Wallenberg Scholars

Transkript

1 Wallenberg Scholars

2 Wallenberg Scholars

3 Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse Box Stockholm Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse 2013 TEXT Carina Dahlberg, Ann Fernholm och Nils Johan Tjärnlund BILD Magnus Bergström GRAFISK FORM Sture Balgård TYPSNITT Indigo Antiqua 9.5/13.8 PAPPER Arctic volume 115 g TRYCK Trosa Tryckeri, Trosa 2013 ISBN

4 Innehåll 7 Wallenberg Scholars ett långsiktigt program till fri forskning wallenberg scholars 2009 LENA CLAESSON-WELSH 11 Tumörer kan bli en ofarlig del av kroppen HANS ELLEGREN 15 Flugsnappares gener nyckel till hur nya arter uppstår JONAS FRISÉN 19 Kärnsprängningar ger hjärnforskare unika möjligheter KARL HENRIK JOHANSSON 23 Energibesparing genom uppkopplade apparater och fordon ANNE L HUILLIER 27 Atomfysik på frammarsch LARS NYBERG 31 Med blick för hjärnans minnesfunktion, åldrande och sjukdom THOMAS NYSTRÖM 35 Åldrade celler skadas av proteinklumpar BO ROTHSTEIN 39 Korruption leder till sämre hälsa MARIA ÅGREN 43 Kvinnors ekonomiska betydelse under 1600-talet större än man trott wallenberg scholars 2010 PER AHLBERG 49 Evolutinens steg upp på land MATS ALVESSON 53 Forskar om människors fåfänga

5 HELENA EDLUND 57 Med målet att minska diabetes- och fetmarelaterade sjukdomar OLLE ERIKSSON 61 Framtidens magnetiska material PATRIK ERNFORS 65 Grundforskning för självläkande hjärnor OLLE INGANÄS 69 Energisk ledande solskensforskare KURT JOHANSSON 73 På jakt efter slumpmässiga mönster JENS NIELSEN 77 Livets egen ingenjör gör bränsle av jäst DAVID WARDLE 81 Förändringar i fjäll- och skogliga ekosystem PERNILLA WITTUNG-STAFSHEDE 85 Proteinforskning som kan förändra synen på sjukdomsutveckling wallenberg scholars 2011 SIV ANDERSSON 91 Bakterier kan bli kroppens egna vaccinfabriker PETER ANDREKSON 95 Optikforskning som ger snabbare internet DANIEL CONLEY 99 Spår på havsbotten belyser klimatförändringar JOHAN ERICSON 103 Stamcellsforskning mor Parkinsons sjukdom och depression ANDREW EWING 107 Nya filmtekniker ska avslöja hjärnans hemligheter HANS HERTZ 111 Röntgenforskning som väcker förhoppningar LARS HULTMAN 115 Hård, hårdare, hårdast stark materialforskning SVANTE JANSON 119 Slumpgrafsmodeller som kan förutspå smittspridning PER KRUSELL 123 Klimatförändringar påverkar länders ekonomier olika

6 STEFAN THOR 127 Flugforskning som kan bromsa utveckling av Alzheimer wallenberg scholars 2012 LEIF ANDERSSON 133 Tamsvin, hästar och kycklingar berättar om människans arv MAGNUS BERGGREN 137 Han omvandlar elektroniska signaler till biologiska signaler PER-OLOF BERGGREN 141 Med ögat som fönster för diabetesstudier CHRISTER BETSHOLTZ 145 Ny transportväg för läkemedel mot Alzheimers sjukdom THIERRY COQUAND 149 Datorer ska granska matematiska bevis PER DELSING 153 Han tämjer ljusets krafter TOBIAS EKHOLM 157 Han rör sig på gränsen mellan matematik och fysik MARIANNE GULLBERG 161 Om konsten att lära sig ett nytt språk GUNNAR VON HEIJNE 165 Modellerar med livets arkitektur CARLOS IBÁÑEZ 169 Molekyler med betydelse för fetma, diabetes och neurologiska sjukdomar MIKAEL KÄLL 173 Han kastar nytt ljus över biologiska processer KERSTIN LINDBLAD-TOH 177 Hundens gener nycklar till mänsklig sjukdom RICHARD NEUTZE 181 Han filmar i molekylernas värld OVE NILSSON 185 Han vill förstå och styra träds blomning och tillväxt PATRIK RORSMAN 189 Förklaring till diabetikers svängiga blodsocker MATHIAS UHLÉN 193 Människan ska få en innehållsförteckning

