i form af glukose, og mangel på insulin i blodet medfører diabetes. Grafik: Foci

34

P R O T E I N E R N E S

V E R D E N

Forfatteren ses her ved at af de moderne massespektrometre på Institut for Biokemi og Molekylær Biologi på Syddansk Universitet i Odense. Massespektrometrien har været inde i en rivende udvikling gennem de seneste fire årtier. Foto: Peter Højrup

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

35

I 1989 blev jeg som en af de første tildelt Villum Kann Rasmussens Årslegat for Teknisk Videnskabelig Forskning. Tildelingen skete på Villum Kann Rasmussens 80 års fødselsdag, og han overrakte prisen personligt. Den var på 1.000.000 kroner, hvilket var et enormt beløb på det tidspunkt, sikkert den største videnskabelige pris i Danmark. Prisen var en stor opmuntring for mig, og den gav mig en enestående mulighed for hurtigt at udnytte de seneste internationale fremskridt indenfor mit felt - massespektrometrisk proteinanalyse - som siden har fået en enorm betydning for udforskningen af proteinernes verden. Proteiner er livets maskineri, og de spiller en afgørende rolle for såvel sundhed som sygdom.

Galathea og barndomsdrømmen Allerede som barn var jeg overbevist om, at jeg skulle være noget med naturvidenskab. Jeg ved ikke helt, hvornår lysten kom, men den danske Galathea 2 ekspedition fra 1950-52 havde væsentlig indflydelse på det. Jeg var 8-10 år i den periode og fulgte ekspeditionen tæt i de ugentlige rapporter. Jeg blev sikker på, at det var sådan noget, jeg ville lave, når jeg blev stor.

Jeg fik studentereksamen, da jeg lige var fyldt 18 år, og startede umiddelbart efter sommerferien på kemiingeniørstudiet på Den Polytekniske Læreanstalt, som nu hedder Danmarks Tekniske Universitet. Det var et pragmatisk valg begrundet i, at jeg havde set, at kemiingeniører var at finde i næsten alle jobtyper fra gymnasielærere over universitetsforskere til direktører i virksomheder. Derimod så det ud til, at næsten alle, der blev uddannet inden for naturvidenskab på Københavns Universitet, endte som gymnasielærere. Kemiingeniørstudiet syntes derfor at åbne mange flere muligheder, og det slog ikke fejl. Allerede i studiets andet år fik jeg føling med forskningen, fordi en lektor skulle på sabbatår i udlandet, og en eller anden håbefuld studerende måtte jo videreføre hans langtidsforsøg. Det blev mig, og fra den tid af tilbragte jeg mere tid i forskningslaboratoriet end i auditorierne.

Efter tre års studier opdagede jeg til min store rædsel, at jeg allerede ville være færdiguddannet som 22-årig. Jeg følte mig absolut Galathea 2 ekspeditionen var stærkt medvirkende til at tænde min

ikke klar til skiftet fra studerende til ”ansvarlig” ansat, og jeg ville

interesse for naturvidenskab som barn. I 2007 fik jeg selv fornø-

også gerne udvide min forskningserfaring. Derfor søgte og fik

jelsen af at deltage i Galathea 3 ekspeditionen, hvor vi fandt så

jeg et fransk statsstipendium til et studieophold på Universitetet i

mange fluorescerende proteiner i marine organismer, at det kan

Marseille med henblik på at lære mere om analysemetoderne ra-

holde mig beskæftiget resten af livet

manspektrometri og infrarød spektroskopi. Det år i Marseille blev

36

P R O T E I N E R N E S

V E R D E N

PROTEINER – LIVETS MASKINERI Livets centrale makromolekyler: DNA, RNA og Protein

DNA

mRNA

Protein

Opbygget af 4 forskellige baser:

Opbygget af 20 forskellige aminosyrer:

Adenin (A)

Adenin (A)

Alanin, Arginin, Asparagin,

Guanin (G)

Guanin (G)

Asparaginsyre, Cystein,

Cytosin (C)

Cytosin (C)

Glutamin, Glutaminsyre, Glycin

Thymin (T)

Thymin (T)

Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin. Methionin, Phenylalanin, Prolin, Serin, Threonin, Tryptophan, Tyrosin, Valin

En aminosyrerest

Et peptid

N

C Et protein består af en lang kæde af aminosyrer (50-10.000).

Kæden skal foldes til en tre-dimensionel struktur for at være aktiv.

Proteinerne kodes fra generne, DNA, og informationen overføres til syntese af proteinerne via RNA. Proteiner består af lange kæder af 20 byggesten, aminosyrerne. Når disse kæder foldes i en tredimensionel struktur bliver proteinerne aktive

Proteiner er de molekyler, som udfører arbejdet i alle levende or-

forskerne til at opdele proteiner i mindre og mere overskuelige

ganismer. De er opbygget som lange kæder af 20 grundlæggende

dele i laboratoriet.

byggesten, aminosyrerne, og et protein kan bestå af fra halvtreds

I den levende organisme bliver de forskellige proteiner yderligere

og op til adskillige tusinde aminosyrer, som hver især indeholder

modificeret ved påhæftning af forskellige kemiske forbindelser

mellem 6 og 30 atomer.

såsom fosforsyregrupper, fedtsyregrupper og sukkermolekyler,

Koden for proteinerne ligger i arvemassen i form af DNA. Den ge-

med det resultat at de 22.500 basale proteiner i mennesket bliver

netiske kode aflæses, og proteinmolekylerne fremstilles i cellerne,

til mere end en million forskellige proteinmolekyler.

når der er behov for dem. Den menneskelige arvemasse kan kode

Vi ved i dag, at disse modifikationer er helt afgørende for protei-

for omkring 22.500 forskellige proteiner, hvilket kun er ca. tre

nernes funktioner, og derfor er det væsentligt at kunne analysere,

gange så mange som i en simpel organisme som gær.

hvor, hvornår og hvordan proteinerne modificeres i cellerne. Da

Cellernes enzymer, som også er proteiner, kan opsplitte proteiner

enhver modifikation medfører ændringer i proteinernes molekyl-

i mindre enheder, de såkaldte peptider, som typisk består af nogle

vægt, er vejning af proteinmolekylerne ved massespektrometri

få og op til halvtreds byggesten. Nogle af disse processer er en

den vigtigste metode til at opklare, hvor og hvornår proteinerne

del af den naturlige arbejdsgang i cellerne, mens andre bruges af

optræder med forskellige modifikationer.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

37

en meget stor oplevelse og afgørende for mit fremtidige karriereforløb, fagligt såvel som med hensyn til min orientering mod internationale kontakter. Som en sidegevinst fik jeg også en fransk universitetsgrad ud af det. Jeg forsøgte at få kredit for mit studieophold i Frankrig i mit studium herhjemme, men uden held. I stedet blev jeg tilbudt at lave mit afsluttende projekt på Fiskeriministeriets Forsøgslaboratorium, og her skulle jeg arbejde med proteinanalyse. Dét blev starten på en livslang kærlighed til proteinernes forunderlige verden. Under projektet kom jeg i kontakt med et lille ATV institut, Proteinkemisk Institut, som havde nogle avancerede instrumenter til proteinanalyse, og allerede inden jeg havde afsluttet mit studium, var jeg sikret arbejde der.

Massespektrometrisk analyse af proteiner Mit første job på instituttet, hvor jeg tiltrådte i januar 1966, var at udvikle og konstruere et fuldautomatisk apparat til syntetisk fremstilling af peptider, som er korte delelementer af proteiner. Apparatet blev bygget og endda også solgt til et amerikansk biotekfirma. Problemet var bare, at de peptider, der blev fremstillet, havde en meget lav biologisk aktivitet sammenlignet med naturlige peptider. Noget gik galt i processen, selv om jeg var sikker på, at apparatet rent mekanisk gjorde, hvad det skulle. På trods af, at vi på instituttet havde det mest avancerede udstyr i Europa til proteinanalyse, kunne vi ikke finde frem til årsagen til det lave udbytte af biologisk aktivt materiale.

På det tidspunkt blev jeg gjort opmærksom på en videnskabelig artikel af en engelsk forsker, som beskrev analysen af et meget kompliceret naturligt peptid ved hjælp af en teknik kaldet massespektrometri. Jeg havde kun begrænset kendskab til metoden, men læste straks al den litteratur, som beskrev peptidanalyse ved massespektrometri - så vidt jeg husker drejede det sig kun om 5-6 artikler. Jeg blev derefter overbevist om, at massespektrometri på trods af et stort antal begrænsninger for netop den type molekyler, jeg ville analysere, ville kunne løse mit aktuelle problem og også være en væsentlig alternativ metode til proteinanalyse i fremtiden. Vi søgte derfor det Naturvidenskabelige Forskningsråd om midler til at anskaffe et massespektrometer.

Mit problem med de syntetiske peptider viste sig at være ret simpelt og blev umiddelbart løst, da vi i 1968 havde fået bevilliget og installeret det første massespektrometer i Danmark dedikeret til analyse af biologiske forbindelser. Derefter gik vi på jagt efter proteinmodifikationer.

I dag ved vi, at kemiske modifikationer i cellerne har afgørende betydning for proteiners funktioner, men på det tidspunkt var kun få modifikationer kendt. Den generelle opfattelse var dog, at de måtte findes. På grund af de daværende massespektrometriske metoders mange begrænsninger for analyse af proteiner og peptider var arbejdet gennem en årrække op ad bakke det meste af vejen; også fordi de klassiske kemiske Massespektrometeret

38

metoder til proteinanalyse forbedredes hele tiden, mens der ikke skete meget på mas-

P R O T E I N E R N E S

V E R D E N

PRINCIPPET I MASSESPEKTROMETRI Massespektrometri er en metode, som tillader meget præcis be-

dere det ioniserede molekyles afbøjning i et magnetisk felt i ana-

stemmelse af molekylvægten af en kemisk forbindelse. Man kan

lysatoren. Princippet er, at lette molekyler afbøjes mere end tunge

sige, at man vejer molekylet, hvilket gør det muligt at identificere

molekyler på deres vej gennem magnetfeltet. Sidst i 1960’erne var

det.

målingerne kun mulige med relativt små og stabile molekyler, dels fordi større og ustabile molekyler går i stykker ved opvarmning, og

Forudsætningen er, at molekylet kan bringes på gasform og

dels fordi afbøjningen af store molekyler ville kræve magnetiske

ioniseres i massespektrometerets ionkilde. Efterfølgende kan mas-

felter af en styrke, som var udenfor rækkevidde.

sen bestemmes ved at måle det ladede molekyles opførsel under påvirkning af elektriske og/eller magnetiske felter i masseanalysa-

Proteiner er store elektrisk ladede molekyler, som ikke umiddelbart

toren, og endelig kan molekylets ankomst efter passage af analy-

kan bringes på dampform. Det var derfor i de tidlige massespek-

satoren måles i detektoren. Blot udskiftning af et enkelt atom i et

trometre nødvendigt at foretage omfattende kemiske ændringer

molekyle kan måles ved massespektrometri under forudsætning

af proteinerne - kaldet derivatisering – for at de kunne bringes

af, at det kan vejes med tilstrækkelig stor nøjagtighed.

på dampform. På grund af størrelsen var det også kun muligt at analysere små dele af proteinerne, altså peptider.

Både ioniseringen og nøjagtigheden er problematisk, når det drejer sig om meget store molekyler som proteiner, der ofte består af

Den senere udvikling af nye former for massespektrometre, som

mange tusinde atomer. I de tidlige massespektrometre blev prøven

beskrives i denne artikel, har ændret situationen fuldstændigt. I

fordampet i ionkilden ved opvarmning, som når vand bringes på

dag er det muligt at identificere tusindvis af proteiner på en enkelt

dampform ved kogning. Derpå blev massen bestemt ved at stu-

arbejdsdag.

Principskitse af et massespektrometer

Massespektrum

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

39

Tandemacceleratoren i Uppsala blev brugt som ionkilde ved optagelsen af det første massespektrum af et intakt protein, insulin. Foto: Upp­ sala Universitet sespektrometriområdet. Proteinanalyse var ikke et varmt emne for

telse på vitamin K’s involvering i blodets koagulation. Vores drøm

instrumentproducenterne.

var dog hele tiden, at nye metoder ville blive udviklet, så vi kunne analysere intakte proteiner uden først at lave en omfattende deri-

Alligevel blev det dog klart, at massespektrometrien havde stort

vatisering og opdeling af proteinerne i de mindre peptider.

potentiale for analyse af proteinmodifikationer, og i løbet af 1970’erne lykkedes det os at finde et antal modifikationer. Den

Nye genetiske metoder ændrer biologisk forskning

vigtigste var resultatet af et studie i samarbejde med læger fra

I 1974 flyttede jeg fra Proteinkemisk Institut til det daværende

Malmøs sygehus af en modifikation, som er væsentlig for, at blo-

Odense Universitet, nu Syddansk Universitet, hvor jeg fik mulighed

det kan koagulere. Den bestod i påsætning af en ekstra syregrup-

for at fortsætte min interesse for massespektrometrisk protein­

pe på en af byggestenene i de proteiner, som er ansvarlige for

analyse.

koagulationskaskaden. Interessant nok var opdagelsen en bekræf-

40

P R O T E I N E R N E S

V E R D E N

Nogle år senere skete der et stort paradigmeskift i den biologiske forskning i kraft af udvikling af helt nye genetiske teknikker, som medførte, at det blev muligt at udføre gensplejsning. Man kunne nu fremstille rekombinante proteiner i organismer som bakterier og gær, og også ændre proteinernes egenskaber ved at ændre på generne.

Metoden blev kaldt protein engineering, og på det tidspunkt sprang langt de fleste proteinkemikere over til de nye genetiske metoder.

Jeg holdt dog mere af proteiner end af DNA og var også blevet betaget af massespektrometriens potentiale til analyse af komplekse stoffer. Jeg besluttede derfor at bruge en periode på at analysere, hvilke behov den nye udvikling indenfor de genetiske metoder ville medføre inden for proteinanalysen. Det blev klart for mig, at der i løbet af få år ville komme nye behov for proteinanalyse, og at de metoder, der skulle anvendes, nødvendigvis måtte være væsentligt forskellige fra de hidtidige kemisk baserede metoder. Anvendelse af massespektrometri i samspil med de informationer, som kom fra de genetiske metoder, specielt sekvensbestemmelse af DNA, syntes at være oplagt.

Det ville dog kræve et metodologisk mirakel, hvis drømmene om udvikling af nye massespektrometriske analysemetoder skulle gå i opfyldelse.

Miraklet kom! I 1979 blev jeg kontaktet af en svensk fysiker fra Uppsalas Universitet, som spurgte, om det ville være muligt at placere et protein på en fast overflade i en tandemaccelerator - et instrument på størrelse med en boligblok - og derpå bombardere proteinet med partikler med energier på 100 millioner eletronvolt med henblik på at få molekylerne intakt på gasfase i et massespektrometer. Jeg troede absolut ikke, at det kunne gøres. Min forventning var, at proteinmolekylerne ville blive totalt ødelagt af at blive udsat for de enorme energier, men hvis tricket var muligt, ville det da være et fantastisk fremskridt.

Det var muligt. To år senere optog Uppsala fysikerne det første massespektrum af et intakt protein, insulin. Jeg tog øjeblikkeligt til Uppsala med et antal af de reneste små proteiner, jeg kunne få fat i. Af de 13 prøver, jeg medbragte, fik vi gode resultater med de 12. Det blev indledningen på et langt og meget frugtbart samarbejde. Fysikerne i Uppsala havde i mellemtiden fundet ud af, at man ikke behøvede en tandemaccelerator til at fremstille det højenergetiske bombardement. Baseret på opdagelser af en amerikansk forsker kunne bombardementet opnås fra en højradioaktiv kilde af grundstoffet californium 252. Dette stof gennemgår spontan kernespaltning og udsender to partikler med den ønskede energi.

Uppsala fysikerne skabte et spin-off firma, BioIon AB, som skulle kommercialisere det første massespektrometer, som var dedikeret til proteinanalyse. Metoden blev kaldt Plasma Desorption Massespektrometri (PDMS). For at overkomme begrænsningerne i molekylstørrelse ved brug af traditionelle massespektrometre havde de valgt en næ-

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

41

sten glemt analysemetode kaldet flyvetidsmassespektrometri (Time-of-Flight, TOF MS), hvor flyvetiden gennem analysatoren afhænger af molekylets masse.

Med støtte fra private virksomheder samt diverse private og offentlige fonde fik jeg mulighed for at få det første af disse instrumenter i mit laboratorium. Samtidigt var der i England udviklet en alternativ metode kaldet Fast Atom Bombardment (FAB MS) til at få intakte peptider på gasfase i et massespektrometer. På basis af informationer derfra blev det muligt at ombygge et af vore eksisterende massespektrometre til analyse ved hjælp af FAB. Jeg var således blandt de første i verden, som havde de to nye metoder til massespektrometrisk proteinanalyse i mit laboratorium.

1980’erne blev en fantastisk inspirerende periode. Vi var en lille gruppe på 15-20 forskere fra hele verden, som mødtes regelmæssigt, og som kommunikerede livligt med det nye e-mail medium. De fleste var fysikere, og jeg var den eneste med rødder i biologisk forskning. Vi følte os som pionerer. Ingen af os tænkte på patentering og ophavsrettigheder, hvilket medførte, at vi havde en helt fri udveksling af ideer og resultater, noget som var meget befordrende for udviklingen, og som med de nuværende regler er umuligt.

Odense

proteomics what

is to

NASHVILLE is to country

music

I Odense koncentrerede vi os om at forsøge at udnytte samspillet mellem massespektrometrisk proteinanalyse og den store mængde information, som løbende blev genereret ved hjælp af de nye genetiske teknikker. I denne periode udviklede vi og andre forskergrupper en række af de metoder, som i dag er helt dominerende indenfor proteinanalyse. Samtidig voksede min egen forskningsgruppe fra mig selv og en halvtids laborant til ca. 15 personer, heriblandt adskillige ph.d.-studerende, som i dag sidder i nøglestillinger verden over. Et andet resultat af vores aktiviteter var, at danske medicinalvirksomheder var blandt de første i verden, som indførte PDMS i deres

En kompliment – af de store – og en af

forsknings- og udviklingsprogrammer. Dette var sikkert også en del af baggrunden for,

de mere farverige udtalelser om prote-

at jeg for 20 år siden blev tildelt Villum Kann Rasmussens Årslegat for Teknisk Viden-

omforskningen på Syddansk Universi-

skabelig Forskning.

tet i Odense. Citat: Professor Stephen Oliver, University of Manchester, citat i

En ny æra, proteomanalysen

Genome Technology, December 2001

I løbet af 1980’erne blev det dog klart, at PD og FAB MS ikke kunne leve op til fremtidens krav til proteinanalyse, hverken med hensyn til, hvor store proteiner man kunne analysere, eller med hensyn til den følsomhed og nøjagtighed, hvormed proteinernes og peptidernes molekylvægt kunne bestemmes.

I 1988 blev to nye metoder til massespektrometrisk analyse af proteiner præsenteret på kongresser i USA og Frankrig. Det var electrospray ionization (ESI) og matrix assisted laser desorption ionization (MALDI) MS. Allerede fra starten var det åbenbart, at disse metoder havde potentiale for at overkomme de hidtidige metoders begrænsninger, og vi var alle meget begejstrede.

42

P R O T E I N E R N E S

V E R D E N

Selv om producenterne af massespektrometre langt om længe havde fået øjnene op for det store fremtidige marked for proteinanalyse, var der endnu ikke udviklet kommercielt tilgængelige instrumenter baseret på de nye metoder, og her fik tildelingen af Årslegatet afgørende betydning. Jeg havde pludselig en pengetank, som gjorde, at vi uden at skulle ud i langvarige ansøgningsprocedurer kunne ombygge et af vore PDMS instrumenter til et MALDI instrument og indkøbe et ESI instrument.

I kraft af tildelingen af Villum Kann Rasmussens Årslegat var vi blot et år senere blandt de første i verden, som havde adgang til og mulighed for at udnytte de helt nye metoder, som blev startskuddet til en revolution i proteinanalysen, og som siden har skabt baggrunden for et af de mest centrale områder i al biologisk forskning, nemlig proteomanalyse. I 1990 blev jeg tildelt et femårigt forskningsprofessorat fra Undervisningsministeriet, hvilket ikke alene gav mig ekstra midler til indkøb af udstyr, men frem for alt frigjorde mig for mange andre aktiviteter, så jeg kunne koncentrere mig helt om forskningen.

Vi var nu i den heldige situation, at vi som et af få laboratorier i verden havde instrumenter som tillod os at udforske proteomer, og vi indledte et samarbejde med Århus Universitet med henblik på at bruge massespektrometri til at identificere proteiner, som forinden var separeret ved 2D-gelelektroforese. Denne fremgangsmåde er i dag en af de to dominerende strategier indenfor proteomanalyse.

Instrumentproducenterne havde nu forstået, at proteinanalyse ville blive et meget stort nyt marked og satsede stort på udvikling af nye massepektrometre til proteinanalyse. Vi fik i kraft af meget gode relationer til fabrikanterne adgang til de nyeste instrumenter, ofte som β-test site tidligt i udviklingen, eller til meget favorable priser, når instrumenterne kom på markedet. Dette medførte sammen med flere bevillinger fra statslige og private fonde i 1990’erne, at vi hele tiden kunne være på forkant med de nyeste metoder og instrumenter. Det satte os i stand til at etablere den anden dominerende strategi for proteomanalyse, som er baseret på en kombination af væskekromatografi til adskillelse af proteinerne i en prøve og massespektrometri til identifikation.

Som en konsekvens ansøgte mange gæsteforskere fra hele verden om at udføre projekter i vores forskningsgruppe, og antallet af studerende steg, så vi i løbet af perioden voksede fra ca. 15 til ca. 60 medarbejdere. Ligeledes blev vi involveret i samarbejder med den farmaceutiske og bioteknologiske industri i mange lande, og på internationalt plan høstede aktiviteterne indenfor proteomanalyse i Odense stor anerkendelse.

En stor udfordring ved de nye metoder til proteomanalyse var, at der genereres enorme datamængder, langt mere end det er muligt at behandle uden omfattende

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

43

PROTEOMER – ALLE PROTEINERNE I ET LIVSFORLØB

Samme arvemasse, samme dyr. Forskellige udviklingsstadier, forskellige proteomer. Kun ved at studere de aktive proteiner via proteomanalyse kan vi forstå, hvilke processer der fører til insektets forskellige stadier

44

P R O T E I N E R N E S

V E R D E N

Proteomanalyse er defineret som en global analyse af alle de proteiner, som udtrykkes fra genomet i en celle, et væv eller en organisme. Analysen omfatter, hvilke proteiner der dannes på et givet tidspunkt i organismens livscyklus, hvor store mængder proteinerne produceres i, og hvilke varianter som fremstilles.

Betydningen af proteomanalyse kan illustreres ved at sammenligne en larve og en sommerfugl. Uanset udviklingstrinnet har larven og sommerfuglen præcis den samme genetiske information i sin arvemasse, og ud fra genomet kan vi ikke forudsige, hvornår insektet er i det ene eller det andet stadie. Det mellemliggende puppestadium er en af naturens mest dramatiske begivenheder, hvor larven i sin kokon går i opløsning til en suppe af celler og proteiner, som så reorganiserer sig og bliver til den smukke sommerfugl. Kun ved at studere, hvilke proteiner og varianter af disse som produceres, og hvilke som er i kontakt med hinanden i de forskellige stadier, kan vi begynde at forstå de biologiske mekanismer, som er drivkraften bag metamorfosen.

Proteomanalysen bygger på en række tilsyneladende uafhængige teknologiske og metodologiske fremskridt. Dels er der gennem de sidste to årtier skabt store mængder genetisk information. Dels er der udviklet nye metoder til separation af proteiner og peptider. Og endeligt er der udviklet nye massespektrometriske metoder, som i kraft af stor følsomhed og massenøjagtighed tillader identifikation af proteiner i relation til den genetiske information og dertil identifikation af de forskellige proteinmodifikationer.

Betegnelsen proteomanalyse blev først introduceret i midten at 1990’erne, og forskningsområdet er siden hen eksploderet. Kimen blev dog lagt 10-15 år tidligere, og danske forskningsgrupper var blandt de første. Proteomanalyse indgår nu i utallige grundvidenskabelige, medicinske og industrielle projekter med henblik på at afklare de molekylære mekanismer i den levende organisme og baggrunden for sygdomme.

Desuden skaber det øgede kendskab til proteomer muligheder for en mere miljøvenlig bioteknologisk industri.

Mange tusinde akademiske og industrielle forskere på verdensplan er i dag aktivt involveret i proteomanalyse, og hvert år afholdes der et større antal kongresser. I analogi med Humane Genome Organization (HUGO), som koordinerede kortlægningen af menneskets arvemasse, er der nu skabt Humane Proteome Organization (HUPO), som skal koordinere al information om menneskets proteiner i alle deres former.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

Fotos: Stockxpert

45

anvendelse af bioinformatiske værktøjer. Udvikling af sådanne metoder blev støttet af Danmarks Grundforskningsfond 1998 gennem oprettelsen af et grundforskningscenter, Center for Eksperimentel Bioinformatik, på Syddansk Universitet med det formål at udvikle bioinformatik parallelt med udviklingen af metoder til proteomanalyse.

Samtidig gik instrumentudviklingen nu så hurtigt, at der skulle investeres i nye instrumenter i adskillige millioner kroners prisklassen næsten hvert år for at kunne forblive på forkant med udviklingen. Her kom et initiativ fra Forskningsstyrelsen om støtte til store instrumentinvesteringer os til gode i år 2000 gennem oprettelsen af Danmarks Bioteknologiske Instrumentcenter, som blev administreret fra vores forskningsgruppe.

Mange af vores instrumenter, som var begyndt at blive forældede, selvom de kun var få år gamle, kunne nu udskiftes eller opdateres, og vi var igen instrumentelt med i førerfeltet.

Ved udgangen af 2004 kunne jeg efter 36 års forskningsindsats indenfor proteinmassespektrometri konstatere, at min drøm som ung forsker om, at massespektrometri kunne blive en helt væsentlig analysemetode i proteinforskningen ikke alene var opfyldt, men også kommet langt videre end jeg selv i mine vildeste drømme turde tro på.

Massespektrometri var nu blevet en standardanalysemetode i proteinkemisk, molekylærbiologisk og cellebiologisk forskning. Hvor det i 1970’erne kunne tage adskillige år at karakterisere et enkelt protein, var det nu muligt at identificere tusinder af proteiner på en enkelt dag og bestemme, hvilke modifikationer der var på disse proteiner, og opklare hvor i proteinet de sad. Tilmed kan man i dag kvantitativt bestemme forskellen mellem proteiner i forskellige biologiske situationer, f.eks. i sunde og syge celler.

Målet var nået, og derfor gennemførte jeg en beslutning, jeg havde taget ti år tidligere; at jeg i en alder af 62 år ville overlade ansvaret for Proteinforskningsgruppen til næste generation og selv træde et skridt tilbage.

En forsker må blive ved En forsker stopper ikke bare og bliver pensionist, og jeg havde stadig min uopfyldte Fluorescerende organismer fotograferet

ekspeditionsdrøm fra barndommen. På det tidspunkt var de første planer om en Ga-

ved natdyk i Caribien. Øverst en hjerne-

lathea 3 ekspedition netop kommet frem. Min interesse var vakt, men hvordan kunne

koral og nederst en søanemone. Foto:

en proteinkemiker berettige sin deltagelse i en overvejende marinbiologisk og oceano-

Krzysztof Wrzesinski

grafisk ekspedition?

Svaret lå lige om hjørnet – jagt på nye fluorescerende proteiner. Det næste trin i proteomanalysen bliver nemlig at kunne lokalisere alle proteinernes placering i den levende organisme; både i det tredimensionelle rum og i tid. Og en af de mest lovende metoder er – via genetiske manipulationer - at fremstille fusionsproteiner mellem det protein, der ønskes lokaliseret, og et grønt fluorescerende protein, GFP, som er isoleret fra en vandmand i det nordøstlige Stillehav. Proteinet, som skal observeres, får på den måde påhæftet en lygte, som ved hjælp af en teknik kaldet konfokalmikroskopi kan

46

P R O T E I N E R N E S

V E R D E N

Forfatteren på jagt efter nye fluorescerende proteiner på Galathea 3 Ekspeditionen i Caribien. Denne flotte svamp fluorescerede dog ikke. Foto: Krzysztof Wrzesinski

vise, hvor det er, og hvordan det flytter sig rundt i cellerne.

Ganske vist var der isoleret nogle få andre fluorescerende proteiner, f.eks. et rødt lysende protein fra en koral, men forskningens værktøjskasse bugnede ikke ligefrem af redskaber til fremstilling af fusionsproteiner. Ud fra en formodning om, at havets organismer måtte indeholde flere forskellige fluorescerende proteiner, blev jeg accepteret på Galathea 3 Ekspeditionen med projektet: “Fluorescerende proteiner, oceanernes gave til forskning og bioteknologi”.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

47

Planen var, at vi skulle finde og indsamle fluorescerende marine

lige præcist det rigtige tidspunkt. Anerkendelsen var naturligvis

organismer ved natdykning i tropiske koralrev i det vestlige Stil-

en stor opmuntring, og den gav mig mulighed for nye tiltag. Der

lehav og Caribien. Vi vidste ikke, om vi ville finde noget nyt, og

var netop opstået helt nye teknologiske muligheder, og legatet

på forhånd ville vi have været glade for en 4-5 lovende prøver.

medførte, at jeg umiddelbart kunne satse på dem i stedet for at

Projektet blev imidlertid en stor succes. Da ekspeditionsskibet

gå igennem langvarige ansøgningsprocedurer til et ofte konser-

Vædderen ankom til København, havde vi i minus-80-grader-

vativt forskningsbevillingssystem.

fryseren på skibet 126 lovende prøver, som i laboratorierne ombord alle havde passeret de indledende tests, som skulle vise,

Nutidens statslige og internationale bevillingssystem forudsætter

om fluorescensen kunne skyldes et nyt protein.

nemlig, at man allerede i ansøgningsfasen næsten kan beskrive, hvilke resultater der forventes ved hjælp af ”milepæle”, og

Nu står vi med den store udfordring at karakterisere og senere

efterfølgende lægges der i rapporteringen stor vægt på, at disse

udnytte denne store mængde information, som de indsam-

mål opfyldes. Den nuværende filosofi - ”Fra bevilling til faktura”

lede prøver giver adgang til. De teknikker, vi gennem årene har

- giver desværre meget lidt plads til virkelig innovativ forskning,

udviklet til proteomanalyse, er alle baseret på, at vi sammenlig-

hvor man bevæger sig ud på dybt vand baseret på en vision.

ner med kendt genomisk information. Her står vi med et antal organismer, hvor arvemassen aldrig er analyseret, og sikkert er

Jeg er overbevist om, at jeg med det nuværende system aldrig

nogle af dem knap nok kendt. Vi har derfor videreudviklet vores

ville have kunnet etablere proteinmassespektrometri i Dan-

proteomanalyseteknikker til at kunne håndtere denne problema-

mark, fordi de faglige argumenter, jeg kunne mobilisere, da

tik, og de første prøver, vi har analyseret, ser meget lovende ud.

jeg startede, mildest talt var svage. Betydningen af at modtage

Nu skal vi ved hjælp af molekylærbiologiske metoder klone pro-

forskningsmidler uden bindinger er uvurderlig. Jeg har siden

teinerne og fremstille fusionsproteiner for at se, om de også har

tildelingen af Årslegatet ved flere lejligheder modtaget sådanne

de egenskaber, vi forventer af dem som nye redskaber i forsk-

frie midler, og de har hver gang betydet, at vi kunne bryde

ningens værktøjskasse. Det kan holde mig beskæftiget resten af

traditionelle grænser. Senest blev mit Galathea 3 projekt, hvor

mit liv. Deltagelsen i Galathea 3 Ekspeditionen var en fantastisk

vi ikke anede, om vi ville finde noget, kun muligt, fordi jeg

oplevelse og levede fuldt ud op til min barndoms drøm om at

kort før havde modtaget andre ubundne forskningsmidler, der

blive en ”rigtig” naturvidenskabsmand.

kunne bruges til at forfølge en vision. Sammenfattende må jeg konstatere, at både drengens og den unge forskers drømme og visioner er blevet til virkelighed på grund af held og ofte uventet

I mit tilfælde fik jeg Villum Kann Rasmussen Fondens Årslegat på

økonomisk støtte uden bindinger på de helt rigtige tidspunkter.

48

Om betydningen af videnskabelige priser

P R O T E I N E R N E S

V E R D E N

Foto: Doris Petersen Om forfatteren Peter Roepstorff, f. 1942, professor dr. h.c., modtog Villum Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk Forskning i 1988 for hans udvikling af metoder til proteinanalyse ved massespektrometri. Hans forskning har bevæget sig i grænseområderne mellem analytisk kemi, biologi og fysik.

Han har siden 1974 været ansat ved Syddansk Universitet, fra 1995 som professor i proteinkemi. I perioden 1990 til 1995 havde han et forskningsprofessorat fra Undervisningsministeriet. Han har været leder af Danmarks Grundforskningsfonds Center for Eksperimentel Bioinformatik i perioden1998-2003 og har gennem årene været centerleder for adskillige centre oprettet af Forskningsstyrelsen, senest Danmarks Bioteknologiske Instrumentcenter siden år 2000. Han har siddet i rådgivnings- og styringskommiteer for adskillige udenlandske forskningsinitiativer og er medlem af redaktionskommiteerne for adskillige videnskabelige tidsskrifter. Han er medlem af Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab og af Akademiet for de Tekniske Videnskaber. Han har modtaget adskillige priser for sin forskning indenfor proteinanalyse, senest HUPO Distinguished Achievement Award in Proteomic Sciences i oktober 2007.

Peter Roepstorff blev i juli 2008 udnævnt til det første æresmedlem af the British Society for Proteome Research. Hans engagement i forskningsformidling til et bredere publikum har vist sig gennem populærvidenskabelige artikler og bogkapitler, medvirken i fjernsynsprogrammer samt foredrag i mange forskellige fora. I fritiden bor han på og driver skovbrug på en gård ved Lillebælt, hvis han ikke sejler rundt i de danske farvande i sin sejlbåd.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

49

Systembiologisk design af nye

cellefabrikker

Af Jens Nielsen Cellefabrikker er mikroorganismer eller celler fra planter og dyr, som anven­ des til industriel fremstilling af lægemidler, biobrændsler, enzymer, kemikalier og plast. Matematiske modeller, der omfatter cellens samlede stofskifte, kan føre til design af bedre cellefabrikker, der giver øgede udbytter, nye produk­ ter og effektive produktionsprocesser.

50

S Y S T E M B I O L O G I S K

D E S I G N

A F

N Y E

C E L L E F A B R I K K E R

Bioteknologi er blevet anvendt gennem århundreder til fremstilling af øl, vin, ost og brød. Under 2. verdenskrig blev der udviklet metoder til industriel produktion af penicillin, som var den første bioteknologiske produktionsproces til fremstilling af et

Penicillium chrysogenum. Foto: KACC

lægemiddel. Efter krigen førte gennembruddet til, at gæringsprocesser hurtigt fandt anvendelse til produktion af en lang række forskellige antibiotika. I gæringsprocesser benyttes mikroorganismer, f.eks. bagegær, til at omdanne råvaren til det ønskede produkt.

Under omdannelsen udnytter man mikroorganismens stofskifte, og derfor kaldes industrielt vigtige mikroorganismer ofte for cellefabrikker. For industrien er det afgørende løbende at forbedre de anvendte cellefabrikker, specielt med henblik på at opnå højere udbytter. Således har forbedringer af skimmelsvampen Penicillium chrysogenum, der bruges til produktion af penicillin, forøget udbyttet med mere end en faktor 10.000. Disse forbedringer blev opnået ved klassisk forædling, hvor cellefabrikken blev udsat for mutationer, hvorpå man søgte efter mutanter, der kunne producere mere penicillin end den oprindelige svamp. Klassisk forædling har haft stor succes, men metoden er meget arbejdskrævende, og den er ikke specielt målrettet. Desuden opstår der i mange tilfælde uhensigtsmæssige mutationer, som medfører uønskede forandringer i cellefabrikkens egenskaber.

I de senere år er der derfor indført genteknologiske metoder til forbedring af cellefabrikker, men succesfuld anvendelse af gensplejsning kræver et meget detaljeret kendskab til cellefabrikkernes biokemi. Med moderne systembiologi er det nu blevet muligt at anlægge en holistisk angrebsvinkel på cellens funktion, som omfatter hele samspillet mellem arvemassen, proteinerne, stofskifteprodukterne og biosyntesevejene. Det er baggrunden for, at min forskergruppe på Chalmers Tekniska Högskola i Göteborg gennem de seneste ti år har udviklet avancerede matematiske modeller, der beskriver alle de biokemiske reaktioner i forskellige cellefabrikker.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

51

NOGLE EKSEMPLER PĂ… CELLEFABRIKKER

Kulturer af hamsterceller bruges til produktion af EPO. Foto:

tion af penicillin. Foto: KACC

Alcibiades

Celler fra insekter benyttes til produktion af antistoffer. Foto:

Planteceller anvendes til fremstilling af taxol der anvendes til

CDC/ Jim Gathany

kemoterapi. Foto: Steve Baskauf

Bakterien E. coli bruges til produktion af enzymer. Foto: Foci

BagegĂŚr benyttes til produktion af insulin. Foto: Foci

52

Skimmelsvampen Penicillium chrysogenum anvendes til produk-

S Y S T E M B I O L O G I S K

D E S I G N

A F

N Y E

C E L L E F A B R I K K E R

Bioteknologiske produkter og processer I dag fremstilles en lang række bioteknologiske produkter i cellefabrikker. Produkterne omfatter biobrændsler, lægemidler, tilsætningsstoffer i levnedsmidler og foder, samt stoffer, der finder anvendelse i industrielle processer, f.eks. enzymer der bruges til så forskellige formål som ostefremstilling og papirfremstilling. I de senere år har der specielt været fokus på biobrændsler, f.eks. bioethanol, som kan erstatte benzin, men den kemiske industri satser også i stigende grad på bioteknologisk produktion af kemikalier. Bioteknologiske processer forbruger typisk mindre energi og er ofte mere miljøvenlige end de traditionelle kemiske produktionsmetoder.

Til fremstilling af forskellige produkter benytter man en lang række forskellige cellefabrikker. Nogle produkter fremstilles i bakterier, andre kræver mere avancerede cellefabrikker som bagegær og planteceller, mens visse produkter – typisk større humane proteiner, hormoner og antistoffer - kun kan fremstilles i meget komplekse cellefabrikker som f.eks. hamsterceller. Der er stor forskel på den måde, hvorpå forskellige cellefabrikker fungerer, men generelt forsøger man at rekruttere det system af kemiske reaktioner, der finder sted i en given cellefabrik, og på den måde udnytte cellefabrikkernes biokemiske produktionsapparat.

Gensplejsede cellefabrikker I 1973 gennemførte Cohen og Boyers som de første gensplejsning i tarmbakterien Escherichia coli. Dette arbejde repræsenterer en betydelig landvinding i moderne biologisk forskning, men også i industriel produktion. Muligheden for at overføre arvemasse fra en organisme til en anden muliggjorde en helt ny måde til forbedring af

Produkt

Typisk anvendelse

Markedsstørrelse

Ethanol (sprit)

Foruden drikkesprit - den mindste anvendelse - bruges ethanol som biobrændsel - den største anvendelse - og i den kemiske industri.

>30 milliarder US$

Penicilliner

Anvendes som antibiotika. Der findes en lang række forskellige penicilliner, som benyttes til bekæmpelse af forskellige bakterielle infektionssygdomme.

15 milliarder US$

Insulin

Anvendes til behandling af sukkersygepatienter. Insulin fremstilles bl.a. ved hjælp af gensplejset bagegær på Novo Nordisk A/S.

5 milliarder US$

Erythropoitin (EPO)

Et nyrehormon, der stimulerer dannelsen af røde blodlegemer. Anvendes til patienter med nyresvigt og i forbindelse med kemoterapi på kræftpatienter.

5 milliarder US$

Enzymer

Bruges bl.a. i vaskepulver, i bageindustrien og i en række andre industrier. Der fremstilles mange forskellige enzymer.

2 milliarder US$

Lysin

En aminosyre, der anvendes som fodertilsætning.

500 millioner US$

Phenylalanin

En aminosyre, som bruges til fremstilling af aspartam, et kunstigt sødemiddel, der bl.a. anvendes i lavkalorie sodavand.

200 millioner US$

Citronsyre

Anvendes i levnedsmiddelindustrien som tilsætningsstof.

1.5 milliarder US$

Tabellen giver et overblik over vigtige produkter fremstillet i cellefabrikker samt størrelsen af deres markeder på årsplan

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

53

ANVENDELSE AF LEVENDE CELLERS KEMI

NH4+

CO2

Glucose

Sprit

Ilt

Biprodukter Industriel fermentor, volumen 100-1.000 liter. Foto: Foci

Penicillin Insulin Enzym (til vaskepulver)

Saccharomyces cerevisiae (bagegær). Foto: Foci Mange bioteknologiske produkter fremstilles ved hjælp af levende cellers kemi. Mikroorganismer og andre typer celler, f.eks. planteceller, kan omdanne sukker - typisk glukose - til en række forskellige kemiske stoffer, der kan finde anvendelse som lægemidler eller som kemiske produkter såsom enzymer til vaskepulver. Under produktionsprocessen udfører cellen et stort antal biokemiske reaktioner. I industriel produktion dyrkes levende celler, f.eks. bagegær, i store ståltanke, som kaldes fermentorer. Dyrkning af cellerne i disse tanke betegnes ofte som gæringsprocesser

54

S Y S T E M B I O L O G I S K

D E S I G N

A F

N Y E

C E L L E F A B R I K K E R

gæringsprocesser, og samtidig blev det muligt at fremstille kendte stoffer på nye måder. Gennembruddet førte ret hurtigt til, at man kunne fremstille lægemidler ved anvendelse af gensplejsede kolibakterier eller bagegær.

Ikke mindst blev det muligt at fremstille humant insulin til sukkersygepatienter ved hjælp af en gensplejset bagegær, hvilket var en betydeligt renere og mere effektiv proces end den klassiske metode, hvor insulin blev udvundet fra bugspytkirtler fra svin. Med bioteknologiske processer baseret på gensplejsede mikroorganismer som bagegær blev der samtidig skabt en produktionsmetode, som forhindrer en mulig overførsel af virus fra dyrevæv til patienter.

EPO fremmer dannelsen af røde blodlegemer; syntetisk EPO ligner kroppens

Anvendelse af gensplejsning har også ført til udvikling af produktionsprocesser for

eget hormon så meget, at det er svært

en lang række nye lægemidler, som blandt andet anvendes til kræftbehandling. I

at skelne. Foto: Plexus Communications

dag produceres der ved hjælp af gæringsprocesser mere end 60 lægemidler, som er baseret på proteiner. Til sammen repræsenter proteinlægemidlerne et verdensmarked på mere end 50 milliarder US$, og markedet for denne type produkter er tilmed i stærk vækst. Medicinalindustrien fokuserer især på at udvikle nye antistoffer, som kan benyttes til behandling af kræft. Til produktionen af denne type lægemidler anvendes ikke kun mikroorganismer som bagegær og kolibakterier, men også mere komplicerede cellefabrikker såsom hamsterceller og insektceller. Valget af cellefabrik afhænger af en række faktorer såsom evnen til at foretage komplekse kemiske modifikationer af det fremstillede protein.

At cellefabrikker kan fremstille lægemidler, der til forveksling minder om de naturlige proteiner i kroppen, er glimrende illustreret ved de problemer, man har med at fastslå, om sportsfolk har indtaget EPO. EPO er en forkortelse for hormonet erythropoitin, som stimulerer dannelsen af røde blodlegemer. EPO anvendes medicinsk til patienter med nyresvigt samt i visse former for kræftbehandling. Men da EPO fremmer produktionen af røde blodlegemer, har nogle sportsfolk brugt stoffet som doping. EPO fremstilles i celler fra kinesiske hamstere, som har fået indsat det humane gen for proteinet. Det faktum, at det er meget svært at skelne imellem det kunstigt fremstillede EPO og det i kroppen naturligt dannede hormon viser, hvor godt det er muligt at fremstille kunstigt EPO.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

55

Biokemisk reaktionsnetværk

Glucose ATP

(1)

ADP

Glucose-phosphate (2)

Fructose-6-phosphate ATP

(3)

ADP

Fructose-1,6bisphosphate (4)

Dihydroxyacetone phosphate

(5)

Glyceraldehyde-3 phosphate NAD+

(6)

NADH

1,3 Diphosphoglycerate ADP

(7)

ATP

3 Phosphoglycerate

Enzym

(8)

2 Phosphoglycerate (9)

Phosphoenolpyruvate ADP

(10)

ATP

Pyruvate

Biokemisk syntesevej DNA

Arvemasse I en levende celle foregår der et stort antal biokemiske reaktioner, og summen af disse kaldes det biokemiske reaktionsnetværk eller stofskiftet, som er forskelligt for forskellige cellefabrikker. Netværket er opbygget af et stort antal biokemiske synteseveje. De enkelte synteseveje består af en række biokemiske reaktioner, som hver især omdanner et kemisk stof til et andet. Hver enkelt af de biokemiske reaktioner er katalyseret af enzymer, som er en speciel gruppe af proteiner. Enzymerne dannes som alle proteiner ud fra gener, der er opbygget af DNA, som udgør cellens arvemasse. Der er således en tæt sammenhæng imellem cellens arvemasse og det biokemiske reaktions netværk, som opererer i en given cellefabrik

56

S Y S T E M B I O L O G I S K

D E S I G N

A F

N Y E

C E L L E F A B R I K K E R

Forbedret stofskifte Introduktionen af gensplejsning har også banet vej for målrettet forbedring af cellefabrikker til fremstilling af klassiske bioteknologiske produkter som penicillin, sprit og mælkesyre. For at opnå dette er det nødvendigt med et detaljeret kendskab til cellernes stofskifte. I omdannelsen af sukker til sprit eller penicillin anvender cellefabrikken nemlig et stort antal kemiske reaktioner.

Disse reaktioner danner tilsammen cellens biokemiske reaktionsnetværk, hvor der er et tæt samspil imellem cellens arvemasse og de biokemiske stofskifteprocesser. Ved at foretage specifikke ændringer i cellefabrikkens arveanlæg ved hjælp af gensplejsning kan man opnå, at cellefabrikken udnytter de optimale biokemiske synteseveje og dermed udfører en effektiv omdannelse af sukkeret til det ønskede produkt.

Anvendelse af gensplejsning til forbedring af cellefabrikker er blevet betegnet ”metabolic engineering”, og metoden udnyttes i dag til forbedring af en lang række klassiske gæringsprocesser til fremstilling af produkter som penicillin, bioethanol, citronsyre og industrielle enzymer som chymosin til ostefremstilling. Den totale markedsværdi af disse produkter overstiger 45 milliarder US$, og der er en kraftig vækst i markedet.

Flere store kemikoncerner har etableret nye bioteknologiske processer. Cargill, en stor agrokemisk virksomhed i USA, har bygget en ny fabrik, som alene står for halvdelen af verdensproduktionen af mælkesyre svarende til 140.000 tons om året. Disse enorme mængder af mælkesyre anvendes til at producere en polymer, der har gode egenskaber som plastmateriale og samtidig er bionedbrydelig. Dupont, en anden stor amerikansk kemikoncern, har etableret en bioteknologisk produktion af det kemiske stof 1,3 propandiol, der kan bruges som udgangsstof for syntese af en række forskellige produkter, heriblandt bionedbrydelig plast. I hovedparten af disse processer er der foretaget en række genetiske ændringer i arvemassen på de anvendte cellefabrikker, og i flere tilfælde er der rekrutteret enzymer fra andre organismer med henblik på etablering af helt nye biokemiske synteseveje.

Analyse af cellefabrikker I bagegær findes der omtrent 6000 gener, og derfor er det vanskeligt at identificere, hvor man skal foretage genetiske ændringer, som fører til en mere effektiv omdannelse af sukker til produkt. Succesfyldt anvendelse af metabolic engineering kræver derfor en detaljeret analyse af det biokemiske reaktionsnetværk.

Samtidig er det nødvendigt at have nogle gode værktøjer til at analysere konsekvensen af en given genetisk ændring, man planlægger at foretage. Hvorvidt en gennemført ændring er god eller dårlig kan være nemt at afklare, men det er sværere at forstå, hvorfor en valgt strategi ikke virkede efter hensigten. Derfor er det nødvendigt at kigge nærmere på, hvorledes information oversættes fra cellernes arvemasse – genomet - til det biokemiske reaktionsnetværk.

I de senere år er der udviklet en række nye analysemetoder, hvor aktiviteten igennem de forskellige grene af det biokemiske reaktionsnetværk kan beregnes via anvendelse af matematiske

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

57

Metabolome

S

E1

X1

E2

X2

E3

Proteome

Transcriptome

E7

X3

Fluxome

E4

P

E5 E6

Interactome

Genome

Skematisk illustration af, hvordan information overføres fra cellens arvemasse – genomet - til de biokemiske synteseveje i cellen. Genomet består af et stort antal gener. Hvert gen koder for et protein, og summen af alle proteinerne i cellen kaldes cellens proteom.

Oversættelsen af gener til proteiner sker via nogle mellemstoffer, og summen af disse mellemstoffer betegnes som cellens transcriptom.

Nogle proteiner er enzymer, der katalyserer reaktioner i cellens biokemiske synteseveje. I figuren er en biokemisk syntesevej illustreret ved omdannelsen af stoffet S til P via mellemstofferne X1, X2 og X3, og hver af de fire reaktioner er katalyseret af et enzym, henholdsvis E1, E2, E3 og E4. Andre proteiner er regulatoriske proteiner, som er med til at få cellen til at fungere. F.eks. bestemmer de, hvilke gener der skal aktiveres på et givet tidspunkt, og dermed hvilke biokemiske synteseveje, der skal i brug, og hvilke synteseveje, der ikke skal aktiveres. De kemiske mellemstoffer i omdannelsen af stoffet S til P kaldes ofte metabolitter, og summen af alle metabolitter er cellens metabolom. Der er også defineret en række andre ”omer”, f.eks. cellens interaktom, som angiver alle mulige former for interaktioner imellem de forskellige proteiner, og cellens fluxom, der angiver aktiviteten af alle de forskellige biokemiske synteseveje i cellen

58

S Y S T E M B I O L O G I S K

D E S I G N

A F

N Y E

C E L L E F A B R I K K E R

modeller. Således kan aktiviteten af de forskellige biokemiske syntese­veje kortlægges, og dette kan give værdifuld information om betydningen af en specifik genetisk ændring i en cellefabriks arvemasse.

Som ovenfor nævnt sker det ofte, at en genetisk ændring ikke har den ønskede effekt. Dette skyldes især det komplekse samspil, der er imellem de mange forskellige biokemiske reaktioner, men også samspillet imellem de forskellige proteiner. Anvendelse af en overordnet systembetragtning er således afgørende for at opnå succes i metabolic engineering, og arbejdet med at forbedre cellefabrikker udføres derfor nu i et tæt samspil med forskning i systembiologi, som er et hastigt voksende fagområde.

Systembiologiens nødvendighed I løbet af de senere år er der sket en revolution indenfor biologien, som især er drevet frem af det faktum, at arvemassen af en lang række organismer er blevet fuldstændig kortlagt. På nuværende tidspunkt er det lykkedes at kortlægge genomet af mere end 200 mikroorganismer, inklusive flere sygdomsfremkaldende bakterier som Haemophilus influenza, der forårsager meningitis, og Mycoplasma pneumonia, som medfører lungebetændelse. Desuden er arvemassen blevet kortlagt i mange industrielt vigtige organismer, f.eks. bagegær, Saccharomyces cerevisiae.

For de fleste genomer, der er kortlagt, har kun omtrent 60 procent af generne en kendt funktion, og dette har resulteret i en række initiativer med henblik på at tilskrive gener med ukendt funktion en given funktion i cellen. Forskningsområdet, som kaldes ”functional genomics”, repræsenterer et vigtigt paradigmeskift i biologisk forskning. Traditionelt har man arbejdet ud fra en given funktion og har herefter identificeret det tilhørende gen. Nu kan man også begynde fra det modsatte udgangspunkt – med gener uden kendt funktion. Adgangen til information om komplette genomer har således ført til, at det er blevet muligt at udvikle en overordnet systembetragtning på organismers og cellers funktion.

På grund af det meget store antal kemiske processer, der foregår i en celle, er det nødvendigt at anvende matematiske modeller til at integrere al denne information, og derfor anvender man i stigende grad sådanne modeller i biologisk forskning. Integrationen mellem matematiske modeller og eksperimentel biologi kaldes for systembiologi, og systembiologiens metoder har stigende betydning for metabolic engineering.

Inden for systembiologi er der blevet udviklet en række nye eksperimentelle teknikker, som muliggør analyse af de forskellige ”omer” i cellen, og dermed kan vi nu anlægge en holistisk angrebsvinkel på analysen af cellens samlede funktion. Et generelt træk for disse nye teknikker er, at de giver oplysninger om vekselvirkningerne imellem mange forskellige processer og derigennem information om hele det biokemiske netværk i cellen.

Metoderne resulterer imidlertid i et meget stort antal data, og det er derfor afgørende for succes, at de eksperimentelle metoder kombineres med bioinformatik og matematiske modeller til

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

59

Et industrielt anlæg til produktion af bioethanol i South Dakota. Foto: Stockxpert Som et eksempel på anvendelse af matematiske modeller til

kan føre til reduceret glyceroldannelse.

identifikation af nye strategier for metabolic engineering kan

Ved anvendelse af computermodeller testede vi, hvorvidt ind-

nævnes vores arbejde med at forbedre produktionen af bioetha-

sættelsen af nye enzymer taget fra andre organismer, såsom

nol ved hjælp af bagegær, Saccharomyces cerevisiae.

bakterier og planter, kunne forbedre processen. I laboratoriet vil

Bioethanol produceres i dag i meget store mængder, der bruges

det være svært at teste meget mere end ti forskellige strategier,

som biobrændstof, f.eks. i biler. Selv om der fokuseres stærkt på

men på computeren kunne vi nemt teste flere end tusinde for-

de såkaldte 2. generationsteknologier, hvor restbiomasse som

skellige strategier, og hermed kunne vi hurtigt identificere 5-10

halm og træflis kan anvendes som råvarer, så produceres alt

interessante strategier. Den bedste af dem omfattede indsættel-

bioethanol i dag ved anvendelse af traditionelle fermenteringer

sen af et enzym fra en mælkesyrebakterie.

af stivelse eller sukker til ethanol.

Strategien blev efterfølgende implementeret i laboratoriet ved at

I denne proces er det afgørende at have en effektiv udnyttelse af

gensplejse gæren, så den dannede det fremmede enzym. Dette

sukkeret, dvs. et højt udbytte af ethanol, samtidig med at dan-

førte - som forudsagt af modellen - til en forbedring af ethano-

nelsen af biprodukter minimeres. I den industrielle proces dannes

ludbyttet med omtrent 5 procent og en reduktion af glycerol-

der betydelige mængder af biproduktet glycerol. Stoffet dannes

produktionen med mere end 40 procent. Denne strategi er nu

af gæren i forbindelse med at sikre gærcellens afbalancering

patenteret og er ved at blive evalueret for anvendelse i industri-

af det store antal forskellige biokemiske reaktioner, der foregår

elle processer.

inde i cellen, og derfor er det svært at identificere strategier, som

60

S Y S T E M B I O L O G I S K

D E S I G N

A F

N Y E

C E L L E F A B R I K K E R

integration af den enorme informationsmængde. På basis af en sådan integreret analyse, hvor matematiske modeller udnyttes til at forøge eksperimentelt opnået viden om biologiske processer, er det lykkedes at udvikle solide matematiske modeller, som kan anvendes til design af nye cellefabrikker.

I lighed med andre ingeniørvidenskaber, hvor matematiske modeller anvendes til design af f.eks. broer eller elektroniske kredsløb, forventes det, at matematiske modeller til design og udvikling af effektive cellefabrikker vil få stigende betydning i fremtiden. Men i modsætning til mange andre ingeniørdiscipliner er det dog stadig en stor opgave at forstå det system, der arbejdes med.

Forskning indenfor metabolic engineering med henblik på at udvikle nye og bedre cellefabrikker er derfor tæt integreret med grundforskning i systembiologi, hvor målet er at opnå en dybere forståelse af biologiske systemer.

Matematiske modeller Min forskningsgruppe på Chalmers Tekniska Högskola i Göteborg i Sverige har igennem de seneste ti år udviklet avancerede matematiske modeller, der beskriver alle biokemiske reaktioner i forskellige cellefabrikker. I flere tilfælde har vi anvendt disse modeller med succes til at finde nye strategier for metabolic engineering.

Når de strategier, som modellerne forudsiger, efterprøves i laboratoriet, sker det dog ofte, at man ikke opnår præcis de resultater, som modellen havde forudsagt. Årsagen er typisk, at modellerne ikke er fuldstændigt korrekte, men i samspillet med eksperimenterne opnås der ny indsigt, som vi anvender til at forbedre modellerne.

En analogi til beskrivelse af problemstillingen er et trafiksystem. Det metaboliske kort over cellens biokemiske reaktionsnetværk minder på mange måder om et trafikkort, og generelt er det ønskeligt at sikre den mest effektive omdannelse af sukker til det ønskede produkt. Dette vil ofte som i trafikken indebære, at man med fordel kan benytte den korteste vej. Imidlertid viser det sig dog ofte, at cellens stofskifte ikke er adskilt i separate veje, fordi en række kemiske stoffer simultant anvendes i forskellige dele af stofskiftet. Således indgår det kemiske stof ATP alene i omtrent 15 procent af alle cellens biokemiske reaktioner (ATP står for adenosine triphosphat, og dette stof spiller en central rolle i alle cellers energistofskifte). For at der ikke skal ske en pludselig ophobning eller eliminering af stoffet, er det nødvendigt for cellen konstant at balancere dannelse og forbrug af ATP i alle disse reaktioner, hvilket er tæt ved 200 forskellige reaktioner.

Med andre ord er hele cellens stofskifte meget tæt sammenkoblet, og ændringer i en enkelt del ved hjælp af metabolic engineering vil have stor betydning for det samlede stofskifte. Fænomenet illustrerer kompleksiteten i metabolic engineering, og matematiske modeller er derfor et helt afgørende værktøj indenfor dette område. Det forventes derfor, at systembiologi vil bidrage til at accelerere udviklingen indenfor industriel bioteknologi, og på den måde kan systembiologien bidrage til udvikling af fornybare processer til fremstilling af brændstoffer, materialer og andre kemisk afledte produkter.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

61

Interaktionsnetværk for syntesevej

Traditional syntesevej

5 1

6 1

5 2

2

3

1

6 3

4

1

2

2

3 3

5

4

6 Interaktionsnetværk for hele cellens stofskifte

Figuren viser, hvordan cellens mange forskellige biokemiske reaktioner er tæt sammenkoblet. Til venstre er princippet illustreret for et par enkelte reaktioner. Øverst er vist en principiel syntesevej, hvor et kemisk stof omdannes til et andet i tre på hinanden følgende biokemiske reaktioner. I den første og den tredje reaktion anvendes det kemiske stof 5, og foruden koblingen af de to reaktioner via den tredje reaktion er der derfor også en direkte kobling af reaktion 1 og 2 i syntesevejen. Nedenfor til venstre er vist hvordan denne kobling kan illustreres ved at lave et interaktionsnetværk for denne simple syntesevej. Som nævnt i teksten er der et stort antal kemiske stoffer i cellen, der deltager i mange forskellige reaktioner i stil med det kemiske stof 5. Så hvis man kigger på hele cellens stofskifte, som er vist til højre i figuren, bliver det et meget kompakt interaktionsnetværk

62

S Y S T E M B I O L O G I S K

D E S I G N

A F

N Y E

C E L L E F A B R I K K E R

Om forfatteren Jens Nielsen, f. 1962, professor dr. techn., modtog Villum Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk Forskning i 2002 for hans arbejde inden for udvikling af nye cellefabrikker til produktion af kemiske stoffer. Hans forskning er kendetegnet ved, at der anvendes ingeniørmæssige metoder og koncepter til at analysere biologiske systemer samt ved anvendelse af gensplejsning til at udvikle biologiske systemer, herunder specielt mikrobielle celler, så de har forbedrede egenskaber i forbindelse med industriel produktion. Han var professor i bioteknologi ved Danmarks Tekniske Universitet i perioden 1998-2007 og leder af det ingeniørvidenskabelige Center for Mikrobiel Bioteknologi samme sted i perioden 2000-2007.

Han har siden 2008 været professor i systembiologi ved Chalmers Tekniska Högskola, Göteborg, hvor han leder en forskningsgruppe bestående af 30 forskere. Han er endvidere adjungeret professor ved Norges Tekniske og Naturvidenskabelige Universitet (2006-) og har fungeret som gæsteprofessor ved Tianjin University, Kina. Han har modtaget en række priser for sin forskning, blandt andet Merck Award for Metabolic Engineering. Han er medstifter og medejer af Fluxome Sciences A/S, som udvikler nye bioteknologiske processer baseret på fermentering til fremstilling af nutraceuticals, blandt andet antioxidanten resveratrol.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

63

Lyset, vinduet, spejlbilledet og

livets molekyler Af Karl Anker Jørgensen

Spejlbilledmolekyler er kemisk ens, men rumligt forskellige som højre og ven­ stre hånd. Alle levende organismer – fra bakterier til mennesker – indeholder spejlbilledmolekyler, men normalt kun i den ene form. Mange molekyler – f.eks. lægemidler – bør kun fremstilles i én spejl­ billedform, fordi den anden kan medføre bivirkninger. Vi har udviklet nye katalyti­ ske processer, som gør dette muligt.

Lurerne fra Brudevælte er et smukt eksempel på menneskeskabte spejlbilledformer; de er fuldstændige spejlbilleder af hinanden. Livets molekyler som proteiner og sukkerstoffer findes kun i den ene af to mulige spejlbilledformer. Foto: Kit Weiss, Nationalmuseet

64

L I V E T S

M O L E K Y L E R

Villum Kann Rasmussens udgangspunkt i sit første arbejde om dagslyset var, at ”...de vigtigste Forudsætninger for alt Liv og Arbejde er Lys”. Som videnskabeligt skolet civilingeniør havde han sat sig grundigt ind i teorierne om lysets natur, og han var overbevist om, at rigtigt og rigeligt dagslys har en afgørende og positiv virkning på os. Villum Kann Rasmussen beskæftigede sig derfor indgående med spørgsmålet om lysets indfald ved forskellige hældninger. Det skabte grundlaget for udviklingen af de vinduer, som millioner af mennesker dagligt glædes over, og hvis verdensomspændende udbredelse har ført til, at vi er nogle få privilegerede videnskabsfolk, som er blevet hædret med Villum Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk og Naturvidenskabelig Forskning.

Lysets indfald på et vindue har stor betydning for, hvordan vi, der er indenfor, ser verden udenfor gennem vinduet. Når lysets indfald er optimalt i forhold til vinduets hældning, får vi det perfekte syn ud til den omgivende verden. Men hvis lysets indfald ikke er helt rigtigt, ser vi ikke kun ud gennem vinduet, men kan også se os selv i vinduets glas. Vi har vel alle stået og spejlet os i et vindue. Men det er sjældent, at vi tænker over, at det ikke er os selv, men vores spejlbillede, vi ser, og det er ikke identisk med os selv! For hos de fleste mennesker sidder hjertet i venstre side og leveren i højre side af kroppen, mens det ville være omvendt, hvis spejlbilledet havde fysisk substans. Vores hænder er også spejlbilleder af hinanden, men de fleste af os er højrehåndede i modsætning til spejlbilledet i vinduet. Med andre ord: Vi mennesker er så afgjort forskellige fra vores spejlbillede.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

Foto: Stockxpert

65

Mange af de genstande, vi omgiver os med, kan forekomme

For 150 år siden opdagede franskmanden Louis Pasteur, at

som spejlbilleder af hinanden, og danskerne var sandsynligvis

spejlbilledmolekyler udviser optisk aktivitet, som består i, at de

blandt de første mennesker, der skabte genstande, som var

to spejlbilledformer drejer planpolariseret lys i hver sin retning.

hinandens spejlbilleder. Allerede i bronzealderen fremstillede

Senere opdagede han, at bakterier kun er i stand til at nedbryde

vore forfædre lurerne, som er fundet parvis. De mest berømte

den ene af de to spejlbilledformer af et kiralt molekyle. Denne

lurer fra Brudevælte er fantastiske; de er særdeles velbevarede,

konstatering ledte Pasteur til at postulere: ...”at kun levende

fuldstændige spejlbilleder af hinanden og har samme lyd. Der

organismer kan frembringe optisk aktive molekyler, og at indgå-

er noget mystisk og fascinerende ved disse musikinstrumenter,

ende studier af optisk aktive molekyler til slut vil kaste lys over

og det er stadig en gåde, hvorfor lurerne blev skabt parvis som

livets oprindelse”.

spejlbilleder af hinanden. Menneskeskabte spejlbilledformer som lurerne har samme egenskaber, og vi opfatter dem ikke som

Lige siden Pasteurs opdagelse af optisk aktive molekyler har det

forskellige genstande.

været en af kemiens fornemste opgaver at forstå, hvordan disse spejlbilledmolekyler dannes og indgår i kemiske reaktioner, samt

Mange molekyler kan også forekomme som spejlbilleder af

at udnytte den opnåede viden til gavn for menneskeheden.

hinanden. Sådanne molekyler, der optræder i to kemisk ens,

Spejlbilledmolekylers rolle i livets oprindelse udforskes stadig,

men rumligt forskellige spejlbilledformer, kaldes for kirale ud fra

men vi kemikere har nu udviklet en så dyb forståelse af kemiske

det græske ord cheir, som betyder hånd. Men i modsætning til

processer, at man ikke længere behøver levende organismer til

menneskeskabte genstande er der ofte stor forskel på, hvilke

at fremstille optisk aktive molekyler.

egenskaber de to spejlbilledformer af et molekyle har.

Spejlbilledmolekyler er sat sammen af identiske dele og på samme måde, men alligevel er de ikke ens! Man kan overbevise sig om, at de to spejlbilledformer er forskellige ved at holde dem over hinanden

66

L I V E T S

M O L E K Y L E R

Livets molekyler – én spejlbilledform Alt levende indeholder spejlbilledmolekyler, men oftest forekommer der kun den ene af de to mulige spejlbilledformer i organismen. Proteiner, sukkerstoffer, vitaminer og mange andre molekyler, som indgår i biokemiske reaktioner, findes kun i en spejlbilledform i levende celler. Med andre ord: Kirale molekyler i deres rette spejlbilledform kan altså virkelig opfattes som livets molekyler, som Pasteur gjorde det.

Den menneskelige organisme er tredimensionel, og den kan på både godt og ondt skelne mellem to spejlbilledformer af et molekyle. Til at udføre den mangfoldighed af kemiske reaktioner, der sker i menneskekroppen, er der således udviklet specielle enzymer og receptorer, som er specifikke i valget overfor kirale molekyler. Der er også et meget fint samspil mellem vor organisme og den tredimensionelle form af de molekyler, vi indtager, f.eks. lægemidler. Man kan sammenligne med en nøgle, der skal passe ind i en lås; det kirale molekyle er nøglen, og vores organisme er låsen. Denne relation bevirker imidlertid, at organismen er meget følsom overfor stoffer, som er spejlbilleder af de molekyler, der normalt indgår i kroppens kemiske reaktioner. Nogle få milligram af det ”det forkerte spejlbilledmolekyle” kan have meget alvorlige følger og endog være dødelige.

Gennem årtier har det været en af kemiens store udfordringer at forstå de kemiske processer, som kun leder til dannelse af den ene af de to mulige spejlbilledmolekyler.

Naturens enzymer spiller en hovedrolle i dannelsen af de rigtige spejlbilledformer i levende organismer. Derfor har enzymerne været den store inspirationskilde for forskningen, men det har absolut ikke været let at gøre dem kunsten efter. Når kemikerne indtil for få år siden forsøgte at fremstille kirale molekyler, kunne de ikke styre det tredimensionelle forløb af den kemiske reaktion, og derfor blev der lavet 50 procent af hver af de to spejlbilledformer.

L

D

A

B

B

Figuren viser en kemisk reaktion, hvor der dannes 50 procent af hvert spejlbilledmolekyle. Når molekylet A reagerer med B, har B mulighed for at reagere med A både fra venstre og fra højre side. Derved dannes der lige store mængder af de to spejlbilledformer. De to nye molekyler betegnes som L og D efter levo og dextro, som betyder venstre og højre. Klassifikationen refererer til, hvilken vej de to spejlbilledformer drejer planpolariseret lys

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

67

Inspiration fra naturens enzymer I levende celler kan enzymerne derimod styre biokemiske reaktioner, så der kun dannes den ene spejlbilledform af de molekyler, som produceres ved reaktionerne. Enzymer er store proteiner, som katalyserer biokemiske processer; dvs. at enzymerne får molekyler, der normalt ikke reagerer med hinanden, til at reagere indbyrdes. Det helt centrale ved enzymer er, at de kun har én bestemt tredimensionel opbygning. Netop derfor dannes der kun den ene af de to mulige spejlbilledmolekyler i de reaktioner, som enzymerne katalyserer.

Kemikerne kan nu anvende tilsvarende principper til at styre det tredimensionelle forløb af kemiske reaktioner i laboratoriet, så der kun fremstilles én af de to spejlbilledformer af et molekyle. I vores forskning anvender vi netop et princip for katalyse, der minder om de naturlige enzymers tryllekunst. Når molekyle A skal reagere med B, sørger vi for, at reaktionen kun kan finde sted på den ene side af molekyle A, f.eks. til højre. Ved denne reaktion fremstilles så den ene spejlbilledform af molekyle A-B. Venstre side af molekyle A afskærmes, så reaktionen ikke kan forløbe her, og derfor kan den anden spejlbilledform af A-B ikke dannes.

Afskærmningen til venstre kan opnås ved, at molekyle A ved reaktionen bindes til en katalysator med en tredimensionel opbygning, som populært sagt medfører, at molekyle B ikke kan komme til ”fadet” fra venstre side. På den måde styres molekyle B til kun at reagere med molekyle A fra højre side. Vi udforsker dette princip med henblik på at skabe nye kemiske reaktioner til fremstilling af kirale molekyler, hvor kun den Figuren viser en kemisk reaktion,

ene spejlbilledform af molekylet dannes. Forskningsområdet har meget stor interna-

hvor der kun dannes én af de mulige

tional bevågenhed, fordi det er lykkedes at opnå en detaljeret indsigt i de biokemiske

to spejlbilledformer. Princippet er, at

reaktioner, som er grundlaget for mange livsprocesser, og fordi strategien har skabt

molekylet A kun kan reagere med B fra

mulighed for at udvikle nye kemiske reaktioner, hvor menneskeskabt kemi resulterer

den ene side, fordi den modsatte side

i syntetiske stoffer med samme egenskaber som de naturstoffer, der produceres i

er afskærmet

levende celler.

S

R

A

B

68

L I V E T S

M O L E K Y L E R

Forfatteren på arbejde i laboratoriet

GLÆDEN VED AT SKABE! At være kemiker er at skabe noget. Det kan være molekyler med nye egenskaber eller forsøg på at skabe indblik i de komplekse kemiske reaktioner, der findes i naturen.

Her har vi kemikere meget tilfælles med børn. Børn er også skabende. Tænk bare på den glæde, begejstring og entusiasme, der udvises af et barn, som bygger med LEGO-klodser. Her kommer børns skabende evner virkelig til udfoldelse, og der gives ikke noget bedre, end at se sine børn stolt fremvise deres sidste kreative udfoldelse. Vi kemikere skaber også ting – molekyler - men vores molekyler er så små, at vi ikke kan se dem med det blotte øje. Alligevel ved vi godt, hvordan molekylerne ser ud, fordi vi har en række avancerede metoder til at afsløre deres opbygning.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

69

Kirale lægemidler – færre bivirkninger Den industrielle interesse i kiral kemi er ligeledes meget stor. Kemiske stoffer, der skal anvendes i forbindelse med levende organismer, f.eks. i landbruget, i fødevarer eller som medicin, skal nemlig være så virksomme som muligt og kun medføre et minimum af uønskede bivirkninger. Det gælder ikke mindst for lægemidler, hvor det ofte kun er den ene spejlbilledform, som har terapeutisk effekt. Når et kiralt lægemiddelstof består af en ligelig blanding af begge spejlbilledmolekylerne, går halvdelen af stoffet i bedste fald til spilde. I værste fald kan den ”forkerte spejlbilledform” af molekylet passe ind ”et forkert sted” i de levende celler, og det kan medføre katastrofale følger.

Et eksempel er lægemidlet thalidomid, som i 1960’erne blev anvendt af gravide kvinder til at lindre deres morgenkvalme. Her var den ”forkerte spejlbilledform” årsag til, at tusindvis af børn blev født uden arme og ben, fordi deres moder havde indtaget thalidomid under graviditeten. Et andet vigtigt aspekt af kiral kemi er, at selektiv syntese af den ønskede spejlbilledform af et kemisk stof kan reducere stoffets påvirkning af miljøet, fordi man undgår at fremstille det uønskede spejlbilledmolekyle.

Pudsigt nok er der en indirekte forbindelse fra lurernes spejlbilledformer til forskningen, som vi udfører på Kemisk Institut ved Aarhus Universitet. Lurerne er lavet af Warfarin molekylet er vist øverst. Ne-

bronze, som består af kobber og en smule tin, og et af hovedtemaerne i vores forsk-

denfor ses de to spejlbilledformer, som

ning har været at benytte kobberforbindelser som katalysatorer for kemiske reaktioner

kaldes (R)- og (S)-warfarin. De to spejl-

til at renfremstille spejlbilledmolekyler i en udvalgt form. Vi har udviklet en række nye

billedformer adskiller sig fra hinanden

kemiske reaktioner, hvor det er lykkedes at styre reaktionsforløbet, så slutproduktet

ved, at de farvede grupper er orienteret

kun dannes i den ønskede spejlbilledform. Vores forskningsresultater har fundet an-

forskelligt i det tredimensionelle rum

vendelse i laboratorier ved både universiteter og i industrier over hele verden.

I begyndelsen af det nye årtusinde tog vi et nyt initiativ, hvor vi begyndte at satse på mindre organiske molekyler, især aminosyrer, som katalysatorer for kemiske reaktioner. Aminosyrer er kirale og findes kun i en spejlbilledform, og de er byggesten i proteiner, som blandt andet omfatter enzymerne i alle levende celler. Ved at anvende aminosyrer som katalysatorer for kemiske reaktioner mellem organiske molekyler er det lykkedes os at udvikle nye kemiske reaktioner, der ser meget lovende ud, og som måske også kan få en bred anvendelse – ikke kun i de akademiske laboratorier – men også industrielt.

Historien om warfarin I det følgende vil jeg præsentere et eksempel fra denne forskning – lægemidlet warfarin – som har ledt til helt nye og uventede perspektiver indenfor kemien, og som også viser, hvor kort afstanden fra basal grundforskning til direkte anvendelse kan være.

Warfarin, som herhjemme sælges under navnet Marevan, er det mest anvendte blodfortyndingsmiddel på verdensplan, og alene i Danmark tager ca. 50.000 mennesker dagligt lægemidlet. Warfarin har en række forskellige anvendelsesmuligheder, fordi

70

L I V E T S

M O L E K Y L E R

(S)-warfarins uheldige binding i bindingslommen på enzymet cytochrome P450 er her vist med en pil. Dette enzym omsætter normalt en række andre lægemidler og fødevarer, og når (S)warfarin sidder i lommen som vist med pilen, forhindres denne omsætning

stoffet forhindrer dannelsen af blodpropper i kroppen både ved kronisk forhøjet risiko, samt ved akut risiko som f.eks. kan skyldes knoglebrud. Desuden bruges warfarin til behandling af hjerteflimmer samt af pacemakerbrugere. Warfarin er et ualmindeligt godt præparat, men det er dog ikke helt problemfrit på grund af en række bivirkninger. Disse bivirkninger skyldes til dels, at den kommercielle udgave af warfarin er en blanding af molekylets to spejlbilledformer.

De to spejlbilledformer har nemlig forskellige egenskaber i vores krop: (S)-warfarin har 5-8 gange højere antikoagulant aktivitet end (R)-warfarin, og desuden nedbrydes de to spejlbilledformer med forskellig hastighed og på forskellig vis i kroppen. Et yderligere problem er, at specielt (S)-warfarin indgår i en række kemiske reaktioner i organismen, som kan have uheldige følger. En af disse bivirkninger er, at (S)-warfarin kan forhindre andre lægemidler samt fødevarer i at blive omsat i kroppen. Årsagen er først for nylig blevet klarlagt, idet det er konstateret, at (S)-warfarin binder sig i en lomme i et enzym, som omsætter andre lægemidler og fødevarer, hvilket forhindrer den normale omsætning.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

71

Derfor er der stor interesse i at fremstille kun den ene spejlbilledform af warfarin, (R)-warfarin, fordi et sådant lægemiddel kunne have en række fordele for de patienter, som er nødt til indtage warfarin hver dag. Det lykkedes os at udvikle en fremstillingsmetode, hvor kun den ønskede spejlbilledform dannes ved hjælp af asymmetrisk katalyse i et enkelt reaktionstrin. Tilmed dannes (R)-warfarin via en reaktion mellem to simple organiske molekyler. Den anvendte kirale katalysator fremmer reaktionen og styrer desuden forløbet, så der kun dannes (R)-warfarin.

Kort vej fra grundforskning til anvendelse Kliniske test på patienter med hjerteproblemer har vist, at (R)-warfarin har en forbedret virkning sammenlignet med den form for warfarin, som i øjeblikket er på markedet, og som består af en blanding af begge spejlbilledformer. Desuden har fremstillingen af (R)-warfarin med den nye metode en række andre fordele; ikke mindst er både katalysatoren og udgangsstofferne billige. Tilmed er fremstillingsmetoden industriel anvendelig, og reaktionen har allerede været afprøvet i kilogram skala. Desuden Louis Pasteur: ”Der findes bare forsk-

kan katalysatoren genbruges, hvilket reducerer omkostningerne. Og sidst, men ikke

ning og praktisk anvendelse af forsk-

mindst, er reaktionen 100 procent ”atom-økonomisk” - der er ingen affaldsstoffer

ning”. Foto: Felix Nadar

ved fremstillingen af (R)-warfarin ved den nye metode.

Der findes selvfølgelig også andre teknikker til fremstilling af (R)-warfarin, men sammenlignet med vores metode er de mindre attraktive, fordi de ofte kræver flere end fire kemiske reaktionstrin for at komme frem til den ønskede spejlbilledform af lægemidlet. Desuden anvender de andre fremstillingsmetoder dyre og miljøskadelige kemikalier samt tungmetaller, som kan være svære at komme af med i produktionsprocessen. Udviklingen af den nye metode til fremstilling af (R)warfarin viser, hvor kort afstanden kan være fra basal grundforskning til direkte anvendelse. Og det er helt i tråd med Louis Pasteurs udtalelse: ”Der findes bare forskning og praktisk anvendelse af forskning”.

(R)-warfarin fremstilles ved hjælp af asymmetrisk katalyse, hvor der anvendes en kiral organisk forbindelse som katalysator til at fremme reaktionen og styre forløbet, så der kun dannes (R)-warfarin. Katalysatoren er vist over pilen. (R)-warfarin dannes ud fra to simple organiske molekyler – 4-hydroxy coumarin og benzylidenacetone – som ses øverst til venstre for reaktionspilen. Reaktionen er her vist sammen med de blodårer, hvori blodpropperne dannes. Nederst til venstre er der vist en blodprop i hjertet før behandling med bl.a. warfarin, og øverst til højre ses hjertet efter behandlingen

72

L I V E T S

M O L E K Y L E R

Om forfatteren: Karl Anker Jørgensen (f. 1955) er lic.scient. fra Kemisk Institut, Aarhus Universitet (1984). Derefter fulgte et meget frugtbart ophold som postdoc. hos professor Roald Hoffmann (Nobelpristager i kemi, 1981), Cornell Universitet, USA (1985), der førte til, at de sammen i en række artikler grundlagde forståelsen af fundamentale oxidationsreaktioner katalyseret af metalkomplekser og overflader, baseret på teoretiske beregninger.

Karl Anker Jørgensen blev i 1985 ansat som adjunkt ved Kemisk Institut, Aarhus Universitet, og blev i 1992, som et led i sin succesfulde karriere tildelt et ministerielt forskningsprofessorat og blev i 1993 kaldet til professor i kemi ved Aarhus Universitet.

Karl Anker Jørgensen

I begyndelsen af 1990’erne rettede Karl Anker Jørgensen sin forskningsinteresse mod asymmetrisk katalyse med fokus på specielt kiral Lewis-syre katalyse. Forskningsprofessorbevillingen fra 1992 – fulgt op af en centerbevilling fra Danmarks Grundforskningsfond i 1997 – gjorde det muligt at skabe grundforskningscenteret ”Center for Katalyse” med et internationalt forskningsmiljø. Op gennem 1990’erne udvikledes i centeret en række nye metalkatalyserede reaktioner, som har vakt stor international interesse.

I 2001-02 tog Karl Anker Jørgensens forskning en markant drejning, idet organokatalyse kom i fokus. Gruppen omkring ham har siden, også indenfor dette nye og meget kompetitive forskningsfelt, markeret sig stærkt internationalt. Karl Anker Jørgensen har publiceret knap 300 artikler i internationale tidsskrifter – heraf ca. 150 siden år 2000. Den forskningsmæssige gennemslagskraft har bl.a. givet sig udtryk i at Danmark i 2006 ifølge ”Essential Science Indicators” fra Thomson Scientific lå som nr. 1 i verden indenfor asymmetrisk katalyse, et forskningsfelt som er helt fundamentalt for

Højre side af Karl Anker Jørgensen

life-science.

Karl Anker Jørgensen har modtaget en række anerkendelser og priser for sin forskning. Medlem af Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab (1994), Akademiet for de Tekniske Videnskaber (1999); Fellow of the Royal Society of Chemistry (2004); Bjerrum medaljen (1995); Villum Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk og Naturvidenskabelig Forskning (2000); Lundbeckfondens Nordiske Forskerpris (2000); Blomquist Award, Cornell University, USA (2003); Kommandør af Rubén Darío ordenen (2004); Ridder af Dannebrog (2004); Carlsbergs Kemipris (2005); AstraZenica Lecturer, Sverige; Chemist of the Year, University of Toronto, Canada; Merck-Frosst Lecturer, Montreal, Canada; Syngenta Lecturer, Schweiz; Beyer Lecturer, Tyskland; Sigma-Aldrich Lecturer; Holland (2006-2008).

Desuden har Karl Anker Jørgensen gennem en lang række offentlige foredrag, radio og tv promoveret naturvidenskab og kemi i offentligheden.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

Venstre side af Karl Anker Jørgensen

73

Katalyse - fra atomart plan til industriel skala

74

K A T A L Y S E

-

F R A

A T O M A R T

P L A N

T I L

I N D U S T R I E L

S K A L A

Omkring en fjerdedel af verdens industriproduktion er afhængig af katalyse.

Avancerede eksperimentelle metoder og kvantefysiske beregninger giver til sammen en detaljeret forståelse af katalytiske processer på atomart niveau, som direkte kan anvendes til at udvikle nye og forbedrede industrielle kata­ lysatorer.

Af Jens Kehlet Nørskov

I 1987 blev jeg udnævnt til forskningsprofessor og flyttede fra Haldor Topsøes laboratorier til Danmarks Tekniske Universitet. Jeg havde en ide om at skabe et forskningsmiljø inden for teoretisk faststoffysik med særlig fokus på at beskrive materialers egenskaber på basis af en forståelse af deres elektronstruktur. Med dette mål for øje opbyggede jeg en lille gruppe af dygtige forskere. Vi var konstant på jagt efter finansiering af vores arbejde, og det var derfor med stor glæde, at jeg i 1991 modtog Villum Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk og Naturvidenskabelig Forskning. Ikke blot var legatet en anerkendelse af den forskning, jeg og gruppen udførte. Det var også en velkommen indsprøjtning af nye midler, og vel at mærke midler, som ikke var øremærkede til specielle formål. Dem har jeg haft særdeles god brug for.

Gruppen voksede med tiden til et stort forskningscenter, først finansieret af Grundforskningsfonden og siden af Lundbeckfonden og en lang række af andre fonde, EU-midler samt tilskud fra forskellige virksomheder. I dag tæller Center for Atomicscale Materials Design (CAMD) ca. 45 videnskabelige medarbejdere med to fastansatte professorer, tre adjunkter, et varierende antal gæsteforskere, 10 post docs og 20 ph.d.-studerende. Forskningen spænder over mange forskellige områder, men vort særkende er, at vi ikke blot udvikler kvantefysiske teorier til at forstå materialers opførsel, vi anvender også teorierne i praksis til at designe nye funktionelle materialer.

For mit eget vedkommende fokuserer jeg især på katalyse. Målet er at udvikle kvantefysiske beregningsmetoder, som via computersimuleringer gør det muligt at forudsige, hvordan en given katalysator skal skræddersyes på atomart plan for at levere de ønskede kemiske reaktioner og produkter.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

75

KATALYSE - NU OG I FREMTIDEN En katalysator er et stof, som kan få en kemisk reaktion til at

for, at nutidens energisystem, som er baseret på olie og kul, er i

forløbe uden selv at blive forbrugt i reaktionen. Såvel naturen

færd med at ændre Jordens klima, har på dramatisk vis accelere-

som den kemiske industri anvender katalysatorer til at kontrol-

ret forskningen i nye energiteknologier, som i videst muligt om-

lere og accelerere kemiske processer. Produkter fremstillet ved

fang er bæredygtige. Katalyse spiller en central rolle for mange

hjælp af katalyse spænder over brændstoffer, gødning, plast og

af disse teknologier. Et drømmescenarium er at kunne bruge

lægemidler. Katalytiske processer har afgørende betydning for

sollys til at spalte vand i ilt og brint, så den frigjorte brint kan

verdensøkonomien, og 20-30 procent af den samlede produk-

bruges direkte som brændstof eller anvendes til at danne andre

tion i de industrialiserede lande er baseret på katalyse.

brændstoffer. Denne proces kaldes ofte for syntetisk fotosyntese, fordi den minder om naturens metode til at omdanne solens

Klimavenlig energi

stråling til kemisk energi. Såvel vandspaltningen som dannelsen

Behovet for nye og forbedrede katalytiske processer vokser

af brint eller andre brændstoffer kræver typer af katalysatorer,

stærkt for tiden – ikke mindst i energisektoren. Bekymringen

som vi ikke har i dag.

Brint som brændstof. (Grafik baseret på Andreas Züttel, EMPA, Schweiz)

76

K A T A L Y S E

-

F R A

A T O M A R T

P L A N

T I L

I N D U S T R I E L

S K A L A

RENERE MILJØ Katalytiske processer anvendes også i

1000

stigende grad til miljøformål. Det bedst

900

kendte eksempel er de katalysatorer, som

800

nedbryder sundhedsskadelige kvælstofilter Katalyse spiller også en vigtig rolle, når man skal fjerne svovlindholdet i råolie.

Ved at fjerne svovlet i produktionsleddet, inden olien raffineres til f.eks. benzin, kan luftforureningen fra køretøjer begrænses væsentligt.

700

NOx i g/m3 98%-percentil

i bilernes udstødningsgasser.

600

500

400

København /1257 København /1103

300

Århus/6153 Odense/9155

200

Aalborg/8151 100

0 1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

2008

Bilkatalysatoren har stor betydning for luftkvaliteten. Grafen viser mængden af NOx i luften i forskellige danske byer. Fra 1989, hvor katalysatorer blev påbudt i nye biler, faldt NOx-forureningen væsentligt. (Kilde: Kåre Kemp, DMU)

Heterogen katalyse Nogle katalysatorer anvendes i industrien til at accelerere kemiske reaktioner, og ofte kan reaktionshastigheden øges med mange størrelsesordener. I andre tilfælde anvendes katalysatorer på grund af deres selektivitet; det vil sige evnen til at fremme dannelsen af det ønskede reaktionsprodukt og samtidig minimere mængden af uønskede sideprodukter. Katalysatorer er altså både kemiens indpisker og kvalitetskontrollør, og såvel hastighed som selektivitet har stor økonomisk og miljømæssig betydning.

Traditionelt inddeler man katalytiske processer i tre hovedgrupper; heterogen, homogen og enzymatisk katalyse. Heterogene katalysatorer er i en anden fase end de stoffer, som skal reagere med hinanden; typisk er katalysatorerne nanopartikler, der er fastgjort i et porøst materiale, mens reaktanterne er gasser. I homogen katalyse er både katalysatorer og reaktanter på samme form typisk i vandig opløsning, mens enzymatisk katalyse er baseret på specialiserede proteiner. Vi har i dag en detaljeret indsigt i de processer, der foregår ved homogen katalyse, både når det gælder den aktive katalysator og reaktionsmekanismerne, som nu kendes for en lang række kemiske processer.

Indenfor heterogen katalyse er det langt vanskeligere at kortlægge de katalytiske processer på molekylært niveau. Det skyldes ikke mindst, at de katalytiske processer

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

77

Industriel katalyse: Til venstre ses en

finder sted på overfladen af nanopartikler, og det er svært at undersøge sådanne par-

industriel reaktor, hvor katalysatorer får

tikler, specielt under tryk og temperaturer, der ligner betingelserne under katalytiske

kemiske reaktioner mellem gasser til at

fremstillingsprocesser i industrien.

forløbe. Katalysatorerne sidder typisk på porøse bærematerialer med store

Imidlertid har forskningen været inde i en rivende udvikling, og vi er nu i færd med

overflader – ofte med et areal svarende

at skabe et billede af, hvordan heterogen katalyse foregår i praksis. Fremskridtene er

til flere parcelhusgrunde pr. gram –

opnået i et tæt samspil mellem nye teoretiske metoder og detaljerede eksperimenter

hvor der er plads til mange katalytisk

dels på modelsystemer, dels på rigtige katalysatorer. På den baggrund er det lykkedes

aktive partikler. De katalytisk aktive

at nå frem til en ganske detaljeret forståelse af de første vigtige katalytiske systemer

partikler er typisk små nanokrystaller.

på molekylært niveau, og den opnåede viden har allerede vist sin værdi som udgangs-

Grafik: Haldor Topsøe A/S

punkt for rationelt design af nye katalysatorer.

Jagten på nye katalysatorer Opdagelse og udvikling af nye katalysatorer er vigtig for den kemiske industri, og det er en af forudsætningerne for at udvikle nye og bæredygtige energiteknologier. I de senere år har forskningen på dramatisk vis øget vor forståelse af, hvordan faste overflader reagerer med gasmolekyler, så de splittes ad og sættes sammen på nye måder i de ønskede reaktionsprodukter. Men alligevel udvikles nye katalysatorer stadig i høj grad ved empiriske forsøg, hvor man følger sin intuition og prøver sig frem.

Denne traditionelle ”trial-and-error” tilgang er for nylig blevet revolutioneret gennem introduktion af langt mere effektive metoder til parallel fremstilling og screening af potentielle katalysatormaterialer. Takket være avanceret eksperimentelt udstyr kan

78

K A T A L Y S E

-

F R A

A T O M A R T

P L A N

T I L

I N D U S T R I E L

S K A L A

man i dag fremstille og afprøve tusindvis af nye katalysatorer om dagen mod et par

Billedet viser et kæmpe kemisk anlæg til

kandidater om ugen tidligere. Det er klart, at de nye metoder øger vores empiriske

fremstilling af ammoniak, der bruges til

viden om heterogen katalyse markant, hvilket gør det muligt både at forbedre eksiste-

kunstgødning. Anlægget anvender ka-

rende katalysatorer og at finde helt nye systemer.

talysatorteknologi fra det danske firma Haldor Topsøe A/S, som min gruppe

Introduktionen af de mere effektive metoder stiller os imidlertid også overfor nye

har et tæt samarbejde med. Foto: Poul

udfordringer. Først og fremmest er det vanskeligt at anvende en systematisk tilgang

Møller

ved udvikling af heterogene katalysatorer på grund af deres komplekse og dynamiske strukturer. Desuden påvirkes en katalysators aktivitet ofte stærkt af den valgte fremstillingsmetode. Hvis en given katalysatorsammensætning katalyserer en kemisk reaktion, kan man konkludere, at dette ”hit” repræsenterer en interessant mulighed.

Men en svipser kan ikke nødvendigvis afvises som en potentiel katalysator, fordi den manglende aktivitet måske blot skyldes, at man har valgt en fremstillingsproces, som ikke egnede sig til det pågældende system.

Et lovende alternativ til de empiriske screeningsmetoder er at opnå en grundlæggende forståelse af heterogen katalyse på atomart plan. Hvis forståelsen er tilstrækkelig detaljeret, vil det være muligt at designe katalysatorer ved at sætte dem sammen atom for atom. Her kan der dog også opstå problemer - f.eks. kan det vise sig at være umuligt at fremstille den ønskede katalysator. Alligevel er der ingen tvivl om, at der er store fordele ved at kombinere de nye, effektive metoder til parallel syntese og screening med grundlæggende indsigt i heterogen katalyse på atomart plan.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

79

TÆTHEDSFUNKTIONALTEORI Den udvikling, der har muliggjort kvantefysiske beregninger af relevans for katalytiske processer på overflader, startede med udviklingen af tæthedsfunktionalteorien i Kvantemekanisk beregning for en na-

midten af 1960erne. Walter Kohn fik i 1998 Nobelprisen for dette arbejde. Siden hen

nopartikel af molybdænsulfid (MoS2).

er metoderne udviklet meget betydeligt.

MoS2 er den katalytisk aktive del i de katalysatorer, der bruges til at fjerne

Gennem en forbedret forståelse af den måde vekselvirkninger mellem elektronerne

svovl fra olieprodukter, så svovlen ikke

afspejler sig i deres bevægelser er det lykkedes at finde metoder, der kan lave bereg-

senere forurener f.eks. som sur regn.

ninger for mange elektroner samtidigt og med en så høj grad af nøjagtighed, at man

Den elektronbølgefunktion, der er vist,

kan beskrive forskelle mellem forskellige katalytiske materialer. Herudover har udvik-

bevæger sig rundt langs kanten af den

lingen af computerkraft og numeriske metoder gjort det muligt at lave beregninger

trekantede nanopartikel og er ansvarlig

for tusinder af elektroner. Dermed er døren blevet åbnet for teoretiske afprøvninger af

for en del af den katalytiske aktivitet

langt flere katalysatormaterialer end tidligere på meget kortere tid.

Den aktive komponent Et nøglekoncept inden for heterogen katalyse er den aktive komponent, som er det specifikke sted på overfladen af en katalysator, hvor den kemiske reaktion forløber.

Identifikation af den aktive komponent er det første trin på vejen til at designe en forbedret katalysator, men ofte mangler man detaljeret viden, fordi det er svært at fastslå præcist, hvor gasserne reagerer med hinanden under de lynhurtige kemiske reTEM-billeder af en ruthenium-baseret

aktioner. Imidlertid er det blevet muligt at opnå en klar forestilling om det aktive sted

katalytisk nanopartikel til ammoni-

takket være to nye fremskridt.

aksyntese. Billederne er optaget ved temperaturer på 552 grader Celsius og

For det første er det i modelforsøg lykkedes at optage billeder på atomart niveau af

et tryk på 5,2 millibar. TEM-billederne

katalytiske nanopartikler under kemiske reaktioner. På det eksperimentelle plan er

af den arbejdende katalysator viser

der således udviklet en række værktøjer, som gør det muligt at opklare strukturen af

tydeligt atomlagene (striber) i partik-

heterogene katalysatorer, mens de arbejder. Et af de mest lovende værktøjer er Trans-

len. Samtidig kan man ane, at der især

missions Elektron Mikroskoper (TEM) med høj opløsningsevne, der giver information

langs med partiklens kanter er trap-

om prøvens form og sammensætning. Med transmissions elektronmikroskoper kan vi i

pelignende defekter, som repræsente-

dag studere katalytiske reaktioner, hvor relevante gasblandinger reagerer med hinan-

rer katalysatorens aktive komponent.

den under høje temperaturer, svarende til de industrielle betingelser.

Fotos: Haldor Topsøe A/S

80

K A T A L Y S E

-

F R A

A T O M A R T

P L A N

T I L

I N D U S T R I E L

S K A L A

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

81

Målt Beregnet

2.5 TSFlad

Produktivitet (NH3-%)

Energi (eV/J) molekyle

2 N2

1 0

NH3 3H2

-1

NH3

TSTrim

-2 -3

2.0

1.5

1.0

0.5

-4 -5

+ *

N

2

+

3H

2

N

2*

+

3H

2

2

N*

+

3H

2

N*

+

2

N*

6H

+

*

H*

+

N

N*

*

5H +

H

N

2

+

N*

*

4H

+

H

N

3

+

N*

*

3H

+

H

N

3

+

H*

*

3H +

N

H

N

+

3

2H

H2

+

*

N

H3

+

H* H

N

3

+

*

0 580

H3

H3

N

+

2N

600

620

640

660

680

700

720

Temperatur (K)

N

Til venstre: Beregnet energidiagram for ammoniaksyntese på en overflade af ruthenium; den blå linie viser energiregnskabet for reaktionerne på en flad overflade, mens den orange linie repræsenterer energiregnskabet på en nanopartikel med trin. Fra venstre side i diagrammet adsorberes kvælstofmolekyler først til det aktive sted, hvorpå molekylet opsplittes i to atomer efter at have krydset en reaktionsbarriere, der er markant større på en flad overflade end på nanopartiklen. Brintmolekylet opsplittes i to atomer uden at skulle over en reaktionsbarriere. Når både kvælstofatomer og brintatomer er til stede på overfladen, forenes de og danner først mellemstadierne NH og NH2 og til sidst ammoniak, NH3, som løsrives fra overfladen. De indsatte billeder viser geometrien af katalysatorens aktive sted under opsplitningen af kvælstofmolekylet; nederst på en nanopartikel med trin (orange); øverst på en flad overflade (blå). Til højre er produktionen af ammoniak under industrielle betingelser beregnet ud fra energidiagrammet (stiplet line) og sammenlignet med måledata (fuldt optrukket linie)

For det andet er der sket markante fremskridt på det teoreti-

380-550 grader.

ske plan. Ved hjælp af kvantefysisk teori er det i dag muligt at

Det første trin i ammoniaksyntesen er, at kvælstofmolekyler

beregne, hvor stabile de relevante atomer og molekyler er på

bindes til overfladen af den katalytiske nanopartikel, hvorpå

overfladen af en katalysator, samt hvor høj reaktionsbarrieren er

molekylet opsplittes i to kvælstofatomer. Der er en høj reakti-

for en given kemisk reaktion på en katalytisk overflade. Reakti-

onsbarriere for reaktionen og dette trin er bestemmende for

onsbarrieren er et mål for, hvor svært en kemisk reaktion har ved

hastigheden af den samlede proces.

at forløbe – jo lavere barriere, jo højere reaktionshastighed og dermed en mere effektiv katalysator.

Vores beregninger viser, at reaktionsbarrieren er betydeligt højere på en flad overflade end på nanopartikler med trappetrin på kanterne. Dermed kan vi konkludere, at trappetrinnene er

I det følgende vil jeg illustrere nogle af de videnskabelige frem-

katalysatorens aktive komponent. Konklusionen er blevet be-

skridt med udgangspunkt i ammoniaksyntesen. Ammoniak til

kræftet af et sæt elegante eksperimenter på rutheniumkrystal-

gødning fremstilles industrielt ved en katalytisk proces ud fra

ler med kantdefekter. Eksperimenterne, der blev foretaget i Ib

kvælstof og brint ved tryk på 50-300 bar og temperaturer på

Chorkendorffs gruppe på DTU bestod i, at forskerne udnyttede,

82

Ammoniaksyntese på atomart niveau

K A T A L Y S E

-

F R A

A T O M A R T

P L A N

T I L

I N D U S T R I E L

S K A L A

6.0

4.0

Pd(111)

Ea [eV/N2]

3.0

Pd(211)step

2.0

fcc-Fe(111) Fe(100)

1.0 0.0

Ru(0001)

Fe/Ru(0001)

Ru(0001)step Fe(110)step Fe(111)

Mo(110)

Mo(110)step -1.0 -2.0 -3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

∆E [eV/N2]

Antal NH3 dannet per sted per tidsenhed

Cu(111)

5.0

Ru Os

CoMo

10-0

Fe

10-1

10-2

Co

10-3 Ni

10-4 Mo 10-5

-2.0 -2.0

-2.0

-2.0 -2.0

-2.0 -2.0

Bindingsenergi ∆E(eV/N2)

-2.0

eV

-2.0

aJ

Til venstre: Beregnede aktiveringsenergier for opsplittelse af kvælstofmolekyler ved brug af forskellige metaller som katalysator. Til højre: Beregnet ammoniaksyntese pr. sekund. Beregningerne viser, at en legering af kobber og molybdæn (”CoMo”) ligger højst på kurven

at guldatomer fortrinsvist sætter sig på kantdefekterne. Når de

computerbaserede metoder er det muligt at identificere de pa-

tilsatte netop nok guld til at blokere alle defekterne, kunne de

rametre, som er mest afgørende for den katalytiske aktivitet. Vi

observere, at kvælstofs dissociationshastighed blev en milliard

kan således forudsige stabiliteten af alle de involverede forbin-

gange mindre – og reaktionshastigheden dermed væsentligt

delser på overfladen og beregne de aktiveringsenergier, som er

langsommere - end før.

nødvendige for at komme over reaktionsbarriererne i de forskellige trin i den katalytiske proces.

Imidlertid er det ikke tilstrækkeligt med en lav barriere for reaktionens første trin – opsplitningen af kvælstofmolekylet.

Rationelt design

De to kvælstofatomer skal nemlig helst ikke binde for stærkt til

At etablere en model for en katalytisk proces som ammoniak-

katalysatorpartiklen, eftersom de skal kunne rykkes fri igen via

syntesen er kun begyndelsen. Den næste udfordring er at bruge

reaktioner med brint. Hvis kvælstofatomerne bliver siddende på

modellen til at opnå en klar forståelse af, hvorfor og hvordan

katalysatoroverfladen, dækkes denne til sidst helt med kvælstof

den katalytiske aktivitet varierer for katalysatorer af forskellige

og mister derved sin aktivitet. En ideel katalysator skal derfor

materialer. Det er både en vigtig test af modellens rigtighed og

både have en lav reaktionsbarriere for opsplitningen af kvælstof-

et kritisk skridt henimod at blive i stand til at designe helt nye

molekylet og en svag binding af de to kvælstofatomer. Desværre

katalysatorer ud fra rationelle principper.

er det vanskeligt at opnå. Jo mere reaktionsbarrieren for det første trin sænkes, jo stærkere binder kvælstofatomerne nemlig

I ammoniaksyntesen gælder det som sagt om at opnå en lav

også til katalysatoren, så det gælder om at ramme en hårfin

reaktionsbarriere for opsplitningen af kvælstofmolekylet samti-

balance.

dig med, at katalysatoren ikke må holde for godt fast på kvæl-

Netop derfor er der behov for en detaljeret forståelse af hele

stofatomerne; den ideelle katalysator må altså hverken binde

reaktionsforløbet. Ved hjælp af tæthedsfunktionalitets teori og

kvælstof atomer for stærkt eller for svagt. Med tæthedsfunk-

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

83

tionalitetsteori kan vi beregne den optimale energi for binding og frigørelse af kvælstofatomerne under ammoniaksyntesen. Det betyder, at vi nu for første gang har et håndfast designkriterium for udvikling af forbedrede katalysatorer. På den baggrund har vi beregnet forskellige metallers og metallegeringers egnethed som katalysatorer til industriel ammoniaksyntese.

Mens rene metallers katalytiske aktivitet er kendt, så er der stadig nye muligheder med blandinger af to eller flere metaller. Hvis metaller, der er effektive til at opsplitte kvælstofmolekyler, legeres med metaller, hvorfra kvælstofatomer let løsrives, er der gode muligheder for at opnå en større katalytisk aktivitet og dermed forøget produktion af ammoniak. På basis af denne indsigt fik Claus Hviid Christensen fra Haldor Topsøe den ide at legere molybdæn (Mo), som opfylder den første betingelse, med cobolt (Co), som opfylder den sidste, og forsøg viste at denne legering (Co3Mo3N) under visse eksperimentelle betingelser faktisk er mere effektiv til ammoniaksyntese end dagens bedste katalysatorer, som er baseret på ruthenium.

For nylig har vi udført den første computerbaserede screening for nye katalysatorer til at omsætte gasblandinger – f.eks. fra forgasning af biomasse – til metan, som er hovedbestanddelen i naturgas. Beregningerne peger på, at en jern-nikkel legering vil være en bedre katalysator end de nikkelkatalysatorer, som anvendes industrielt i dag; både med hensyn til aktivitet og pris.

Geometri og elektronstruktur Heterogen katalyse på atomart plan kan anskues på flere måder, og her har jeg især beskrevet det mekanistiske plan med fokus på reaktionsbarrierer og aktiveringsenergier. Men på et dybere niveau må man spørge: Hvad bestemmer energiregnskabet for forskellige katalysatorer? Hvorfor har nogle overflader og geometrier lavere aktiveringsbarrierer end andre? Vores forskning har afdækket nogle af disse faktorer. Specielt har vi identificeret, at energien af overgangsmetallernes yderst siddende d-elektroner er afgørende for en overflades muligheder for at danne bindinger. Vi har også fundet metoder til at ændre energien af de yderst siddende elektroner på atomerne i overfladen og dermed de katalytiske egenskaber. Resultaterne danner basis for den måde, vi bruger legeringsdannelse til at lave nye katalysatorer Mulighederne for at udvikle bedre katalysatorer er enorme: Computerne bliver hurtigere og hurtigere, og samtidig bliver de teoretiske metoder også mere og mere præcise. Eksperimenter er stadig hovedhjørnestenen i udviklingen af nye katalysatorer, men i dag ser vi begyndelsen til en ny æra, hvor ideer til nye katalysatorer fremkommer fra computermodeller, inden de afprøves i virkeligheden. Det betyder, at vi kan begrænse antallet af dyre eksperimenter, og alene det er et væsentligt fremskridt. Og selvom der stadig er lang vej igen, kan vi skimte perspektiverne gennem de første eksempler.

84

S Y S T E M B I O L O G I S K

D E S I G N

A F

N Y E

C E L L E F A B R I K K E R

Om forfatteren: Jens K. Nørskov, f. 1952, professor, Ph.D, Dr. h.c. modtog Villum Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk Forskning i 1991 for hans arbejde indenfor overfladefysik. Hans forskningsinteresser er centreret om elektronstrukturteori til forståelse af overfladefysik- og kemi, elektrokemi, enzymfunktion og egenskaber af nanomaterialer. Jens K. Nørskov har siden 1987 været professor i fysik ved Danmarks Tekniske Universitet. Han er desuden leder af Lundbeckfondens Center for Atomic-scale Materials Design (CAMD), af Nano•DTU (Center for Nanoteknologi på DTU) og er formand for bestyrelsen i Dansk Center for Scientific Computing. Han er indvalgt som medlem af Akademiet for de Tekniske Videnskaber og af Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab.

Han har modtaget en række priser for sin forskning, senest Mulliken Medaljen ved University of Chicago, Grundfosprisen, samt American Chemical Society’s Sormorjai Award. Desuden har Jens K. Nørskov været gæsteprofesser ved University of California, Santa Barbara og senest Hougen professor ved University of Wisconsin, Madison.

Foto: Grundfos

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

85

Mobilkommunikation – en verdensomspændende succes Af Jørgen Bach Andersen

Mobiltelefonen er ikke et velstandsprodukt forbeholdt de rige og smarte, men et nyttigt og uundværligt for­ brugsgode, også i udviklingslandene, hvor udbredelsen medvirker til økonomisk vækst, og hvor mobiltelefonen ikke erstatter den faste telefon, men er den første tele­ fon i det hele taget. På det teknologiske plan sker der en rivende udvikling, og nye anvendelser er på vej.

Foto: Stockxpert

86

M O B I L K O M M U N I K A T I O N

–

E N

V E R D E N S O M S P Æ N D E N D E

S U C C E S

Det er gået stærkt! Udviklingen har mildt sagt været imponerende siden de første dage med den store og tunge mobiltelefon Stornomatic 900 i begyndelsen af 1980’erne. Telefonen vejede 12,5 kg, og den måtte drives af batterier, som var installeret i biler. I dag har vi små og fikse lommetelefoner, hvor brugerne nemt og ubesværet kan kommunikere via tekst, tale, fotos og video – og tilmed gå på internettet.

Mobiltelefonens verdensomspændende udbredelse gennem de seneste årtier har overrasket selv eksperterne. I den glimrende teknologihistorie ”Skruen uden ende” fra 1991 omtales hverken internet eller mobiltelefoni. I den anden udgave fra 1995 er der en indgående beskrivelse af internettet, men stadig ikke et ord om mobiltelefoner.

Først i en tredje udgave fra 2005 er mobiltelefonen inkluderet, hvilket illustrerer den hastige udvikling. I 1995 gættede jeg selv på fremtiden i artiklen ”Den trådløse verden”, og i bagklogskabens lys er den mest iøjnefaldende mangel i visionen børns og unges brug af mobiltelefonen som et socialt netværk - en uplanlagt anvendelse!

I skrivende stund er der omkring 3,2 milliarder brugere af det såkaldte GSM system, hvilket svarer til hvert andet menneske på Jorden. GSM - Global System for Mobile communication - er verdens mest udbredte system for mobiltelefoni, også i Danmark.

Den yngste og ældste GSM mobilteI denne artikel vil vi kigge på mobiltelefoniens udvikling, se på hvad de drivende kræfter er, hvilke fysi-

Motorola fra 2008, som vejer 114 gram

ske forhold der begrænser udviklingen,

og har et volumen på 66 kubikcentime-

og på den bekymring for sundheds­ skadelige virkninger, som findes i en del af befolkningen.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

lefon udviklet i Aalborg. Til venstre en

F O R S K N I N G E N

ter. Til højre en Dancall fra 1992, som vejede 600 gram og havde et volumen på 500 kubikcentimeter

87

Norden kom først med et internationalt system Nordisk Mobiltelefoni (NMT) blev introduceret i Danmark i 1982 og var karakteriseret ved traditionel teknologi, hvor man benyttede en simpel FM radio med én frekvens pr. bruger inden for et begrænset område.

Apparaterne var tunge og strømslugende. Det banebrydende lå i det internordiske samarbejde mellem de forskellige statslige teleadministrationer, som blev enige om en fælles standard og såkaldt roaming, så man kunne bruge systemet i alle de nordiske lande uden at skulle foretage sig noget. Det blev en succes hos brugerne, der primært var mindre erhvervsdrivende såsom håndværkere, som kunne have sit kontor med sig i bilen og derved spare en sekretær derhjemme. I 1985 var der allerede over 100.000 brugere i Norden.

Industrielt var NMT også en succes, fordi systemet gav Nokia i Finland og Ericsson i Sverige mulighed for at starte det industrieventyr, der senere slog igennem med nyere systemer. I mindre målestok var det også et guldæg for danske Dancall i Nordjylland.

På trods af navnet NMT udbredte systemet sig til en række andre lande i Europa og Asien, så det var et flot resultat af nordisk samarbejde.

Al ting har sin tid, og moderne teknologi ændres hurtigt, så NMT systemet lukkede i de nordiske lande efter et par årtiers brug. Andre og bedre systemer pressede sig på, GSM mast. Foto: Stockxpert

men erfaringerne fra det tidlige internationale samarbejde viste, at Europa godt kunne være i front teknologisk set, og det gav inspiration til et udvidet samarbejde i Europa omkring det nye digitale GSM system.

I Danmark var vi tidligt med i forskningen vedrørende mobilkommunikation, og allerede i begyndelsen af 1980’erne indledte vi forsøg med antenner på Aalborg Universitet. Den aktivitet voksede til et stort forskningscenter med støtte fra bl.a. VILLUM KANN RASMUSSEN FONDEN og VELUX FONDEN fra 1995.

Digitalisering med GSM I Europa var der en stærk fornemmelse for, at et fælles mobiltelefonisystem med fri roaming mellem landene ville være en stor styrke. På den måde kunne man opnå konkurrence mellem operatører, der understøttede den samme standard. Dette valg stod i stærk kontrast til USA, hvor man på liberalistisk vis havde mange forskellige standarder, hvilket hindrede bevægeligheden.

At man samtidig skiftede teknologi og tog et stort skridt frem med en total digitalisering var på ingen måde givet, og en del skeptikere mente, at springet var for usikkert.

De tog fejl. Digitaliseringen betød, at alle signaler, tale eller data, skulle omsættes til en række af binære symboler, 1 eller 0. På den måde fusionerede man computerverdenen og kommunikationsverdenen, og det fremtidssikrede teknologien. Det viste sig

88

M O B I L K O M M U N I K A T I O N

–

E N

V E R D E N S O M S P Æ N D E N D E

S U C C E S

nemlig, at producenterne af elektroniske kredsløb hele tiden var i stand til at leve op til ”Moores lov” og fordoble kapaciteten, målt som antal transistorer pr. arealenhed, hver 18. måned.

Allerede i 1988 etablerede de to nordjyske producenter af mobiltelefoner, Dancall og Cetelco, et formaliseret samarbejde, DC Development. Sammen med Aalborg Universitet udvikledes en af de første GSM telefoner i verden, der således var klar til introduktionen af et landsdækkende mastenet, hvortil de første licenser til brug af radiospektret blev givet i 1991.

GSM nettet lever og har det godt, men det er skabt primært til telefoni, og datahastigheden er meget begrænset, når man sammenligner med forholdene i det faste net. Derfor kræver det megen tålmodighed at gå på nettet med en mobiltelefon via GSM. På den baggrund satsede man på, at en tredje generations løsning med højere hastigheder - flere hundrede kilobit i sekundet kunne efterkomme det forventede behov.

3G eller UMTS UMTS står for Universal Mobile Telecommunications System, og systemet har sin oprindelse i Europa trods det ambitiøse navn. Det lykkedes ikke internationalt at blive enige om et globalt system, så der er ikke global roaming. Alligevel var der store forventninger til tredje generations (3G) mobiltelefoni; så store, at det politiske system i Danmark i 2001 ved en auktion krævede en afgift på ca. en milliard kroner af teleoperatørerne for at få tildelt plads i radiospektret, fulgt op med krav til opbygning af nettet over en overskuelig årrække. En god forretning for Staten at sælge luft, men der har været betydelige vanskeligheder, og udbredelsen af UMTS har endnu ikke levet op til de høje forventninger.

Et markedsføringspunkt var i starten, at man kunne levere videotelefoni, altså at man kunne se den, man talte til, på skærmen. Overraskende nok har dette aldrig slået rigtigt igennem hos brugerne, heller ikke på det faste net. Derimod synes der at være et marked for højhastighedsmodem, hvor man kan arbejde med en bærbar PC på et vilkårligt sted, og hvor datakommunikationen går gennem mobiltelefonen. Drivkraften bag udviklingen var altså behovet for større og større datahastigheder, og tendensen fortsætter. Der er dog grundlæggende begrænsninger for mobiltelefoni, som betyder, at det er vanskeligt at konkurrere med det faste net, hvor de optiske fibre i praksis giver en nærmest uendelig båndbredde.

Fremtidige generationer Øget datahastighed giver den væsentligste forskel set fra brugersiden. F.eks. er fjernsyn på ’mobilen’ under udvikling, og det er en anvendelse, der kræver betydelig kapacitet. I 4. generations (4G) mobilkommunikation forventer man at nå op på flere hundrede millioner bits i sekundet, hvilket er langt over, hvad vi i dag kalder bredbånd. Om forbrugerne har et behov herfor og vil betale for disse hastigheder er uklart, for indtil nu er det telefonien, der dominerer, og den har som nævnt ikke behov for stor båndbredde. Den reelle datahastighed vil også i praksis være lavere, fordi spektret skal deles mellem mange brugere.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

89

BÅNDBREDDE OG DATAHASTIGHED

30

Relativ datahastighed mulig gennem en støjfyldt forbindelse som funktion af signal-støjforholdet. M er antallet af

Relativ datahastighed bits/s/HZ

25

antenner i hver ende af forbindelsen

20

M=4

15

10

5

0

M=1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Signal/støjforhold dB

C. Shannon fra Bell Laboratorierne formulerede i 1940’erne de

som dog ofte blandes sammen selv i professionelle kredse. Det

grundlæggende sammenhænge for, hvor mange bits man fejlfrit

fremgår af formlen, at det er en god ide at have rigeligt med

kan klemme gennem en given båndbredde. Den simple udgave

båndbredde (B) for at opnå stor kapacitet, men som nævnt er

fremgår af nedenstående banebrydende formel inden for infor-

båndbredde en begrænset ressource. Det fremgår også, at det

mationsteorien.

er muligt at presse mere igennem kanalen for en given båndbredde, hvis signaleffekten øges. Derfor får brugere tæt på en C = Blog2 (1+ S– ) bits/sek N

basisstation – en antennemast - mulighed for relativt højere datahastigheder. Systemet er adaptivt og indretter sig efter de

B er båndbredden i Hertz, S den modtagne signaleffekt i Watt,

lokale forhold.

og N støjeffekten. S/N kaldes ofte for signal-støj forholdet.

Frekvensspektret, typisk fra nogle hundrede til nogle tusinde

I 3G, hvor signalerne fra forskellige brugere anvender de samme

Megahertz, skal deles mellem mange brugere. Frekvensspektret

frekvenser samtidigt, er støjen lig med signalerne fra de andre

er således en begrænset ressource, som opdeles i mange små

brugere. Det vil således ikke nytte meget at skrue signalstyrken

udsnit af en given båndbredde. C er den teoretisk maksimale da-

op overalt, fordi både S og N så vil øges. Den mest hensigts-

tahastighed eller kapacitet i bits/sek, der er mulig. For at nærme

mæssige måde at få plads til mange brugere i et system med

sig denne teoretiske grænse kan man anvende avancerede

begrænset båndbredde er at have tætliggende antennemaster,

kodnings- og modulationsprincipper. Figuren viser den relative

så man hurtigt kan genbruge det samme spektrum.

kapacitet C/B, M=1. M er antallet af antenner i hver ende af en forbindelse med mange refleksioner. dB er et logaritmisk mål.

I 4G giver anvendelsen af multiple antenner i begge ender af en forbindelse mulighed for ekstra kapacitet inden for den samme

Båndbredde og datahastighed er altså to forskellige begreber,

90

båndbredde.

M O B I L K O M M U N I K A T I O N

–

E N

V E R D E N S O M S P Æ N D E N D E

S U C C E S

Data Rate (bps)

4G (MIMO-LTE, MIMO-WIMAX)

1G

100M

WLAN 3G (UMTS, HSDPA, HSUPA)

10M

1M

2G (GSM, GPRS, EDGE)

100K

10K

1G

Udviklingen af de forskellige generationer af mobiltelefoner mod større og 1983

1991

1999

2001

2003

2006 2007

2010

større data hastigheder

En af de væsentligste teknologiske nyskabelser er multiple an-

hvordan dækningen fra en mast vil være. Når det gælder radio-

tenner (MIMO) i begge ender af en forbindelse – dvs. på masten

bølgernes samspil med den bærbare enhed, mobiltelefonen,

og i mobiltelefonen – som kan arbejde uafhængigt af hinanden.

påvirkes signalerne af brugerens måde at håndtere den på. Hvis

Ved at udnytte refleksioner fra mange objekter, f.eks. huse på

man holder telefonen forkert, forringes forbindelsen, og uden

radiobølgernes vej, kan man skabe parallelle forbindelser i et

særlige forholdsregler vil det problem vokse i takt med antallet

antal, der svarer til antallet af antenner. Hvis der f.eks. er fire

af antenner i mobiltelefonen. Dårlig håndtering kan også føre til,

antenner i hver ende, kan man opnå fire gange den oprindelige

at en del af radiosignalet absorberes i hånden eller i hovedet.

hastighed, vel at mærke inden for den samme båndbredde.

Udendørs målinger foretages med et mobilt laboratorium, hvor Udbredelse af radiobølger

personerne erstattes af fantommodeller, som er lavet af mate-

Udbredelse af radiobølger i forskellige miljøer er et internationalt

riale, der simulerer menneskeligt væv.

anerkendt forskningsområde på Aalborg Universitet. Vi arbejder

Indendørs har vi blandt andet gennem målinger kortlagt radio-

på at opnå en basal forståelse af radiobølgers udbredelse både

bølgers opførsel i kontorer. Mobilkommunikation er ikke blot

udendørs og indendørs, hvilket er vigtigt for at kunne designe

telefoni, men mange former for trådløs kommunikation. På et

nye systemer til mobilkommunikation med høj kapacitet.

trådløst kontor har alle via et trådløst netværk samtidig adgang

Gennem en årrække har vi foretaget mange målinger af radio-

til et bredbåndssystem, og man kan sammenligne situationen

bølgers opførsel, som danner basis for modeller, der anvendes

med et livligt selskab, hvor alle taler i munden på hinanden. Det

til systemdesign. Radiobølger opfører sig meget lig lydbølger. De

trådløse systems kvalitet afhænger af udbredelsesforholdene i

reflekteres og spredes fra forskellige genstande, hvoraf nogle

lokalet. Hver radioimpuls har en hale, som svarer til efterklangen

bevæger sig, og sene ekkoer giver en lang efterklangstid. Radio-

af et lydsignal i rumakustikken. Her er det karakteristisk, at halen

bølger løber også om hjørner, så det er ikke nemt at forudsige,

på impulserne er ens uanset, hvor i lokalet man befinder sig, på

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

91

Optagelse af bredbåndsforhold vedrø-

grund af multiple refleksioner. Når mange brugere afsender impulser med korte mel-

rende person i bevægelse. ’Personerne’

lemrum, ramler en ny impuls ofte ind i halen på den foregående. Efterklangstiden – lig

er fremstillet af et materiale der ligner

med halens varighed - er afgørende for, hvor mange brugere, der samtidig kan være

menneskeligt væv

på det samme system i samme lokale, uden at de forstyrrer hinanden rent elektronisk.

Systemet kan selvfølgelig genbruges i et andet lokale i nærheden.

I de senere år er vi begyndt at forske i radionetværk, som bæres på kroppen. Der er stigende interesse for kropsnære forbindelser til kommunikation med andre personer eller med elektroniske apparater i omgivelserne. En lovende mulighed er medicinsk overvågning med sensorer, som bæres på kroppen. Når sensoren registrerer en kritisk situation, advarer en tilkoblet trådløs radiosender patienten og/eller sender en alarm direkte til lægen eller hospitalet.

Nye udviklingstendenser Behovet for kontakt mellem personer har gennem de seneste årtier skabt den store efterspørgsel på mobiltelefoner. Noget tyder imidlertid på, at det næste boom bliver kontakt mellem ting, eller mellem personer og ting. I den digitale verden kan alting få

92

M O B I L K O M M U N I K A T I O N

–

E N

V E R D E N S O M S P Æ N D E N D E

S U C C E S

-70 1 5 6

-80

7 8 9

-90

11 Model

dB

-100

-110

-120

-130

-140

0

50

100

150

200

π ns

Impuls modtaget forskellige steder i et stort kontorlokale. Bemærk den lange hale af impulsen, der er uafhængig af, hvor i lokalet modtageren befinder sig. Det svarer til efterklangstid i en akustisk analogi

en digital adresse, så det er muligt at kommunikere med alting og aflæse indholdet over internettet. Man kan forestille sig et hjem med mange sensorer fordelt til styring og minimering af energiforbruget i værelser. Her kan de såkaldte RFID (Radio Frequency Identification) enheder aflæses trådløst. Det er nok i den retning fremtiden vil udvikle sig, når telefonien når sit mætningspunkt. Alt dette er gjort muligt gennem den fortsatte miniaturisering og det intelligente energiforbrug, der sikrer batteridrift i årevis.

Som det tidligere er nævnt er der et stigende behov for hurtige dataforbindelser, og en anden udviklingstendens er, at de trådløse og de kablede systemer nærmer sig hinanden i kapacitet med måske Gigabit/s hastigheder. Hvad fremtiden bringer ved ingen, men et mål er komplet trådløs dækning af et hus, hvor systemet omfatter alle

Kropsnære sensorer og antenner kan

forbindelser såsom telefoni, fjernsyn, computernetværk og overvågningssystemer; det

f.eks. bruges i forbindelse med medi-

intelligente ukablede hus.

cinsk overvågning. Billedet er fra forsøg med målinger på kropsnære antenner.

Fortsat forskning i radiobølgers opførsel er en del af denne udvikling, og betingelses-

De mange kabler er til for målingernes

løse fondsbidrag som Årslegatet fra VILLUM KANN RASMUSSEN FONDEN vil være af

skyld og indgår selvfølgelig ikke i det

væsentlig betydning for den fremtidige teknologiske forskning.

trådløse system

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

93

ER RADIOBØLGER FRA MOBILTELEFONER SUNDHEDSSKADELIGE? Dette spørgsmål stilles ofte og giver anledning til mange debatter. På det overordnede plan er der to problemstillinger. Den ene er radiobølger fra antennemaster, der stort set stråler hele tiden, og den anden er udstrålingen fra selve mobiltelefonen, som normalt holdes tæt til hovedet under en samtale.

Den generelle opfattelse er, at de anvendte frekvenser i mikrobølgeområdet er for lave til at ionisere, dvs. til at ændre kemiske bindinger i cellerne, som f.eks. røntgenstråling er i stand til. Den mulige skadevirkning er i stedet en lokal opvarmning, og der er fortløbende diskussioner om, hvorvidt de pulserende effekter fra mobiltelefoni kan have en biologisk virkning.

I 2003 gav den offentlige bekymring anledning til en politisk reaktion, og der blev bevilget 30 millioner kroner til en dansk undersøgelse af problematikken. Denne forskning er på nær nogle få igangværende projekter afsluttet, og resultaterne kan læses på www.mobil-straaling.dk.

Vedrørende sendemasterne er der lavet kontrollerede, dobbeltblinde forsøg på voksne og unge. Resultatet var en frikendelse, hvilket er i overensstemmelse med lignende forsøg i Schweiz og England, hvor der i sidstnævnte forsøg også var inkluderet personer, som mente, at de var særligt følsomme over for elektromagnetisk stråling. Selv om masterne således ikke synes at være sundhedsskadelige, møder de dog fortsat folkelig modstand, men måske mere på grund af økonomiske og æstetiske aspekter.

Påvirkningen fra en mobiltelefon er langt kraftigere end fra masten på grund af den korte afstand mellem hovedet og antennen. Men heller ikke i det tilfælde er der påvist biologiske effekter, som kan klassificeres som sundhedsskadelige. Det er selvfølgelig umuligt at bevise, at der ikke kan være en effekt, og et af projekterne følger brugerne over en længere årrække ud i fremtiden for at se, om der er en sammenhæng mellem sygdom og lang tids brug af mobiltelefon. På grund af den usikkerhed, der stadig er, anbefales det, at man forsøger at begrænse børns brug af mobiltelefon.

Foto: Stockxpert

94

M O B I L K O M M U N I K A T I O N

–

E N

V E R D E N S O M S P Æ N D E N D E

S U C C E S

Om forfatteren: Jørgen Bach Andersen, professor emeritus, dr. techn. , dr. tekn. h.c., født i Randers 1935. Han modtog kandidat- og doktorgrad fra Danmarks Tekniske Højskole (nu DTU) i 1961 og 1971. Fra 1961 til 1973 var han ved Elektromagnetisk Institut, DTU, og siden 1973 ved Aalborg Universitet, hvor han nu er professor emeritus. I 1995 fik han tildelt Villum Kann Rasmussens Årslegat, og i 2003 blev han tildelt en æresdoktorgrad fra Lund Universitet, Sverige. Jørgen Bach Andersen har været gæsteprofessor i USA, New Zealand, Østrig og Sverige. Fra 1993-2003 var han leder af et forskningscenter, Center for Personkommunikation. Han har publiceret bredt inden for mange aspekter af trådløs kommunikation og har også arbejdet med biologiske aspekter af radiobølger. Han er således en af to danske repræsentanter ved COST projekt om ’Emerging EMF Technologies and Health Risk Management’. I 2008 har han været konsulent for DANIDA vedrørende opbygning af forskning ved universitetet i Bhutan.

Jørgen Bach Andersen er Life Fellow of IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) og tidligere Vice President for International Union of Radio Science (URSI), der tildelte ham the John Howard Dellinger Gold Medal in 2005.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

95

Optisk

kommunikation

– mellem mennesker

Af Palle Jeppesen en bag internettet bygger på mange års forskning i optisk

ligdagen for mennesker verden over som internettet, og

kommunikation, som har muliggjort, at vi kan udveksle

det gælder både i hjemmene og i erhvervslivet. Teknologi­

stadigt stigende datamængder i den globale landsby.

96

Næppe nogen teknologisk nyskabelse har forandret dag­

O P T I S K

K O M M U N I K A T I O N

–

M E L L E M

M E N N E S K E R

Lynhurtige og præcist styrede lyssignaler er uundværlige i den verdensomspændende optiske telekommunikation. Senderen indeholder en halvlederlaser, som enten direkte eller via en ekstern modulator påtrykkes den information, som man ønsker overført til modtageren. Laserlyset sendes ind i en optisk fiber, som blot kan måle nogle få centimeter eller være op til flere tusinde kilometer lang med forstærkning undervejs.

I modtageren omdanner en fotodiode det optiske signal til et elektrisk signal, hvorfra informationen uddrages.

Optisk kommunikation spænder vidt. Det kan dreje sig om meget korte forbindelser inde i supercomputere på kun nogle centimeters længde, hvor man f.eks. ønsker at forbinde et printkort med højhastighedselektronik med et andet. Her udnytter man, at fibrene kan transmittere meget høje datahastigheder og er ufølsomme overfor elektromagnetisk støj fra anden elektronik i nærheden.

Gælder det lidt længere afstande kan man nævne lokalnet i kontorbygninger og virksomheder. Et af Danmarks største fiber-optiske lokalnet er det store net, som er installeret i DR Byen i Ørestaden på Amager, hvor studier og hundredvis af arbejdspladser er forbundet med fibre.

Et andet aktuelt eksempel på anvendelser med moderate afstande er fiber-til-hjemmet, hvor en række elselskaber og TDC i mange egne af Danmark nu installerer fibre til private hjem, og hvor den samlede investering over en årrække nærmer sig prisen på Storebæltsbroen. Det umiddelbare formål er at levere ”triple play”, dvs. hurtigt internet, IP-TV med meget fin billedkvalitet samt IP-telefoni til meget lav pris. IP hentyder til internet protokol. Lignende tjenester til private hjem kan også leveres til lave priser ved hjælp af de gamle metalliske telefonledninger, via kabel TV og via trådløse forbindelser, og desuden kan TV programmer fordeles meget prisbilligt via satellit, så alt i alt befinder fiber-til-hjemmet teknikken sig i en skarp konkurrence med andre teknologier.

I dag kan de fleste hjem klare sig med datahastigheder på op til 20-40 Megabit i sekundet, men i lande som Japan leveres allerede nu 100 Megabit/s, og det kan de andre teknikker vanskeligt følge med til. På længere sigt går udviklingen mod abonnentforbindelser på 1 Gigabit/s og derefter formodentligt 10 Gigabit/s. Et af de behov, som driver udviklingen mod så høje datahastigheder, er transmission af en stigende mængde video; men det har vist sig meget vanskeligt at forudsige, hvad bredbåndsforbindelser med øgede hastigheder vil blive brugt til. Hvem havde for ti år siden forestillet sig informationssøgning som på Google eller udveksling af al salgs information inklusive video på YouTube, Facebook og MySpace? Generelt har min

Internettet; Jorden er spundet ind i et netværk af lyslederkabler, som gør det muligt at kommunikere lynhurtigt med mennesker både lokalt og på den anden side af kloden.

Foto: Niels Busch

F O R S K E R L I V

Foto: Stockxpert

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

97

erfaring været, at hvis bredbåndsforbindelser kan leveres til lav pris, får abonnenterne nye og overraskende ideer til, hvordan de kan udnyttes. Faktisk synes der næsten ikke at være grænser for den mængde information, som mennesker ønsker at udveksle.

En indirekte begrænsning, som dog kan øjnes, er elektricitetsforbruget til bredbåndskommunikationen. Ganske vist udgør dette forbrug i dag kun nogle få procent af et lands samlede elforbrug, men fortsætter den årlige vækst i internettrafikken på omkring 40 procent, vil dette energiforbrug og de dermed forbundne CO2-udslip blive et stort problem. Derfor er det allerede et aktuelt forskningsområde at udvikle teknologier til bredbåndskommunikation, som er mindre energiforbrugende end de nuværende. Et af de første eksempler er internetrutere, hvor man nu forsker i ny elektronik og optoelektronik, som bruger mindre energi. Hvis man blot skalerer de eksisterende løsninger op i takt med væksten i datatrafikken, bliver såvel energiforbruget som den fysiske størrelse af ruteren og kølingsproblemet urimeligt stort.

Ud over de private hjem, som får glæde af fiber-til-hjem installationen, er det en stor fordel for hele landet, at vi med optiske fibernet får en moderne infrastruktur, som også erhvervsliv og den offentlige sektor kan gøre brug af. Virksomheder kan udveksle informationstunge dokumenter hurtigt, lagre store mængder data på nettet og begrænse rejseaktiviteten gennem brug af møder over nettet, og samtidig kan forsknings- og uddannelsesinstitutioner, hospitaler og den offentlige administration blive stadig mere effektive.

Den store datatrafik, som skabes af private hjem, virksomheder og den offentlige sektor, forplanter sig videre op til de højere niveauer i telenettet. Første niveau efter abonnenterne er metronettet, der - som navnet antyder - dækker et byområde. Her forbinder fibrene de knudepunkter, hvortil abonnenterne er koblet, og der anvendes typisk en ringstruktur. Også den hastigt voksende mobilkommunikation kobles ind i metronettet, så på den måde går optisk kommunikation og mobilkommunikation hånd i hånd.

Næste niveau i telenettet er forbindelser mellem byer og lande, og de længste forbindelser findes som søkabler mellem kontinenter. Den undersøiske kommunikation betjener sig af den mest avancerede form for optisk kommunikation, idet datahastighederne, som skal overdrages, og afstandene, som skal dækkes, er de største.

Olympiaden i Kina øgede i 2008 behovet for bredbåndsforbindelser mellem Kina og omverdenen, og det førte til installation af et nyt søkabel, Trans-Pacific Express, over Stillehavet fra USA. I søkabler anvendes specielle fibre, som har særlig stor transmissionskapacitet, og netop søkabler er et godt eksempel på den utrolige vækst, der har været i datakapaciteten - fra Megabit/s i 1970’erne til Terabit/s i dag, en stigning på

Trans-Pacific Express, har en ekstremt

en million gange. Det nye kabel over Stillehavet får en kapacitet på 1,28 Terabit/s og

høj kapacitet. Foto: SPG Media Limited

kan senere opgraderes til 5,12 Terabit/s.

98

Det nye søkabel mellem Kina og USA,

O P T I S K

K O M M U N I K A T I O N

–

M E L L E M

M E N N E S K E R

VILLUM KANN RASMUSSENS ÅRSLEGAT TIL TEKNISK FORSKNING Villum Kann Rasmussens Årslegat på 1 million kr. blev tildelt

Teknikken kræver kohærente lasere, men fordelene - bedre

undertegnede i 1988 for mit arbejde inden for mit første

modtagerfølsomhed og større spektraltæthed – er meget at-

forskningsfelt, nemlig mikrobølgeteknik og halvlederfysik. Men

traktive, fordi de giver en bedre udnyttelse af den til rådighed

i årene forinden var jeg i stigende grad blevet engageret i optisk

værende båndbredde; navnlig i optiske forstærkere, som ofte er

kommunikation. Springet fra mikrobølgeteknik til optisk kom-

den begrænsende faktor for båndbredden i et system. Forstær-

munikation synes stort med en forskel i bølgelængde fra 10 cm

kerne anvendes især i lange lyslederkabler for at kompensere for

til 1 μm, hvilket svarer til en formindskelse på hundredtusinde

tabet undervejs.

gange. På den anden side er der mange fælles begreber. Mikrobølger til radiokommunikation og lysbølger til optisk kommuni-

Nogle år senere skete der dog det, at simple optiske forstærkere

kation er begge elektromagnetiske bølger, og mikrobølgeteknik

vandt hastigt frem, fordi de kunne give en modtagerfølsomhed,

har også mange metoder og begreber til fælles med optisk kom-

som var næsten lige så god som kohærente modtagere, og den

munikation såsom modulation, detektion, signal-støj-forhold og

store spektrale tæthed var der endnu ikke brug for. Derfor døde

bitfejl.

interessen for forskning i kohærent kommunikation gradvist ud verden over. Jeg opretholdt dog undervisningen i emnet ud fra

Årslegatets anvendelse

den betragtning, at kohærent kommunikation før eller senere

Årslegatet blev overvejende anvendt til apparatur og kompo-

ville blive interessant igen på grund af metodens væsentlige

nenter i forbindelse med to ph.d. projekter om kohærent optisk

principielle fordele. Som vi senere skal se, har forskningsområdet

kommunikation ved Elektromagnetisk Institut, DTU. Kohærent

faktisk fået en kraftig renæssance i de seneste par år.

optisk kommunikation var på daværende tidspunkt et meget Efter Årslegatet

aktivt forskningsområde.

I 1988 bevilgede det daværende Statens Teknisk-Videnskabelige I kommercielle systemer brugte man simpel intensitetsmodula-

Forskningsråd 7,5 millioner kr. pr. år til et af de tre første Inge-

tion, hvor laseren tændes og slukkes i korte glimt. I kohærent

niør-Videnskabelige Centre i Danmark, ”Center for Bredbånds

optisk kommunikation moduleres laserens optiske frekvens og

Telekommunikation”. Centret blev oprettet på min ansøgning

fase. I stedet for simpel direkte detektion af den optiske effekt

og kom til at eksistere ti år med undertegnede som centerleder.

ind i modtageren anvendes kohærent detektion. I modtageren

Det er nærliggende at tro, at tildelingen af Villum Kann Rasmus-

fungerer en halvlederlaser som lokaloscillator, som udsender

sens Årslegat kort forinden var en fordel ved bedømmelse af

en kontinuert laserstråle, der svinger med en bestemt optisk

ansøgningen. Aktiviteterne blev senere videreført ved oprettel-

frekvens. Det modtagne optiske signal og den kontinuerte

sen af Forskningscenter COM og ved samme lejlighed indrette-

laserstråle blandes i en fotodiode. Herved opstår der en elektrisk

des et meget større og bedre optisk systemlaboratorium. I 2008

strøm på mellemfrekvensen, som er forskellen mellem signalets

fusionerede COM med fotonikgruppen på Risø under det nye

og lokaloscillatorens optiske frekvenser. Fra denne strøm kan

navn DTU Fotonik, som nu har i alt ca.165 medarbejdere.

den modtagne information uddrages.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

99

Søkablerne er internettets globale motorveje mellem kontinen-

mere information. Når man kun bruger to mulige niveauer, over-

terne, men til andre anvendelser kan man i dag klare sig med

føres én bit information pr. symbol. Når man derimod anven-

mindre kapacitet. Ethernet, den mest almindelige type lokalnet,

der fire niveauer, overføres to bit. Når otte niveauer anvendes,

er standardiseret foreløbigt op til 10 Gigabit/s, og denne dataha-

overføres tre bit osv.

stighed er også stærkt udbredt på hovedstrækninger af internet-

I eksperimenter har vi ved hjælp af multiniveau modulation gen-

tet. Hastigheden svarer til omkring 150.000 telefonsamtaler eller

nemført en meget vellykket 240 Gigabit/s transmission gennem

2500 TV signaler.

en 50 kilometer lang fiber. Ud over den store datahastighed er en væsentlig fordel ved metoden, at signalets spektralbredde

Mere information ved modulation af lyssignalet

næsten ikke øges, selv om antallet af niveauer øges.

Måling af bitfejl er den afgørende test ved udvikling af nye transmissionssystemer med større kapacitet end den foregående

Multipleksning af mange bølgelængder

generation, og i 2002 udførte vi en test på 40 Gigabit/s, hvilket

I 1995 bevilgede VILLUM KANN RASMUSSEN FONDEN fem mil-

absolut var på forkant af den internationale forskning. Testen

lioner kr. til indretning af et målelaboratorium til eksperimenter

blev mulig, fordi VILLUM KANN RASMUSSEN FONDEN bevilgede

med ”wavelength division multiplexing” (WDM). Teknikken inde-

seks millioner kr. til anskaffelse af et 44 Gigabit/s bitfejl testud-

bærer, at man på sendersiden anvender mange parallelle lasere

styr til undersøgelser af nye optiske komponenter og kommu-

med hver sin optiske bølgelængde og hver sit optiske signal, som

nikationssystemer. I dag er de første kommercielle 40 Gigabit/s

alle kobles ind i samme fiber. På modtagersiden føres de forskel-

systemer taget i brug i USA og enkelte andre lande.

lige signaler til hver sin optiske modtager.

En af de væsentligste metoder til at øge datahastigheden i optisk telekommunikation er at modulere signalet, så det kan inde-

Denne teknik har siden vist sig særdeles slagkraftig og anvendes

holde mere information, end når man alene bruger tændt eller

verden over; også fordi det er en fleksibel opgraderingsmetode,

slukket til at repræsentere de digitale bits 1 og 0. I 2004 bevil-

idet nye bølgelængder kan tilføjes i takt med, at behovet vokser.

gede det Strategiske Forskningsråd 3,7 millioner kr. til projektet

For nyligt har vi gennem et fælles ph.d. projekt med en industriel

MultiSpeed. Målet var at udvikle nye multiniveau modulations-

partner udviklet en mere avanceret metode til at opgradere et

formater til ultrahøjhastigheds forbindelser på hovedstrækninger

kommercielt WDM kommunikationssystem til højere transmis-

i internettet.

sionskapacitet.

Før opgraderingen indeholder systemet en blanding af 24

En af de centrale aktiviteter var at udvikle en metode til

bølgelængdemultipleksede kanaler, som alle er intensitetsmo-

transmission af et multiniveau 240 Gigabit/s signal med ud-

duleret med datahastigheder på enten 2,7 eller 10,7 Gigabit/s.

gangspunkt i et udstyr, som ”kun” anvender elektronik på

Opgraderingen består i, at f.eks. én af de oprindelige 24 kanaler

40 Gigabit/s. Ideen bag multiniveau modulation er, at når der

erstattes med en ny kanal, som er fasemoduleret, så hvert sym-

anvendes flere mulige niveauer i et symbol, overfører symbolet

bol har otte mulige fasetilstande og dermed tre gange højere

Opgradering af et WDM system med oprindelig blanding af 24 intensitetsmodulerede kanaler på enten 2,7

24 NRZ-OOK modulerede kanaler Blanding af 2.7 Gigabit/s og 10.7 Gigabit/s

Opgraderet kanal. 32.1 Gigabit/s RZ-D8PSK modulation med symbolhastighed 10.7 Gbaud

eller 10,7 Gigabit/s. En enkelt af disse kanaler erstattes med en fasemoduleret kanal med 8 fasetilstande og en datahastighed på 32,1 Gigabit/s

100

D e m u x

M u x

EDFA forstærket 80 km SMF/13 km DCF sektion gentaget 2 – 4 gange

O P T I S K

K O M M U N I K A T I O N

–

M E L L E M

M E N N E S K E R

ÉN LASER SENDER 240 GIGABIT/S GENNEM 50 KILOMETER FIBER Senderen er en laser, som sender kontinuert med en fast optisk

sationsmultiplekseren opnår to datastrømme med på hinanden

frekvens. Den første modulator (klokken) skærer signalet op i

vinkelret stående polarisationer og en samlet datahastighed på

et optisk pulstog på 40 GigaHertz; altså 40 milliarder lysglimt i

240 Gigabit/s.

sekundet. Endnu indeholder signalet ingen information, men så begynder modulationen i den første modulator styret af en 40

I modtageren demultiplekses datastrømmen i to; den ene bruges

Gigabit/s ordgenerator. I modulatoren deles lyspulsen i to dele,

ikke her, mens den anden deles ligeligt i to arme. I den øvre arm

som sendes gennem to kanaler. I hver arm kan fasen ændres.

detekteres fasemodulationen i et interferometer. Princippet er, at

Når de adskilte lyspulser atter forenes, er lysets fase drejet enten

to på hinanden følgende symboler, som er i samme fase, repræ-

0 eller 180 grader bestemt af den indkodede information, hvil-

senter 1, mens et faseskift mellem et symbol og det foregående

ket giver en datastrøm på 40 Gigabit/s. I den anden modulator

repræsenterer 0. Bitstrømmen indeholder 80 Gigabit/s modula-

tilføjes endnu en fasemodulation, så vi får 80 Gigabit/s og fire

tion, og afhængigt af indstillingen af interferometret detekteres

fasetilstande. I den tredie modulator tilføjes amplitudemodula-

den ene eller den anden 40 Gigabit/s komponent. Bitfejl tæl-

tion, så vi får otte fasetilstande og dermed 120 Gigabit/s.

les i en fejltæller efter demultipleksning til 10 Gigabit/s. I den nedre arm, som er blind overfor fasemodulation, detekteres den

Den resulterende datastrøm sendes ind i transmissionsstræk-

amplitudemodulerede information. Output sendes ind i en 40

ningen, som består af en 33 kilometer lang single mode fiber

Gigabit/s fejltæller.

og en 17 kilometer lang invers dispersionsfiber, som komprimerer de optiske pulser efter, at de er blevet bredere i den

Eksperimentet demonstrerede meget vellykket 240 Gigabit/s

første fiber. Foran fibrene er anbragt en optisk forstærker for

transmission over 50 kilometer fiber ved brug af kun én sen-

at overvinde dæmpningen i fibrene. Desuden anvendes pola-

derlaser. Resultatet blev præsenteret ved European Conference

risationsmultipleksning til at fordoble datahastigheden til 240

on Optical Communication 2005 i Skotland som ”postdeadline

Gigabit/s. Metoden går ud på, at vi på indgangen deler signalet

paper”, hvor nyhedsværdien skal være særlig høj for, at artiklen

i to datastrømme, som forsinkes i forhold til hinanden. Deres

kan blive accepteret.

polarisationer justeres således, at man på udgangen af polari-

40 GHz Klok

40 Gbit/s ordgen.

40 Gbit/s ordgen.

40 Gbit/s ordgen.

10 Gigabit/s fejldetektor 4:1 DMUX

Klokgendannelse

PolDMUX RZ

Laser

DBPSK

DQPSK

ASK

Effektdeler

Effektdeler

SMF

PolMUX

40 Gigabit/s fejldetektor

IDF

Diagrammet viser vores eksperimentelle opstilling til transmission af 240 Gigabit/s multiniveau signaler: a) Sender med modulatorer b) transmissionsstrækning og c) modtager

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

101

informationsindhold, hvorved datahastigheden øges fra 10,7 til 32,1 Gigabit/s.

Imidlertid er brydningsindekset i en fiber svagt afhængig af intensiteten af de optiske pulser; fiberen siges at være ulineær. Da nabokanalerne er intensitetsmodulerede, vil de bevirke en ændring af fiberens brydningsindeks og dermed en forvrængning af de optiske fasetilstande i det fasemodulerede signal. Fænomenet betegnes krydsfasemodulation. Vore forsøg viste, at hvis effekten af nabokanalerne var tilpas lille, var indvirkningen på den nye fasemodulerede kanal beskeden, selv efter transmission over 400 kilometer med brug af mellemliggende optiske forstærkere. Men hvis nabokanalernes effekt var indstillet til den noget højere, standardiserede værdi, var indvirkningen for stor. Hvis nabokanalerne derimod også var fasemodulerede og dermed havde mindre uregelmæssig effektvariation, var indvirkningen acceptabel. Resultaterne blev præsenteret ved Optical Fiber Communication Conference 2008 i USA. 640 Gigabit/s bølgelængdekonvertering Gennem den optiske kommunikations mere end 30 år lange historie er datahastigheden på en enkelt optisk bølgelængde i kommercielle systemer vokset fra 34 Megabit/s til 40 Gigabit/s i dag. Endnu højere datahastigheder på først 160 Gigabit/s og senere 640 Gigabit/s kan forudses. Men her vil man støde på et problem, fordi de involverede elektroniske komponenter ikke er hurtige nok til at følge med. Derfor er hurtigere optisk signalbehandling en interessant mulighed.

Grafik:

En nødvendig funktionalitet i optisk signalbehandling er bølgelængdekonvertering,

Michael Ströck

hvor information på en given optisk bølgelængde skal overføres til en anden bølge-

ULTRANET OG NANOCOM I 2003 bevilgede forskningsrådet fem millioner kr. til forskningsprojektet UltraNet med undertitlen ”Ultra high-speed data rates for future generation internet”. Motiveringen for projektet var den stærkt voksende trafik på hovedstrækningerne af internettet.

Specielt ønskede man at fokusere på optiske kommunikationssystemer, som fungerer ved datahastigheder på 160 Gigabit/s og højere på en enkelt optisk bølgelængde og ved brug af simpel binær intensitetsmodulation. I projektet anvendte vi optiske fibre fremstillet af et dansk firma, og der blev opnået eksperimentelle resultater, som vakte

enteringer rulles op i kulstof nanorør.

international opmærksomhed.

Nanorørene er cylindriske molekyler

Projektet blev efterfulgt af en ny bevilling fra forskningsrådet på 5,9 millioner kr. til

med en diameter på nogle få nanome-

projektet NanoCom. Målet er at udnytte nanoteknologi til at bygge hurtigere og mere

ter, men med en længde på op til en

stabile optiske kommunikationssystemer til ultrahurtige datahastigheder på helt op til

millimeter

640 Gigabit/s og endnu højere.

102

En skive af grafit kan i forskellige ori-

O P T I S K

K O M M U N I K A T I O N

–

M E L L E M

M E N N E S K E R

Kulstof nanorør til kort-puls laser En lovende mulighed er at anvende kulstof nanorør til at frembringe meget korte, optiske pulser på under 1 picosekund svarende til en billiontedel sekund. Kulstof nanorør virker som en mætbar absorber, som absorberer lys op til en vis intensitet, men når tærskelværdien overskrides, passerer lyset uden særlig stor dæmpning.

Laseren er en fiberring laser, der indeholder en erbium doteret fiber, som forstærker de optiske pulser ved hjælp af lyset fra en pumpelaser. På et sted i ringen er lyslederen overskåret, og et tyndt lag af kulstof nanorør er placeret mellem de to endeflader. Når laserlyset i ringen har mættet nanorørerne, passerer lys igennem dem i en ultrakort puls. Varigheden af den enkelte puls er bestemt af nanorørernes lynhurtige reaktionstid samt af udbredelsesforholdene i fiberringen, og det er lykkedes at frembringe pulser på kun 0,8 picosekund med en repetitionsfrekvens på 23,8 MegaHertz.

Til telekommunikation er korte pulser af stor interesse, hvis repetitionsfrekvensen kan øges fra MegaHertz til GigaHertz området. En mulighed er at erstatte ringkonfigurationen med en meget kort lineær kavitet med spejle på fiberens endeflader. Dette arbejder vi på i øjeblikket. Hvis projektet lykkes, har vor industrielle partner gode muligheder for at kommercialisere resultaterne.

Pumpelaser

WDM

EDF

10 % output

PK Isolator

SMF

KNR

Amplitude (mV)

300

Repetitionsfrekvens: 23.8 MHz

250 42ns

200 150 100 50 0 -50

0

50

100

150

200

250

300

350

Tid (ns)

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

103

Effekt [dBm]/0.1 nm opløsning

0 Kontinuert laserstråle

-10

længde. Dette kan være nødvendigt i en internetruter, f.eks. når information på en

Oprindeligt datasignal

indkommende bølgelængde ønskes sendt videre på et tidspunkt, hvor den pågæl-

-20

dende bølgelængde allerede er optaget af anden information.

Konverteret datasignal 640 GHz

-30

Vi har eksperimentelt demonstreret 640 Gigabit/s bølgelængdekonvertering baseret

-40

på krydsfasemodulation i en fiber, som er kraftigt ulineær for at maksimere krydsfase-

-50

modulationen.

-60

Udgangspunktet er en 10 GigaHertz laser og en modulator, der frembringer en 10

-70 1530

1540

1550

1560

1570

Bølgelængde [nm]

Gigabit/s datastrøm, som multiplekses op til 640 Gigabit/s. Bølgelængden er 1560 nanometer. Datastrømmen sendes ind i en ulineær fiber sammen med en anden, kon-

Optiske spektre af oprindeligt 640

tinuert laserstråle med en bølgelængde på 1544 nanometer. På grund af krydsfasemo-

Gigabit/s datasignal, kontinuert laser-

dulation i den ulineære fiber bliver den kontinuerte laserstråles spektrum væsentligt

stråle og konverteret datasignal

bredere under påvirkningen af 640 Gigabit/s datasignalet, hvorved informationen overføres til en ny bølgelængde. Det bølgelængdekonverterede signal opnås ved frafiltrering af både det oprindelige datasignal og den oprindelige kontinuerte laserstråle.

Resultatet er en verdensrekord; ikke tidligere er bølgekonvertering udført ved så høj en datahastighed. Eksperimentet var muligt, fordi de ulineære processer i en optisk fiber er ekstremt hurtige. Den ulineære fiber var fremstillet af et dansk firma.

Fra mobil til fiber Den hastigt voksende mobilkommunikation giver anledning til, at flere og flere radiosignaler på højere og højere mikrobølgefrekvenser skal sendes videre gennem det fiberbaserede optiske telenet. Her kan kohærent optisk kommunikation måske være til hjælp. Til kohærent kommunikation, nærmere bestemt optisk fasemodulation og kohærent detektion, bevilgede VILLUM KANN RASMUSSEN FONDEN i 2007 et 18 måneders post doc stipendium.

Ideen går ud på at udvikle et radio-over fiber link med optisk fasemodulation og kohærent detektion efterfulgt af digital signalbehandling i en PC. Overførslen af information fra mikrobølger til lyssignaler sker via en laser, som udsender en kohærent, kontinuert laserstråle. Laserstrålen sendes ind i en optisk fasemodulator, som drives af en 5 GigaHertz mikrobølge generator, som er moduleret med et 50 Megabit/s signal.

I den optiske modulator omsættes mikrobølgesignalet til et fasemoduleret lyssignal, som sendes gennem en 25 kilometer single mode fiber. På modtagersiden blandes signalet i et sæt fotodioder med en kontinuert lysstråle fra en tunbar lokaloscillator laser, og det frembragte elektriske signal samples i et digitalt oscilloskop; ved sampling forstås, at der med meget høj hastighed udtages øjebliksværdier af det elektriske signal, f.eks. 20 milliarder gange i sekundet.

Oscilloskopets output underkastes dernæst digital signalbehandling i en PC. Denne signalbehandling er meget slagkraftig. For det første gør den det muligt at kompen-

104

O P T I S K

K O M M U N I K A T I O N

–

M E L L E M

M E N N E S K E R

Laser

Filter

PK Fase modulator

1550 nm

5 GHz RF 50 MHz bredt BPSK

VSG

25 km SMF

PSD

90° optisk hybrid

Digitalt sampling oscilloskop

Til digital signal behandling i PC

Eksperimentel opstilling til demonstra-

Tunbar LO laser

tion af en kohærent, fasemoduleret radio-over-fiber link

sere for det problem, at lokaloscillatorens optiske frekvens og fase er meget vanskelig helt at tune til signalets værdier. For det andet kan man beregningsmæssigt kompensere for en række transmissionsproblemer, f.eks. dispersion i fiberen.

Eksperimentet viste, at det oprindelige 50 Megabit/s signal kunne gendannes i modtageren med god kvalitet. På lidt længere sigt skal sampling oscilloskopet og PC’en erstattes af et integreret elektronisk kredsløb.

Imidlertid kan eksperimentet ses som en principdemonstration af, at kohærent detektion fungerer fint for fasemodulerede radio-over-fiber signaler. Perspektivet på længere sigt er, at mere avancerede modulationsformater med højere informationsindhold pr. symbol kan anvendes. Det er især den nye elektroniske samplingsmulighed, som er nøglen til den kohærente kommunikations forskningsmæssige renæssance verden over.

På vej mod Terabit/s I foråret 2008 har VILLUM KANN RASMUSSEN FONDEN bevilget 25 millioner kr. over fem år til et ”VKR Centre of Excellence” med navn NATEC (NAnophotonics for TErabit Communications). Centret skal forske i den fundamentale fysik og teknologi for nanofotoniske materialer og komponenter med særlig fokus på ultrahurtige processer, og derved bane vej for kommunikationssystemer med datahastigheder i Terabit/s området. Centret bringer forskere fra fem institutter på DTU sammen i et koordineret forskningsprogram.

Nogle af DTU Fotoniks systemforskere skal bidrage til NATEC, hvad angår systemer med datahastigheder i Terabit/s området på én optisk bølgelængde. Denne målsæt-

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

105

ning ligger i naturlig forlængelse af den igangværende forsk-

Om forfatteren:

ning, hvor 640 Gigabit/s allerede er opnået ved binær modu-

Palle Jeppesen, f. 1941, professor dr. techn., modtog Villum

lation; dette resultat kan sandsynligvis forbedres ved brug af

Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk Forskning i 1988 for hans

multiniveau modulation.

arbejde indenfor mikrobølgeteknik og halvlederfysik. I årene inden havde han i stigende grad være engageret i optisk kommu-

DTU Fotonik er involveret i en række EU-projekter, bl.a. Gibon

nikation, dels som gruppeleder ved daværende Elektromagnetisk

og Hecto. I begge projekter deltager en række fremtrædende

Institut, Danmarks Tekniske Universitet, dels som udviklings-

firmaer, forskningsinstitutter og universiteter. Målet er kort

chef på deltid ved NKT Elektronik i tiden 1982-1984. Han blev

udtrykt 100 Gigabit/s Ethernet. Til lokalnet har Ethernet gået

forskningsprofessor i optisk kommunikation i 1984 og professor

sin sejrsgang verden over, og datahastigheden er standardiseret

i 1989. Han var leder af Statens Teknisk-Videnskabelige Forsk-

foreløbigt op til 10 Gigabit/s. Der er tradition for, at Ethernet

ningsråds Center for Bredbånds Telekommunikation i tiden

udvikler sig i spring på en faktor 10, så den næste hastighed

1988-98. Han er nu professor i optisk kommunikation ved DTU

sandsynligvis bliver 100 Gigabit/s. Forskellige metoder til at nå

Fotonik. Han er medlem af Akademiet for de Tekniske Viden-

målet diskuteres nu i internationale standardiseringsråd. En af

skaber og har modtaget P. Gorm Petersens Mindelegat i 1974,

dem bygger på fasemodulation og polarisationsmultipleksning,

Esso (nu Statoil)-prisen i 1978 og Alexander Foss’ Guldmedalje i

altså metoder, som vi ved DTU Fotonik begyndte at arbejde med

2005. Han har været medlem af bestyrelserne for Terma Elek-

for flere år siden. Også kohærent detektion er stærkt inde i dis-

tronik AS, Kryolitselskabet Øresund A/S, Delta og Telecom A/S

kussionerne. Det synes sikkert, at 100 Gigabit/s Ethernet vil blive

og af Statens Teknisk-Videnskabelige Forskningsråd, Forsvarets

kommercialiseret om nogle år.

Forskningsråd, NATOs Videnskabskomite og Det Videnskabelige Råd for Den Store Danske Encyklopædi; for tiden er han for-

Skal traditionen følges, bliver næste standardiserede hastighed

mand for panelet for Systems and Communication Engineering

1 Terabit/s. Arbejdet i NATEC vil blive styrket af et nyligt bevilget

under EUs European Research Council. Hans forskningsinteresser

projekt fra Forskningsrådet for Teknologi og Produktion med

er højhastigheds optiske kommunikationssystemer samt optisk

navnet NOSFERATU. Her er målet netop at udvikle teknikker,

signalbehandling.

der kan håndtere 1 Terabit/s serielle datasignaler og gøre dem kompatible med standard Ethernet trafik.

Til slut vil jeg understrege, at det naturligvis var en meget stor opmuntring at modtage Villum Kann Rasmussens Årslegat. For alle modtagere af legatet tror jeg, at det styrker modtagerens videnskabelige anseelse og øger opmærksomheden overfor forskningsområdets betydning. Begge dele er sandsynligvis af stor betydning i forbindelse med ansøgninger til statslige forskningsråd og private fonde. I hvert fald er jeg er dybt taknemmelig for Årslegatet og for de senere tildelinger fra VILLUM KANN RASMUSSEN FONDEN. Uden alt dette havde det ikke været muligt at Forfatteren i det optiske systemlaboratorium på DTU Fotonik.

et helt uundværligt grundlag for de resultater, vi har opnået.

Foto: Bent Hulsrøj

106

opbygge det systemlaboratorium, vi har i dag, og som har været

O P T I S K

K O M M U N I K A T I O N

–

M E L L E M

M E N N E S K E R

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

107

Større frihed giver højere kvalitet – om designoptimering med computeren

Af Martin P. Bendsøe Topologioptimering er en computerbaseret beregningsmetode, der tillader, at ingeniører kan finde nye og særdeles gode løsningsforslag til konstruktio­ nen af alt fra bildele og flyvinger til chips, der kan få lys til at gå om hjørner, og konstruktioner, der kan få lyd til at forsvinde. Danmark er internationalt føren­de inden for forskningen.

108

T O P O L O G I O P T I M E R I N G

Udgangspunktet: En ingeniør får til opgave at hjælpe med at konstruere en elbil. Arbejdet går ud på at finde de bedste løsninger med hensyn til valg af materialer, hjulophæng, godstykkelser, konstruktion af karosseri og så videre. Opgaven kan begrænses til detaljerne i disse valg, hvis den basale udformning af bilen allerede er bestemt. Eller opgaven kan bestå i at fremkomme med nye forslag på alle områder – hvis det ellers forbedrer elbilen. I forhold til den førstnævnte opgave giver den sidste alt andet lige muligheden for at lave en bedre eller i hvert fald en lige så god bil. Simpelt hen fordi den oprindelige løsning også er en mulighed, som ingeniøren kan aflevere. Med andre ord, som titlen på denne artikel angiver: Stor frihed giver høj kvalitet.

Retorisk kan man indvende meget mod påstanden. Den store designfrihed for ingeniøren skal nemlig håndteres rigtigt, og muligheden for, at hele processen ender med en dårlig løsning, er absolut til stede. Samtidig forudsætter logikken, at ingeniøren med den store frihed faktisk også er i stand til at finde den oprindelige konfiguration.

Heldigvis kommer matematikken og matematikkens formalisme os til undsætning.

For her kan vi præcist formulere spørgsmålene, og den matematiske optimeringsteori giver os værktøjer, så processen med at træffe det rigtige valg kan styres. Tilmed kan man udføre de omfattende beregninger på en computer.

Designoptimering med computerværktøjer Hvis vi skal kunne benytte matematik og computere til at hjælpe os med at designe en elbil, kræver det, at der sættes tal på de elementer, som indgår i beskrivelsen af designproblemet. Som et led i udviklingen af bilen kan man f.eks. have et delproblem, hvor man skal konstruere en bærende bjælke til karosseribunden. Bjælken skal være så let som muligt, og vægten er nem at beregne, hvis man kender bjælkens form og massefylden af bjælkematerialet.

Allerede her knækker logikken set i relation til at have et veldefineret problem. For hvad menes egentlig med bjælkens form? Visuelt ved vi nok, hvad vi taler om, men der skal tal ’på bordet’ for at vi kan komme videre med at bede computeren om at beregne den optimale form. En mulighed er at benytte bjælkens længde, bredde og

En topologioptimeret ramme til forkanten af vingen på en Airbus 380. Ved topologioptimeringen sparede man omkring 500 kg pr. vinge ved at optimere i alt 18 rammer, der sidder ved roden af vingen. I fly er reduceret vægt lig med formindsket brændstofforbrug og nedsat CO2-udslip. Foto: EADS-Tyskland

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

109

tykkelse som tre talstørrelser, der beskriver bjælken. Dette giver en præcis beskrivelse, og vi kan beregne vægten uden problemer. Længden og højden af bjælken er nok givet allerede ud fra, at man skal kunne montere bjælken på rette sted, og derfor har vi kun bredden tilbage som en frihedsgrad. Optimeringen er nu i princippet meget simpel, for den mindste vægt fås for en bredde, der er nul!

Det er åbenbart, at noget er glemt i skyndingen – for sagen er jo den, at bjælken nok skal have lille vægt, men den skal også have en mekanisk funktion. Dette kan for eksempel være, at bjælken skal have en vis stivhed for, at passagererne kan føle sig trygge i bilen. Beregningen af bjælkens stivhed kræver noget fysik, da man skal kunne forbinde en belastning med en bøjning af bjælken. Det vil sige, at man skal have formler eller ligninger, der muliggør en beregning af udbøjningen for en given bjælkegeometri. Her kommer faststofmekanikken i spil. I dette tilfælde findes der simple formler, der direkte tillader, at man beregner udbøjningen, hvilket skyldes den enkle kasseformede geometri af bjælken.

Det relevante problem, som nu skal løses, er altså at minimere vægten af bjælken under den restriktion, at stivheden ikke må være mindre end en fastsat værdi. Man siger, at der er formuleret et optimeringsproblem med sidebetingelser. I den konkrete situation betyder stivhedsbetingelsen, at bjælkebredden ikke kan være nul, men lig Magi eller blot god intuition? Øverst en

med den mindste bredde, som giver den ønskede stivhed. Så vidt er optimeringen

topologioptimeret konstruktion, hvor

nem nok.

den ydre cirkel er belastet tangentielt, Men endnu har vi ikke givet ingeniøren ret meget spillerum til at udfolde sig. Der

Nedenfor et billede fra Piazza del Com-

bliver plads til mere ’spræl’ over løsningen, hvis man tillader, at bjælken kan udformes

pidoglio, som er designet af Michelan-

med en række huller – det ses jo i mange anvendelser. Hermed bliver problemet straks

gelo. Grafik og foto: Keizo Ishii, Quint

sværere at håndtere. Allerførst må man bestemme sig til, hvordan hullerne beskrives,

Corporation, Japan, www.quint.co.jp

og hvad der så kan varieres for at optimere designet. Lad os sige, at man placerer otte

110

og hvor midtercirklen er fastholdt.

T O P O L O G I O P T I M E R I N G

runde huller på tværs i bjælken og vælger at ’lege’ med place-

man heller ikke, at computeren tilfældigt skal regne på en fryg-

ringen og størrelsen af hullerne. I computeren kan man præcist

telig mængde af designeksempler – for faktisk er det muligt at

holde styr på denne del af geometrien gennem 24 tal – for hver

gøre det smartere.

cirkel skal centrums position angives, og cirklen størrelse bestemmes af diameteren.

Hvis vi vælger at benytte en bjælke med otte huller, har vi på forhånd bestemt os for en bestemt type bjælke – indenfor de

Vi har nu betydeligt flere frihedsgrader, og der findes ikke læn-

beskrevne frihedsgrader vil bjælken efter optimeringen fortsat

gere simple formler til at beregne udbøjningen. Så for at klare

have otte huller. Vi har altså afgrænset bjælkens topologi, eller

jobbet må man ty til computeren, med mindre man vil producere

man kunne sige dens landskab. Men det ville jo være praktisk,

en masse bjælker og tjekke hvert enkelt eksperimentelt. Com-

hvis computeren selv kunne finde ud af, om syv eller ni huller

puteren kan både benyttes til at beregne forskellige bjælkers

muligvis er bedre. For vi ved jo, at større frihed giver mulighed

opførsel og til at styre selve optimeringen. Det er vigtigt. For

for at opnå en højere kvalitet. Og nu er vi nået dertil, hvor vi har

ligesom man vil undgå at producere en masse bjælker, ønsker

brug for topologioptimering.

En konsolbjælke beskrevet med voxels – som er kubiske legoklodser. Bjælken er topologioptimeret, og der er opstået et hul i bagenden, hvor bjælken er monteret mod en væg. Grafik: Oded Amir, DTU

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

111

Topologioptimering I topologioptimering går man sådan set lidt til yderligheder! For at få størst mulig frihed vælger man at lade alle punkter i det område, hvor konstruktionen kan placeres, være en frihedsgrad. Det svarer til, at man beskriver bjælken ved af hjælp af pixels, som man kender det fra digitalkameraer og jpg-billeder. For en rumlig form som bjælken er der imidlertid tale om ’voxels’. Det er små terninger, som kan indeholde materiale eller luft. Sorte terninger svarer til et område med materiale, mens hvide terninger repræsenterer et tomt område.

Nu er der virkelig tale om frihed. I stedet for blot at benytte bjælkens bredde eller formen på otte huller med kun 24 designvariable er der pludselig mange tusinder af designvariable, der skal bestemmes. Så selvsagt er der tale om en udfordring af dimensioner! Men fordelen er, at man kan ændre konstruktionens landskab og antallet af huller og beregne formen på konstruktionen i én samlet proces.

I begyndelsen af processen beskrives konstruktionen ved hjælp af gråtoner, og så lader man computerprogrammet lede efter en konstruktion, som er uden gråtoner i sidste ende. Når konstruktionen slutteligt er blevet sort og hvid, er både materialet og hullerne placeret. Det kan lyde som at gå over åen efter vand. Men ved at benytte gråtoner kan man lade computeren justere designet lidt efter lidt – ved at ændre lidt i gråtonerne - i en række skridt hen imod den optimale konstruktion.

Denne proces er i praksis langt nemmere at styre, end hvis vi lod voxel-værdierne hoppe mellem sort og hvidt, fordi man kan anvende differentialregning. Ved hvert nyt skridt beregner computeren, hvor god konstruktionen nu er blevet. For vor bjælke beregner den således dens vægt og stivhed; det første er fortsat simpelt, men at fastslå stivheden kræver en større beregning. Her benyttes voxel-geometrien til at opfatte bjælken som sammensat af mange små konstruktionsblokke, som er koblet sammen, og som har en simplificeret mekanisk opførsel. En sådan Finite Element Analyse kræver løsning af store ligningssystemer, men det er moderne computere ret ferme til at En del af et baghjulsophæng på en bil.

klare. Beregningerne kan dog tage lang tid, når der er rigtig mange ligninger.

Øverst ses det oprindelige design og i midten resultatet af topologioptime-

Når stivheden først er beregnet, er det efterfølgende forholdsvis let at udregne, hvor

ringen. Det endelige design, som er

meget stivheden ændres, hvis man ændrer lidt på gråtonerne og dermed på bjæl-

vist nederst, er inspireret heraf, men er

kens udformning. På den måde driver man designet frem imod den optimale løsning.

tilpasset produktionsmetoden. Vægt-

Under processen gentages den samme struktur af beregningerne mange gange efter

besparelsen var på 10 procent, og den

hinanden, men i en fremadrettet proces, fordi startpunktet for hver ny beregning er

største belastning af materialet blev

bedre, end det var for det foregående.

reduceret med 45 procent. Grafik og Stigende industriel anvendelse

www.fe-design.de

Topologioptimering er et meget aktivt forskningsområde, og metoden er samtidig

112

foto: Audi AG og FE-Design, Karlsruhe,

T O P O L O G I O P T I M E R I N G

blevet en veletableret teknologi, der i stor udstrækning benyttes i virksomheder med mekanisk produktion. I dag er topologioptimering stort set en standardmetode blandt bilproducenterne, og også de store flyproducenter som Airbus og Boeing anvender nu topologioptimering. Udviklingen har været båret frem af et samarbejde mellem universiteter, softwareproducenter og de industrielle brugere, og i de senere år har mange af de kommercielle udbydere af computerbaserede konstruktionsstøttesystemer markedsført topologioptimeringsværktøjer som en del af deres softwareløsninger.

I industrien bruges topologioptimering især i den meget tidlige fase af design- og konstruktionsarbejdet, og det er således metodens underbygning af den kreative udviklingsproces, som er det centrale, mens anvendelsen senere i udviklingsforløbet er mere beskeden. Dette skyldes blandt andet, at topologioptimering ofte giver løsningsforslag, som er radikalt anderledes, end hvad der hidtil har været normen. Samtidig kan dagens software til topologioptimering kun tage visse egenskaber ved en konstruktion med i beregningerne, og derfor er der ofte behov for en efterfølgende bearbejdning af resultaterne. Det kan for eksempel være med henblik på tilrettelæggelsen af produktionsprocessen, æstetiske hensyn eller krav til en efterfølgende certificering.

At de industrielle brugere kan leve med disse begrænsninger skyldes, at gevinsten ved topologioptimering ofte er betydelig - vægtreduktioner på 10-30 procent er ikke usædvanlige. Desuden er der flere og flere eksempler på, at topologioptimeringen også har givet inspiration til at ændre produktionsformen, f.eks. fra at svejse mange elementer sammen til brug af større støbte dele. Derved opnår man ikke kun besparelser i materialeforbruget, men også lavere produktionsomkostninger. Med andre ord en rigtig ’win-win’ situation.

Nye veje, nye udfordringer Den grundlæggende ide i topologioptimering er at opfatte beskrivelsen af geometri som et gråtonebillede. I princippet er beskrivelsen helt adskilt fra den fysiske realitet, som konstruktionen skal fungere under. Interessant nok indebærer dette, at det samme optimeringsprincip med lige så stor fordel kan benyttes til at designe en varmeleder eller en antenne, selv om det nu er henholdsvis termodynamikken og elektromagnetismen, som skal på banen for at beregne, hvor effektivt designet er. Pointen er stadig dog den samme som indenfor mekanikken: Den store frihed i designbeskrivelsen kan lede til rigtigt gode løsninger.

På den baggrund lyder det besnærende ligetil at udvide brugen af topologioptimering til at optimere hvad som helst. Men så let er det desværre ikke! Flere ting spiller ind her; for mekaniske konstruktioner havde man før lanceringen af topologioptimering arbejdet med designoptimering gennem to årtier, og forskerne havde allerede udviklet en metode, hvor godstykkelser og form blev beskrevet ved hjælp af kurver. Man

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

113

havde derfor fra starten en dyb indsigt i fysikken og matematikken i disse problemstillinger, og der var en ret god forståelse for, hvordan et givet optimeringsproblem skulle formuleres.

Når man går til nye anvendelsesområder, er det nødvendigt først at opbygge en solid erfaring med, hvad den ’gode optimeringsformulering’ er. Topologioptimering kræver endda, at ’god’ præciseres med hensyn til objektfunktion – med bjælken som analogi svarer det til ønsket om at minimere vægten - og de sidebetingelser, som skal opfyldes for at overholde konstruktørens krav – svarende til bjælkens bæreevne. Mange specifikke krav til opgaveformuleringen skal altså være opfyldt for, at man kan få topologioptimeringen til at virke og for, at dagens computerkraft er tilstrækkelig til at kunne løse problemet.

Figuren viser en fleksibel mekanisme,

En anden problemstilling kan også gøre det vanskeligt at implementere gråtonebe-

som kan konvertere en krafts retning.

skrivelsen; det kan nemlig være to forskellige fysiske verdener, der ’hersker’ i hvidt og

Hvis man presser mod højre ved A vil

sort. Hvis der f.eks. er en væske i det hvide område og stål i det sorte område - tænk

punktet B flytte sig mod venstre. De-

på kølekanalerne i en bilmotor - hvordan skal man så fortolke gråt, og hvilken fysik

signet er opnået gennem topologiop-

hersker i det grå område? Det kan også være et problem, at gråtonebilleder ikke har

timering, og den grå udgave viser den

en skarp grænse mellem sort og hvidt, og ved f.eks. at tryklaste foregår i de fysisk

udfoldede mekanisme, mens den sorte

mest interessante fænomener langs med randen af en konstruktion.

viser den deformerede mekanisme.

Funktionaliteten er opnået ved mate-

Nogle af disse problemer er løst, men den store frihed i gråtonebeskrivelsen er en fun-

rialets fleksibilitet frem for ved drejning

damental vanskelighed i en række tilfælde, men de er heldigvis sjældne. En vej frem

om hængsler. Grafik: Ole Sigmund,

er at prøve at arbejde direkte med sort-hvid billeder, men her er optimeringen langt

DTU Mekanik

vanskeligere og mere krævende i regnetid. Imidlertid er dette et meget vigtigt udviklingsområde og nok den eneste vej frem i visse tilfælde.

Fra at optimere bjælker og lignende bærende mekaniske konstruktioner er topologioptimering i de seneste 15 år blevet udviklet til brug i en bred vifte af tekniske anvendelsesområder. De første udvidelser foregik primært inden for det mekaniske område. Her kan man nu designe mekanismer så som tænger og aktuatorer, som kan skifte form og vende retningen af en kraft om uden brug af hængsler. Man kan også designe materialer med mikrostrukturer, som har specielle egenskaber – f.eks. mikrostrukturerede materialer, der trækker sig sammen, når de opvarmes, selv om udgangsmaterialet normalt udvider sig under opvarmning.

For biomekaniske anvendelser har man også set på et kombineret design af materiale og konstruktion med henblik på at opnå biokompatible hofteimplantater med gode mekaniske egenskaber. Designs til mikrobiologiske sensorer, der reagerer mekanisk som følge af tilstedeværelsen af visse molekyler, er også en mulighed.

114

T O P O L O G I O P T I M E R I N G

En topologioptimeret fotonisk krystal, der kan splitte en lysbølge i to. Designet er vist i pixelbilledet til venstre. I midten vises bølgeudbredelsen gennem krystallen. Til højre ses en krystal fremstillet ved DTU Fotonik. Grafik: Ole Sigmund og Jakob Søndergaard Jensen, DTU Mekanik

Styring af lys og væsker I de senere år har det elektromagnetiske område været inde i

Et andet nyt felt har fået betydelig opmærksomhed fra specielt

en rivende vækst, specielt indenfor nanoteknologisk og mikro-

automobilbranchen. Det er muligheden for at optimere på

teknisk forskning. Topologioptimering er med succes blevet

væskekanaler og luftkanaler; f.eks. at finde det optimale layout

brugt på DTU til at designe fotoniske krystaller, der kan styre lys.

af kølekanaler til en motor, så den køles bedst muligt. Når dette

Fotoniske krystaller er lovende til processering af lys i fiberoptisk

er muligt, skyldes det en uhyre snedig ide fra nogle svenske kol-

kommunikation, og de kan måske bane vej for fremtidens lyn-

legaer, som fandt på at fortolke gråtoner som porøsiteten af et

hurtige optiske computere, som arbejder ved hjælp af lyssignaler

materiale, hvorigennem der flyder en væske. Udgangspunktet

i stedet for de meget langsommere elektroniske signaler, der be-

er altså væskens fysik og ikke motorblokkens fysik. Høj porøsitet

nyttes i en nutidig PC. Resultaterne har påkaldt sig stor opmærk-

betyder, at der er frit væskeflow, og lav porøsitet viser, at der er

somhed, og nu har forskerne på DTU også kastet sig over design

tale om en del af motorblokken. Brugen af topologioptimering

af små antenner og såkaldte metamaterialer, som i princippet

inden for fluidsystemer er endnu i sin barndom, og de næste år

kan benyttes til at fremstille en usynlighedsdragt, der ville kunne

vil vise, om der også her kan opnås en modning af konceptet og

gøre selv Harry Potter tilfreds. Problemer i lydudbredelse og aku-

et deraf følgende industrielt gennembrud.

stik er også blevet behandlet med topologioptimering, hvilket har gjort det muligt at få støj til at forsvinde. Et ’hot’ anvendel-

Endnu mere frihed

sesfelt er at benytte lydbølger til at ændre på brydningsindekset

I topologioptimering søger vi efter den optimale fordeling af et

i en fotonisk krystal for på den måde at skabe aktive processorer,

materiale i rummet – f.eks. når vi konstruerer computermodeller,

der kan bruges til optisk signalbehandling.

der kan finde den optimale fordeling af aluminium (sort) og luft

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

115

(hvidt) for at minimere vægten af en bjælke. Grundlæggende set arbejder vi her med ét materiale, og ofte tager man udgangspunkt i materialer, der er isotrope, dvs. at de har samme egenskaber i alle retninger.

I moderne konstruktioner ser man imidlertid ofte, at der benyttes kompositter. Dette er standard i fly og vindmøllevinger, bliver mere og mere almindeligt i biler og har i mange år været brugt i tennisketsjere og fiskestænger. Kompositter kan f.eks. bestå af glasfibre eller kulfibre i en epoxy, og materialerne er typisk opbygget af vekslende tynde lag med ensrettede fibre i de enkelte lag. På den måde opnås der meget stærke, stive og lette konstruktioner, og man kan med stor fordel udnytte den store frihed i antal lag og variable fiberretninger, fordi komposittens egenskaber kan skræddersyes til præcis den mekaniske funktion, den skal opfylde.

Ikke overraskende betyder denne enorme frihed, at man virkelig kan designe effektive konstruktioner. Topologioptimering af kompositter er imidlertid en meget vanskelig problemtype, som vi arbejder intensivt på at kunne løse effektivt. Kernen i problemet er, at der kun i enkelte tilfælde er fundet en god måde, hvorpå man kan indføre gråtoner.

En af teknikkerne til at arbejde med kompositter og gråtoner er at udnytte en ide om det totalt frie materialevalg! Det viser sig, at dette problem er forholdsvist enkelt at formulere matematisk, fordi man på sin vis har gråtoner i alle retninger, dvs. at materialerne kan have alle mulige typer opførsel over for eksterne belastninger. Interessant og forunderligt nok giver denne ultimative frihed - lig med høj kvalitet! - en matematisk struktur til optimeringsproblemet, som gør, at man faktisk nemmere kan løse det.

Fra et praktisk synspunkt står man dog tilbage med det problem at finde ud af at producere den optimale konstruktion, som jo består af alle mulige materialetyper, og som typisk kræver dyre kompositter for at blive realiseret. Dette har dog ikke holdt bl.a.

Airbus tilbage fra at arbejde med ideen, idet processen viser, hvad der virkelig skal til for at frembringe den ultimative konstruktion, hvilket kan være særdeles inspirerende Optimering af en dyse til fordeling af

for konstruktionsprocessen. Samtidig viser erfaringen, at nye produktionsformer

væske fra et bredt rør til 10 mindre rør.

udvikles så hurtigt, at ’vilde ideer’ ofte kan realiseres hurtigere, end nogen troede det

Væsken skal fordeles så ligeligt som

muligt.

muligt under mindst muligt trykfald.

Beregningsmæssige udfordringer

ret ’øer’ i designet, som øger effekti-

Topologioptimering resulterer i meget store beregningsopgaver, som kræver, at der

viteten. Den nederste illustration viser

hele tiden arbejdes med de beregningsopskrifter – algoritmer – man benytter sig af.

hvordan væsken flyder gennem dysen.

Hvis man arbejder med modeller, der udnytter en plan geometri til at reducere kom-

Grafik: Allan Roulund Gersborg, DTU

pleksiteten, kan man ofte klare sig fint med en almindelig PC, og det udnyttes i stor

Mekanik

udstrækning i forskningen under udviklingen af formuleringer og metoder. De første

116

Der er via topologioptimering genere-

T O P O L O G I O P T I M E R I N G

skridt hen imod nye metoder kræver nemlig ofte en legende

ble indgår i. Men samtidig er denne struktur i nogle tilfælde

og eksperimenterende arbejdsform, og så er det praktisk, hvis

også medvirkende til, at der opstår betydelige vanskeligheder.

resultaterne kan genereres rimeligt hurtigt. Når man så vil gå

For eksempel er det endnu ikke lykkedes at udvikle en generel,

til rigtige tredimensionale konstruktioner, skal der væsentligt

hurtig og stabil metode til at håndtere designproblemer, hvor

mere regnekraft til, og her er parallelcomputere et godt værktøj.

man søger at have præcis styr på spændingsniveauet overalt i

Man udnytter således den hurtigt voksende regnekraft i mo-

konstruktionen. Der er arbejdet ihærdigt på sagen i mange år,

derne computere, men det er ikke nok i sig selv – der skal også

og store fremskridt er opnået, men muligvis er der brug for en

arbejdes med matematikken og de beregningsmetoder, man

fuldstændig ny ide til løsningen af dette problem – måske et

programmerer computeren til at udføre.

totalt skift i angrebsvinkel, hvem ved?

Designoptimering giver en speciel slags optimeringsproblem

En stræben efter hurtigere og bedre beregningsmetoder udgør

med en matematisk struktur, der kan udnyttes med fordel

et fælles grundlag for brugen af topologioptimeringen i de

i beregningsprocessen. Problemerne har nemlig to typer af

mange anvendelsesområder, der er beskrevet tidligere. Forsknin-

talstørrelser, der skal arbejdes med. Dels er der de ’menneske-

gen i feltet er således en kombination af udvikling og forbedring

skabte variable’, som beskriver geometrien/gråtonerne, dels er

af metodikken kombineret med tilpasning til specifikke

der ’naturens variable’, som repræsenterer fysikken, eksempelvis nedbøjningen af en bjælke. Disse to typer variable spiller ikke samme rolle i problemet, men når problemet skal analyseres matematisk og under udregningerne, kan man udnytte, at der er en bestemt matematisk struktur, som begge typer af varia-

Et designstudie. Halepartiet af den nye Airbus 350 i et forstudie baseret på topologioptimering. Grafik: EADSTyskland

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

117

områder. Sidstnævnte er en substantiel udfordring, som kræver

en massiv udbredelse af topologioptimering som et industrielt

stor kreativitet, og typisk omfatter arbejdet meget inspirerende

designværktøj.

samarbejder med forskere fra andre felter end matematikken og mekanikken, hvorfra topologioptimeringen stammer.

Danmark har spillet en væsentlig rolle i udviklingen af topologioptimering, og internationalt er Danmark i en absolut fører-

Danmark i front

position på området. Et væsentligt element i succesen er, at den

Topologioptimering er en ny videnskab med en kort historie. De

internationale dimension fra starten prægede vores forskning.

første lidt primitive billeder af meget simple plane topologiopti-

Det handler her om at inddrage internationale partnere i arbejdet

merede konstruktioner så dagens lys i efteråret 1986 på Dan-

og være i stand til at kunne tiltrække de bedste seniorforskere

marks Tekniske Højskole, som DTU hed dengang. Det var billeder

og yngre talenter til at bidrage til det danske forskningsmiljø;

lavet med store penplottere, for gråtoneprintere var ikke ligefrem

enten som gæsteforskere eller som ph.d.-studerende, postdocs

standard. Og beregningerne blev udført med meget kompakte

og permanent ansatte. Mange af de gennembrud, som danske

programmer, baseret på brug af 1-2 MB RAM, som man pænt

forskere har bidraget med, er skabt ved at matche de danske

havde søgt om, inden beregningerne blev ’kørt’ – som vi sagde.

miljøers ekspertise med komplementær ekspertise udefra. Det

Arbejdet var frugten af et internationalt samarbejde mellem DTU

internationale netværk skaber samtidig større opmærksomhed

og University of Michigan, Ann Arbor, USA. Den internationale

internationalt om forskningsresultaterne, og dette giver hurtigere

dimension i forskningen var således i centrum fra start.

og lettere adgang til ’udenbys’ resultater og sagkundskab.

Derefter gik der en række år, hvor ideen skulle forfines, før

I 1997 fik forskningen ved DTU et betydeligt løft gennem

man kunne påstå, at der var tale om en slagkraftig og pålidelig

tildelingen af Villum Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk og

metode. Her var der også tale om en international indsats drevet

Naturvidenskabelig Forskning, som blev tildelt undertegnede.

af en mindre kreds af forskere fra primært Danmark, USA, Fran­

Årslegatet har i høj grad medvirket til, at Danmark i dag er inter-

krig, Tyskland og Portugal. Da konceptet var nyt, varede det lidt

nationalt førende inden for forskning i topologioptimering. Disse

før forskningsverdenen tog det til sig i større stil, men siden er

frie midler gav nemlig et handlerum, som er sjældent inden for

det gået stærkt! Omkring årtusindskiftet blev topologioptime-

forskningsverdenen, hvilket har været en fantastisk løftestang

ring af det forskningsstatistiske bureau ISI-Thompson udpeget

specielt i relation til den internationale dimension. Rekruttering

som en ’emerging technology’ på basis af den kraftige vækst af

af talent og tiltrækning af de dygtigste gæsteforskere blev lettet

publikationer i området. Og siden år 2000 er antallet af artikler

betydeligt ved, at det var muligt at slå til med et tilbud uden

vokset år for år, og flere og flere lande har nu aktiviteter inden

først at skulle vente på en længere ansøgningsproces. Og ved

for topologioptimering.

at bruge de frie midler som medfinansiering i fondsansøgninger har det været muligt at strække midlerne langt ud over den pris-

I en vis forstand gik det stærkt med den industrielle interesse

sum, der blev tildelt, simpelt hen fordi midlerne var til stede og

– allerede i de tidlige 1990’ere gik Ford i gang med studier

kunne bruges fleksibelt. Så ud over den prestige og flotte per-

omkring anvendelsen af topologioptimering i firmaets konstruk-

sonlige anerkendelse, der ligger i at få Årslegatet, giver midlerne

tions- og designafdelinger, og i den periode fremkom også den

over en lang årrække stærkt forbedrede muligheder for at drive

første kommercielle software. Derefter var der nogen stilstand i

den spekulative forskning, som for alvor flytter grænserne for,

den industrielle interesse, men modningen af metoderne samt

hvad vi kan med teknikken.

af den kommercielle software har i de seneste 5-6 år ført til

118

T O P O L O G I O P T I M E R I N G

Om forfatteren Martin P. Bendsøe, f. 1955, professor dr. techn., modtog Villum Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk Forskning i 1997 for hans arbejde inden for topologioptimering. Hans forskning er kendetegnet ved at bevæge sig i grænseområdet mellem matematikken og de tekniske videnskaber. Han har siden 1996 været professor ved Institut for Matematik, Danmarks Tekniske Universitet, og han har været instituttets leder i flere perioder og er fra 2006 direktør for instituttet. Han er valgt medlem af Akademiet for de Tekniske Videnskaber og har i årene 2003-07 været præsident for International Society of Structural and Multidisciplinary Optimization, som er den internationale videnskabelige organisation for forskere inden for designoptimering. Fra 2002 var han i tre år formand for Tænketanken under Akademiet for de Tekniske Videnskaber og medvirkede her til rapporter og undersøgelser om alt fra naturfagsundervisning til klimatilpasninger af infrastruktur. Han er meget optaget af didaktiske emner, herunder brugen af computerværktøjer i undervisning, og han var i 1994-2003 medlem af Denmarks Matematikundervisnings-kommission. Han er i sin fritid interesseret i fodbold, historie og flyvemaskiner.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

119

Minimal­ konstruktioner Af Erik Reitzel De allermest materialebesparende kon­ struktioner kaldes minimalkonstruktio­ ner. De kan modstå alle de kræfter, som de bliver påvirket af, med et minimum af materiale, og de er vel at mærke lige så stærke og holdbare som traditionelle konstruktioner.

120

M I N I M A L K O N S T R U K T I O N E R

konstruktioner for mange år siden. Det var min interesse for naturens konstruktions-

RELATIVT STÅLFORBRUG

Massiv bjælke

principper og for at formgive logiske konstruktioner til arkitektur, som førte mig til denne forskning. Derfor kommer artiklen ind på emner, som traditionelt ligger uden

TVÆRSNIT

26

levante. Men sådan var det ikke, da jeg begyndte at forske i materialeminimerede

KONSTRUKTIONSFORM

100 %

50

I dag skal vi spare på ressourcerne, og derfor er minimalkonstruktioner uhyre re-

15 %

9

Gitter

for ingeniørens normale arbejdsområder, men som er af central betydning, når man ønsker at finde frem til minimalkonstruktioner.

Minimalkonstruktion

Det er især nyttigt at anvende minimalkonstruktioner, når man skal tage hensyn til 353

begrænsede ressourcer, bygge store konstruktioner, overføre store kræfter og designe

5%

transportmidler som cykler, biler, tog og fly.

Konstruktionsform og materialeforbrug Alle brugsting og alle bygninger behøver bærende konstruktioner, som kan sikre, at

Bjælken, gitteret og minimalkonstruk-

de ikke bryder sammen. Som ingeniør kan man beregne, hvor store dimensionerne

tionen kan alle modstå den samme

i en bærende konstruktion skal være, hvis man vil være sikker på, at tingen eller

kraftpåvirkning, som er vist med pile,

bygningen holder. Det er også muligt at beregne det materialeforbrug, som en given

men tværsnittet og stålforbruget er vidt

konstruktion kræver for at kunne modstå de kræfter, som den vil blive påvirket af.

forskelligt

I de fleste brugsting og bygninger kan man indlægge meget forskellige former for bærende konstruktioner, der alle løser opgaven med hensyn til at modstå kræfterne, men som vil have forskelligt materialeforbrug.

Hvor meget et råstofbesparende design kan betyde for materialeforbruget, kan illustreres med tre forslag til en bærende konstruktion: En massiv stålbjælke, en gitterkonstruktion og en minimalkonstruktion. Alle har den samme spændvidde, og alle kan modstå den samme kraftpåvirkning. Men deres forskelligartede udformning medfører, at der er stor forskel i materialeforbruget. Den traditionelle massive bjælke bruger 20 gange så meget stål som minimalkonstruktionen. Minimalkonstruktioner ser umiddelbart anderledes ud end traditionelle konstruktioner. De har mange hulrum og fylder mere i rummet. Således har minimalkonstruktionen i eksemplet en højde, der er 14 gange større end den massive konstruktion.

Konstruktionen med det mindste materialeforbrug ligner et skelet. Det er ikke uden grund, for faktisk kan man hente megen inspiration fra skeletter og andre former i naturen, når man ønsker at finde konstruktioner med minimeret materialeforbrug.

Naturen har udnyttet huller og mellemrum i de bærende skeletter til føringsveje for blodårer, luftrør, muskler og sener. I de menneskeskabte konstruktioner kan huller og mellemrum også finde funktionel anvendelse, eller den store konstruktionshøjde kan indgå i en skulpturel eller arkitektonisk form.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

121

At fremstille minimalkonstruktioner kræver mere arbejdskraft og

Et eksempel på en historisk bygning, som man stadig kan lære

omhu end at bygge massive konstruktioner. Derfor vil de især

af i dag, er Hagia Sophia i Istanbul, som snart er 1500 år gam-

blive anvendt i perioder, hvor materialerne er kostbare i forhold

mel. Kuplen har som alle materialebesparende konstruktioner en

til arbejdskraften, og i mindre grad i perioder, hvor dette forhold

stor højde i forhold til spændvidden, men et meget lavt forhold

er omvendt.

mellem konstruktionstykkelse og spændvidde på kun 0,015; et forhold som først blev overgået af jernbetonskallerne for knap

Historiske eksempler

hundrede år siden. For kupler er forholdet mellem tykkelsen og

Forholdet mellem omkostningerne til materialer og omkost-

spændvidden et mål for den konstruktive ydeevne. Selv Peters-

ningerne til arbejdskraft plus redskaber har vekslet gennem

kirken i Rom, der blev opført mere end tusind år senere, har et

historisk tid, og tilskyndelsen til at anvende materialebesparende

dårligere forhold på 0,052 og dermed et relativt materialefor-

konstruktioner har følgelig også varieret. Der er således mange

brug, som er mere end tre gange så stort som Hagia Sophias.

lærerige eksempler at hente fra forskellige historiske tidsperioder, hvor der har været behov for at spare på råstofferne.

Den store konstruktive ydeevne for Hagia Sophia illustrerer, hvorfor denne kuppelbygning er væsentlig i forbindelse med

Derfor har en del af min forskning i materialebesparende kon-

forskning i minimalkonstruktioner. Vinduerne er anbragt, hvor

struktioner været rettet mod historiske bygningsværker, som

konstruktionen ellers ville revne. Disse vindueshuller er således

rummer et righoldigt erfaringsmateriale, som alt for sjældent

med til på én gang at spare materiale og gøre konstruktionen

finder nutidig, teknisk anvendelse. For det meste er det kunst-

smukkere. Bygmestrene anvendte i en vis udstrækning konstruk-

historikere eller arkæologer, der beskæftiger sig med historiske

tionsberegninger baseret på den græske matematiker Herons

konstruktioner, og deres forskning udføres normalt ud fra andre

afhandling ”om hvælvinger” (Καμαρικα), som dengang var

synsvinkler end de teknisk-naturvidenskabelige.

500 år gammel. Efter byggeriet af Hagia Sophia gik beregnings-

Opmålingstegning af Hagia Sofia (Opmåling ved Van Nice) og den imponerende kuppel set nedefra

122

M I N I M A L K O N S T R U K T I O N E R

metoderne i glemmebogen, og det er endnu ikke lykkedes at genfinde dem alle. Jeg har således forgæves forsøgt at finde frem til Herons afhandling i arkiverne i de store gamle byer ved Middelhavet.

En række gotiske katedraler fra Middelalderen rummer ligeledes en byggeteknik med fine materialeøkonomiske konstruktioner, som har vist deres holdbarhed gennem flere århundreder. Et markant eksempel er hvælvkonstruktionerne over Kings College Chapel i Cambridge, hvor hvælvene har en ypperlig konstruktiv materialeminimering i sten. På grund af de optimale konstruktioner har bygningen trods meget store vinduespartier nu vist sin holdbarhed i 500 år.

De gotiske katedralers historie viser, at der skete mange sammenstyrtninger undervejs, inden man gennem studier af bruddene nåede frem til de på en gang materialebesparende og holdbare konstruktioner. Bygmestrene i middelalderen havde nemlig endnu ikke genopdaget de gamle beregningsprincipper for konstruktioner eller udviklet nye, men måtte basere sig på praktiske erfaringer, der blev opnået gennem byggeri i fuld skala.

I modsætning til de gotiske katedraler er de arkitektoniske mesterværker fra renæssancen og barokperioderne ofte meget materialeforbrugende konstruktioner. I disse perioder var der et ønske om at bygge pragtbygninger, som skulle ”tage sig ud”, hvilket blandt andet blev opnået ved et overdådigt forbrug af materialer, som det fremgår af Peterskirken i Rom. Til gengæld viser mange tidlige jernkonstruktioner fra 1800-tallet fine materialeøkonomiske træk. De blev opført i en tid, hvor man skulle spare på kvalitetsmaterialer som stål, der var kostbart at fremskaffe i sammenligning med arbejdskraften. Derfor brugte man gerne rigeligt med arbejdskraft, hvis man på den måde kunne opnå besparelser på materialerne. Et godt eksempel er tagkonstruktionen over Victoria Station i London, som har vist sig at være en fin materialeøkonomisk konstruktion, når man gennemregner den i dag.

Fortidens byggeri kan betragtes som et bibliotek eller arkiv, hvorfra man kan hente inspiration og erfaringer; men løsningerne

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

Hvælvkonstuktionerne i Kings College Chapel

123

Brudmønstret i den frosne sneskorpe ligner til forveksling den materialeminimerede tagkonstruktion på Victoria Station

kan ikke bruges umiddelbart, for i dag er de menneskelige behov og de teknologiske muligheder helt anderledes. Vi har nu et utal af nye materialer at vælge imellem, og der opstår stadig nye behov, som stiller krav om nye konstruktioner.

En opdagelse Hvordan finder man så frem til den konstruktion, der medfører minimum af materialeforbrug til en given opgave? Man kan naturligvis prøve sig frem ved at beregne mange forskellige forslag til konstruktioner. Problemet er blot, at der ved en sådan beregningsmæssig efterprøvning ikke er nogen garanti for, at der blandt alle de givne forslag også er det, der bruger mindst materiale; altså minimalkonstruktionen.

Som ung ingeniør spekulerede jeg en del over, hvordan man ville kunne finde frem til bærende konstruktioner, som med sikkerhed var minimalkonstruktioner. Men så gjorde jeg en opdagelse. En frostklar dag, hvor jorden var dækket af en let frossen sneskorpe, genkendte jeg pludselig mønstret af en materialeminimeret konstruktion i de fine brudmønstre, som mine fodaftryk dannede i sneskorpen. Brudmønstret i sneen svarede til udformningen af den materialeminimerede konstruktion, som jeg kendte fra taget på Victoria Station i London.

Hvorfor mon brudlinierne dannede mønstret af en materialeminimeret konstruktion?

Ved at formulere dette spørgsmål gik det pludselig op for mig, at destruktion og konstruktion måtte følge de samme lovmæssigheder. Det stod mig klart, at hvis man

124

M I N I M A L K O N S T R U K T I O N E R

vil forme den stærkeste konstruktion i forhold til materialeforbruget, så skal materialet anbringes lige præcis der, hvor brudlinierne viser sig.

Denne opdagelse forekom mig så indlysende, at jeg troede, det ville være let at bevise tesen. Det var imidlertid et omfattende arbejde, men til sidst lykkedes det at bevise matematisk, at der er overensstemmelse mellem brudfigurer og minimalkonstruktioner. Jeg beviste også, at der er overensstemmelse mellem brudfigurers bæreevne og minimalkonstruktioners materialeforbrug, når man tager højde for de pågældende materialers fysiske egenskaber. For at løse problemet måtte jeg anvende en matematik, som ellers benyttes til at beskrive strømninger i væsker. I den videre udforskning af kræfternes natur har det ofte været nyttigt at opfatte kræfter som strømninger.

I de fleste konstruktioner optræder der både træk og tryk. Mine teoretiske beregninger viste, at hvis der både indgår trækkræfter og trykkræfter, skal minimalkonstruktionernes delelementer overalt stå vinkelrette på hinanden. Dette resultat har været en hjælp med hensyn til at designe minimalkonstruktioner, fordi der inden for matematikken er en særlig gren, der beskæftiger sig med den vinkelrette geometri og med de kurver, der står vinkelrette på hinanden. Sådanne kurver kaldes ortogonalkurver og kan illustreres med cirkler, radier, ellipser, hyperbler, lemniskat rosetter, logaritmiske spiraler, dobbeltpolkurver, som alle kan danne grundlag for minimalkonstruktioner.

Trækkræfter og trykkræfter er modsætninger, som kan ophæve hinanden, når de ligger på linie; og de kan yde det optimale i konstruktioner, når de står vinkelret på hinanden. At modsætninger yder det optimale, når de står vinkelret på hinanden, kendes inden for mange grene af fysikken. For eksempel opnås størst modtagelse af lys og energi i flader, der er vinkelrette på lys- og energiudsendelsen. Fænomenet kan også iagttages med elektromagnetiske kræfter. Velkendt er H. C. Ørsteds forsøg med magnetnålen, der slår ud vinkelret på den strømførende ledning.

Brud, vækst og selvorganisering I den videre forskning i minimalkonstruktioner har det vist sig, at de kan påføres deformationsfelter, uden at deres grundlæggende geometri ændres. Denne egenskab betyder, at mønstret for en minimalkonstruktion vil kunne udvide sig eller formindskes uden at ændre geometri. Forståelsesmæssigt kan denne egenskab illustreres ved, at man på et billede af en minimalkonstruktion ikke umiddelbart kan afgøre, om det er et stort billede af en lille konstruktion eller et lille billede af en stor konstruktion.

Påføringen af deformationsfelter har været en årsag til, at det er lykkedes mig at påvise, at der ikke blot er sammenhæng mellem minimalkonstruktioner og brud, men

Eksempler på ortogonalkurver, der kan

også mellem minimalkonstruktioner og vækst.

danne grundlag for minimalkonstruktioner

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

125

Billederne viser brudlinier på en metaloverflade, en minimalkonstruktion formet i stål, vækstmønstre i en blomst og en spiralgalakse (Foto NASA og ESA). Sammenhængen mellem de vidt forskellige fænomener er mønstre, der følger logaritmiske spiraler. Det er endnu uvist om en galakse afspejler mønstret af et brud, en økonomisering med stoffet eller en vækstgeometri. Ifølge min teori vil alle tre fænomener give anledning til det samme mønster

126

M I N I M A L K O N S T R U K T I O N E R

Samme mønster: En knust rude, et spindelvÌv og den Symbolske Globus

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

127

Sammenhængen med vækstfænomener er måske knap så interessant i forbindelse med formgivning af minimalkonstruktioner. Men til gengæld er den overordentlig interessant ud fra et erkendelsesmæssigt synspunkt, fordi denne indsigt giver mulighed for at knytte forbindelse mellem ellers adskilte videnskabelige specialer, hvor man normalt koncentrerer sig om at iagttage enten fænomener som brud, vækst eller selvorganisering.

Sammenhængen mellem disse tre fænomener er samtidig årsag til, at man genfinder de samme mønstre i den mindste minimalkonstruktion eller brudfigur her på kloden og i de største galakser i universet.

Minimalkonstruktioner og brudmønstre med vinkelret geometri Kræfter er usynlige, men deres virkninger kan ses i brudfigurer. Som det er beskrevet, vil konstruktioner, der bygges over mønstret af en brudfigur, blive en minimalkonstruktion, som med mindst muligt materialeforbrug sikrer, at konstruktionen ikke går i stykker, når den bliver påvirket af kræfterne.

Brudmønstret i en knust glasrude er

I dagligdagen ser vi ofte mønstre med brudlinier, f.eks. i en ituslået glasrude. Mønstret

her omsat til en minimalkonstruktion:

genfindes bl.a. i spindelvæv, og jeg har anvendt det i designet af den Symbolske Glo-

Danmarks Pavillon på verdensudstillin-

bus foran UNESCOs hovedkvarter i Paris, hvor stængerne danner et tredimensionalt

gen i Sevilla

mønster af cirkler, der står vinkelrette på hinanden.

Globen blev oprindelig opført af delegerede fra alle egne af verden i forbindelse med Verdenstopmødet om social udvikling i København i 1995. Den blev senere demonteret og transporteret fra København til Paris, og både ved transporten og ved de to opførelser fik man glæde af minimalkonstruktionens ringe vægt.

Hvis man bruger sine øjne, når man bevæger sig rundt ude i verden, vil man kunne finde mange brudmønstre, der kan ”oversættes” til minimalkonstruktioner. Et eksempel herpå er det viste brud i en glasrude. Den tilsvarende minimalkonstruktion blev bragt i anvendelse i 1. præmieforslaget til Danmarks pavillon på verdensudstillingen i Sevilla i 1992. Her var det vigtigt at anvende materialebesparende løsninger og dermed lette konstruktionerne, der skulle transporteres fra Danmark til Spanien.

I mindre skala er minimalkonstruktiSom rådgivende ingeniør har jeg haft lejlighed til at anvende sammenhængen mel-

holmparkens skulpturbro, hvor det er

lem brud og minimalkonstruktioner til formgivningen af konstruktionerne i en række

lykkedes at få kræfterne til at følge den

andre bygningsværker, hvoraf den vanskeligste var la Grande Arche i Paris med det

utraditionelle skruelinieform, og hvor

tilhørende elevatortårn, der bringer besøgende fra soklen op i den 110 meter høje

der er indlagt præfabrikerede brudlinier

monolit. Hele processen fra de første skitser til den afsluttende indvielse varede syv år.

i trappevangen for at undgå ukontrol-

I bygningen genfindes den retvinklede geometri i et hierarki fra den mindste detalje til

leret revnedannelse

det terningeformede hulrum i den store åbne kube.

128

onsteorien blevet anvendt i Sophien-

M I N I M A L K O N S T R U K T I O N E R

Minimalkonstruktioner og brudmønstre med 120 graders vinkler

La Grande Arche i Paris er en minimal-

For at kunne anvende mønstre med 90 graders geometrier til minimalkonstruktioner

konstruktion baseret på rette vinkler.

er det en forudsætning, at der optræder både trækkræfter og trykkræfter i konstruk-

Tegningen til højre viser det hoved­

tionen.

bærende skelet, der er formgivet som en minimalkonstruktion. Hvert hulrum

Hvis der derimod kun optræder én slags kræfter, enten kun trækkræfter eller kun

i facaderne giver plads til 7 etager,

trykkræfter, er situationen en anden, og i sådanne tilfælde følger minimalkonstruktio-

og i taget giver hulrummene plads til

nerne 120 graders mønstre. Også her gælder sammenhængen mellem brud og mini-

­udstillinger, auditorier og restaurant

malkonstruktioner. Når der opstår brud i en flade med et ensartet træk i alle retninger,

med mere

vil man opdage, at brudmønstret danner netværk med 120 graders vinkler. Dette mønster kan udnyttes, hvis man ønsker at bruge så lidt materiale som muligt.

Minimalkonstruktioner med 120 graders vinkler kan ydermere være nyttige ved planlægning af infrastruktur som et vejnet. Her kan man tage udgangspunkt i en minimalkonstruktion med stænger i enten træk eller tryk, som er fastgjort til f.eks. otte punkter. Konstruktionen danner et minimalvejnet, som forbinder de otte punkter med den korteste samlede vejlængde. Hvis punkterne eksempelvis var otte byer, ville minimalkonstruktionen give idéen til at forbinde byerne med materialebesparende vejnet, kanaler eller ledningsanlæg. I praksis vil sådanne 120 graders netværker betyde ressourcebesparelser i både anlæg og drift.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

129

Når jord udtørrer, er trækket i overfla-

Figuren viser en teoretisk minimalkonstruktion med stænger i enten tryk eller træk,

den ens fra alle retninger. Den røde

som er fastgjort i otte punkter. Konstruktionen udpeger den korteste samlede stræk-

3-fligede figur viser 120 graders vink-

ning mellem punkterne

lerne i bruddet Hvis man ønsker at undersøge minimalvejnettet mellem mange flere forskellige punkter, kan opgaven forekomme vanskelig at løse, men her vil man kunne anvende modelforsøg med sæbehinder. Sådanne hinder er karakteristiske ved at have en ensartet trækspænding i alle retninger. Derfor dannes der 120 graders vinkler, hvor de forskellige celler i sæbehinden møder hinanden, og forsøgsteknisk er sæbehinderne velegnede til at finde minimalvejnet. Når man er nået frem til resultatet i den lille sæbehindeskala, kan man så blot lade modellen vokse til den store skala.

Et andet sted i naturen, hvor man kan se mønstre med 120 graders vinkler, er biernes vokstavler, hvor der er rene trykkræfter. Som rådgivende ingeniør har jeg stået for konstruktionerne til en kirke, der er planlagt ud fra et sådant bicellemønster.

Mønstre med 120 graders geometri kan endvidere anvendes til at finde minimalkonstruktioner, hvor en konstruktionsmæssig udformning skal hindre bevægelser i at foregå i vilkårlige retninger. Her drejer det sig oftest om at løse stabilitetsfænomener, hvor man f.eks. må sikre sig imod sammenfoldninger.

Som eksempel kan man nævne symmetriske søjler, der belastes til brud via et tryk. Her kan man ikke på forhånd forudsige, i hvilken retning søjlebruddet vil ske, og derfor vil minimalkonstruktionen af en sådan søjle afspejle et 120 graders tværsnit.

Umiddelbart ville man måske have forventet, at det måtte være en rørformet søjle, som ville have størst bæreevne, fordi det ofte er den runde form, der ses som ”søjle” i naturens planter og træer. Men der er en anden grund til, at den runde form er så hyppig som søjle i naturen. Årsagen er, at der optræder andre kræfter, som går på

minimalvejnet

tværs af søjlen, f.eks. vind. Den runde form er aerodynamisk bedre end den 3-fligede,

130

Sæbebobler er velegnede til at finde

M I N I M A L K O N S T R U K T I O N E R

fordi vindkræfterne lettere ledes uden om den runde form, mens en 3-fliget form

RELATIV BÆREEVNE

TVÆRSNIT

påvirkes kraftigere af vinden.

FIRKANTET RØR

Hvis man forestiller sig, at der ikke var vind på jordens overflade, ville man se mange

75 135

gro i væksthuse, vil 3-fligede vækster vise sig at være de optimale, hvis de skal bære

50 %

60 %

928

10

3-fligede græsser og træer. Når man derfor skal udvælge og udvikle planter til at

65 %

75

frugter.

90°-FLIGE

Fortolkning af spor efter sammenbrud Forskningen i minimalkonstruktioner og sammenhængen med brudfænomener har muliggjort nogle særlige konklusioner med hensyn til årsagen til sammenbrud og

10

sammenstyrtningsulykker i forskellige bygninger. Minimalkonstruktioner kan nemlig

135

afsløre de optimale kraftveje, som fremstår umiddelbart inden sammenstyrtningen, RUNDT RØR

10

hvorved det er muligt at udpege de kritiske steder i konstruktionen.

Sporene efter flere nyere sammenstyrtninger er blevet analyseret på denne måde.

F.eks. har det på baggrund af analyser af sporene efter sammenstyrtningen af World Trade centret i New York været muligt at komme med forslag til, hvorledes man kan kombineret med støddæmpere, og det er tidligere beskrevet i VILLUM KANN RAS-

120°-FLIGE

10

86

MUSSEN FONDENs udgivelse: VIDENSKABERFREMTIDEN.

100 %

43

undgå en sådan total sammenstyrtning. Forslaget opererer med megakonstruktioner

928

149

De viste fire søjletværsnit har alle samme længde og samme materialeforbrug. Søjlen med 120 graders flige har langt den største bæreevne og dermed den bedste udnyttelse af materialet

Den 3-fligede form er optimal, når der kun skal optages rent tryk, men ikke når tværgående kræfter som vinden også er i spil. 3-fligede planter ses derfor kun i naturen i tilfælde, hvor vindkræfter ikke er afgørende, som f.eks. i den viste kaktus

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

131

En megakonstruktion er en bærende konstruktion, der omslutter sektioner bestående af flere etager, og som går hele vejen gennem højhuset fra fundamentet til den øverste etage. Den fungerer som bygningens skelet. Et terrorangreb som på World Trade Center vil kun kunne ødelægge de ramte etager, men ikke megakonstruktionen, hvorfor bygningen ikke styrter fuldstændig sammen. En minimalkonstruktion, som netop har mange hulrum, vil med fordel kunne anvendes som megakonstruktion. Støddæmperne, som er vist med rød farve, er anbragt ovenpå megakonstruktionen, og de giver yderligere sikkerhed mod brud

Derfor vil jeg i stedet omtale mine undersøgelser af arkæologiske rester af fuldstændig tilintetgjorte bygningsværker, der stammer fra omkring år 1000, og som i dag kun kan erkendes ud fra rester af stolpehuller i jorden. Hullerne stammer fra bygninger, der har været opført på de danske vikingeborge Trelleborg, Nonnebakken, Fyrkat og Aggersborg.

Siden de første udgravninger begyndte på borgene i 1934, er der fremsat en række forskellige forslag til husenes rekonstruktion, men ingen af dem virker tilfredsstillende.

Forslagene udnytter nemlig ikke stolpehullerne på en konstruktiv, logisk måde, og i modsætning til den fine materialeminimering, som man ellers ser i vikingetidens frembringelser, har rekonstruktionerne alle haft tagkonstruktioner med et meget stort forbrug af træ. Dette står i yderligere kontrast til, at det ikke er lykkedes at finde rester af tagkonstruktionerne trods grundige udgravninger. Til gengæld er der fundet mange

132

M I N I M A L K O N S T R U K T I O N E R

Den rekonstruerede model af et stolpehus, som har været overdækket med teltdug rester af væve og tenvægte, som er velegnede til fremstilling af

tilrester ved volden omkring Trelleborg. Tekstilresterne blev som

tekstiler som sejl og teltdug.

følge af min interesse heri og med hjælp fra Nationalmuseets bevaringsafdeling i Brede analyseret på et laboratorium i Eng-

De fundne stolpehulsrester afslører, at husene på de forskellige

land og dateret til årene omkring Trelleborgs opførelse. Tekstilty-

borge i princippet er ens; men at de har lidt forskellig længde.

pen er ikke velegnet til klæde, men har højst sandsynligt været

Husene har krumme vægge, der er velegnede til med et lille

anvendt til teltdug.

materialeforbrug at optage kræfterne fra en teltoverdækning.

Hullerne er tilsyneladende symmetriske; men symmetrien brydes

En række skriftlige kilder fra vikingetiden bestyrker yderligere

af sporene fra to kraftige stolpehuller, som på grund af deres

teorien om, at vikingerne byggede materialebesparende telt-

store dybde på 80-90 centimeter og deres kraftige dimensioner

konstruktioner, når de rejste deres lejre. En af kilderne, en fransk

med en diameter på ca. 30 centimeter må have haft væsentlig

munk, som var øjenvidne til, at vikingerne opførte en lejr ved

betydning for husets bærende konstruktion. De kraftige huller

Paris, beskriver i slutningen af 800–tallet, at der ved den lej-

plus en lang række andre spor har medført, at jeg har tolket

lighed blev opført telte. Det er lykkedes mig at finde frem til

tagkonstruktionen hen over de fundne stolpehuller som en

originalmanuskriptet i Bibliothèque Nationale i Paris og få det

materialeminimeret teltkonstruktion. Siden har jeg fået opført et

affotograferet.

modelhus, som klart viser, at der er tale om en yderst materialebesparende bygningsform.

Via dette gamle pergament blev det muligt at opspore stedet, hvor vikingelejren blev opført. Det viser sig at være på det sted,

I 2003 blev teltteorien underbygget, da arkæologer fandt teks-

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

hvor den franske konge, Philip Auguste, 300 år senere grund-

133

lagde Louvre. Jeg håber, at det en dag ved en udgravning i Paris vil lykkes at finde rester af de materialebesparende teltbygninger fra vikingetiden, som den dag i dag er en inspirationskilde. I forbindelse med ressourcebesparende design er vikingetidens brugsting og skibe nemlig interessante studieobjekter, fordi de ofte blev materialeminimerede med henblik på at skulle transporteres over lange afstande.

Nytte og skønhed Når man arbejder med minimalkonstruktioner, kan man ikke undgå dagligt at opdage brudmønstre og vækstmønstre i den levende natur. Det er mønstre, som man kan gå og glæde sig over, fordi de som regel er smukke. Men mønstrene kan også være nyttige, og jeg håber, at denne artikel giver indtryk af, at sådanne mønstre kan inspirere Den viste stolpehulsplan fra Fyrkats

til formgivning af minimalkonstruktioner, der kan anvendes til:

nord-vest kvadrant udført af Holger

• at udforme ressourcebesparende bygninger og brugsting; uden at kvalitet og levetid

Schmidt er repræsentativ for de danske vikingeborge. Bemærk de to asymmetriske runde stolpehuller, der findes i alle husene, og som er markeret med pile i et af husene

sættes overstyr.

• at tolke sporene fra kraftpåvirkninger efter konstruktionssammenbrud, hvilket kan indgå i forklaringen af sådanne sammenbrud.

• at indgå i en konstruktionshistorisk metode, der kan forklare baggrunden for konstruktionsformer i historiske bygningsanlæg.

Samtidig håber jeg, at forskningen i minimalkonstruktioner kan være med til at åbne øjnene for de enkle, men samtidig rige principper, der former vor omgivende natur og universet.

En form for status over mine forskningsresultater er vist i filmen ”De usynlige kræfter” (The Invisible Forces), der havde premiere i UNESCOs hovedkvarter i Paris i 2002 og senere er blevet vist i fjernsynet herhjemme og mange steder i udlandet. Det er dog kun en foreløbig status, for selv om jeg nu har arbejdet mange år med emnet, føler jeg kun at have været med til at løfte en lille flig af den forunderlige verden, der gemmer sig i minimalkonstruktionerne, og jeg håber fortsat at kunne være med til at åbne en større del af erkendelsen heraf.

Tværfaglig forskning Forskning i de her beskrevne emner går på tværs af traditionelle faggrænser og er vanskelig at etablere, fordi den kun kan gennemføres, når der er økonomiske midler til fri forskning uden politiske bindinger. I Danmark bliver der for tiden færre midler til rådighed af denne art; men der findes én storslået undtagelse: Villum Kann Rasmus-

beretter en fransk munk om, at vikin-

sens Årslegat til Teknisk og Naturvidenskabelig Forskning. Det er således tildelingen af

ger opførte en teltlejr på det sted, hvor

dette Årslegat, der har muliggjort mit fortsatte forskningsarbejde i minimalkonstruk-

Louvre ligger i dag. Grafik: Bibliothèque

tioner, og jeg håber for kommende årgange af forskere, at uddelingen af Årslegatet

Nationale de France

vil fortsætte mange år endnu.

134

I dette manuskript fra sidst i 800-tallet

M I N I M A L K O N S T R U K T I O N E R

Om forfatteren:

Foto: Lizette Kabré

Erik Reitzel, f. 1941, professor, civilingeniør, modtog Villum Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk Forskning i 1998 for sin forskning og sit udviklingsarbejde indenfor minimalkonstruktioner. Hans arbejde er kendetegnet ved at bevæge sig på og over grænserne mellem traditionelle videnskabsgrene. Han har gennem en årrække været professor i bærende konstruktioner ved Det Kongelige Danske Kunstakademis Arkitektskole og professor i konstruktionsdesign ved Danmarks Tekniske Universitet. Samtidig har han fungeret som rådgivende ingeniør på mange store og eksperimenterende byggerier i både indland og udland. Hans vigtigste forskningsresultater, der kombinerer brud- og vækstfænomener med minimalkonstruktioner, er løbende blevet indarbejdet i hans undervisning og i en lang række eksperimentelle projekter i praksis. Han har modtaget flere priser i indland og udland for sin forskning i minimalstrukturer i arkitekturen og for ’spændende og utraditionelle løsninger af store ingeniørarbejder’. F.eks. blev han i 1990 udnævnt til ”ridder af æreslegionen” efter indstilling af den franske præsident François Mitterrand. Gennem hele livet har han i sin fritid været optaget af musikken både som udøvende og lyttende. Denne aktivitet har haft stor indflydelse på hans professionelle virke.

F O R S K E R L I V

-

L I V

I

F O R S K N I N G E N

135

(Klæbes på omslaget)