7

8 Wallenberg Scholars ett långsiktigt program till fri forskning Inom Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse är förvissningen stor att landets mest välmeriterade forskare behöver långsiktig finansiering, som skapar trygghet och arbetsro för att de ska kunna prova vilda och djärva idéer som de tidigare inte haft möjlighet att förverkliga. Stiftelsen inrättade därför forskningsprogrammet Wallenberg Scholars år En grundsten var att anslaget inte skulle var villkorat eller styrt. De 15 miljoner kronor som varje Scholar tilldelas får därför disponeras för fri forskning under fem år. Mellan åren 2009 till 2012 utsåg Stiftelsen 46 Wallenberg Scholars. Bland anslagsmottagarna finns forskare inom alla vetenskapsområden som till exempel; matematiker, diabetesforskare, fysiker, statsvetare och en historiker. Många Scholars har vittnat om hur långsiktigheten och friheten gör det möjligt för dem att våga, att kasta sig ut i det okända för att hitta ny kunskap. Resultatet kan bli ett»misslyckande«eller ett forskningsgenombrott, ingen vet, men huvudsaken är att de får möjlighet att utforska sina hypoteser. Och även kunskap om att något inte fungerar är ny kunskap som i sin tur kan vara viktig. Eller så sker det som så ofta händer, att ett oväntat spår dyker upp som kanske leder i en helt annan riktning. För att säkerställa att de främsta forskarna också var de som utsågs till Wallenberg Scholars genomfördes en omfattande utvärdering. Universiteten nominerade de forskare som de ansåg uppfyllde kriterierna för utlysningen därefter utvärderades ansökningarna av internationella och nationella experter inom respektive ämnesområde. Som Sveriges största privata forskningsfinansiär med ändamål att stödja svensk forskning och därigenom stärka Sverige som forskningsnation är vi övertygade om att de utsedda Wallenberg Scholars kommer att bidra både till att höja kvaliteten på svensk forskning och till att ge världen ny kunskap. Peter Wallenberg Jr Vice ordförande Göran Sandberg Verkställande ledamot

9

10 Wallenberg Scholars 2009

11

12 Lena Claesson-Welsh. Tumörer kan bli en ofarlig del av kroppen Cancerbehandling går normalt ut på att förgöra tumörer. Men Lena Claesson-Welsh har en annan infallsvinkel. Hon har hittat ett ämne som lugnar ner tumörer; de blir mindre aggressiva och sprider sig inte. Samtidigt aktiveras immun - försvaret. Mördarceller invaderar tumören och håller den i schack. På så vis kan cancer bli en kronisk sjukdom.»att bli utsedd till Wallenberg Scholar har gett mig möjligheter att om sätta våra projekt till kliniska behandlingar som kan hjälpa cancerpatienter och eventuellt även personer som lider av andra sjukdomar, till exempel hjärtinfarkt eller ögonsjukdomar där blodkärlsfunktionen är avgörande.«tänk dig en framtid där vissa tumörer blir en del av kroppen, som ett organ fast helt utan funktion. Onaturligt, men ofarligt. Om de behandlingar som Lena Claesson-Welsh utvecklar fungerar lika bra på människor som på möss, kan detta bli verklighet. Kanske kan cancer bli till en kronisk sjukdom. En person kan ha en tumör, men den växer inte och stör inte kroppsfunktionen, säger Lena Claesson-Welsh. Behandlingen bygger på ett ämne som finns naturligt i kroppen och som Lena Claesson-Welsh snubblade över för snart tjugo år sedan. Hon hade just kommit hem från en vistelse i USA, där hon gästat en forskargrupp som var världsledande inom området blodkärlsnybildning. De försökte stoppa tillväxten av nya blodkärl i tumörer. Utan blodkärl skulle tumören lida brist på syre och näring, och slut växa. Hemma i Sverige spred sig ryktet snabbt att Lena Claesson- Welsh hade varit på det berömda laboratoriet och lärt sig nya metoder. Många forskare skickade prover med ämnen som de ville att hon skulle undersöka. Påverkade ämnet blodkärlstillväxt? En metod jag använde kallas kycklingembryo-modellen. Man knäcker ett fertiliserat ägg i en odlingsskål och så ser man om det växer och bildar blodkärl, säger Lena Claesson-Welsh. Det syns tydlig när blodkärlen växer. Ett rött förgrenat nät uppstår i äggulan. En mätt tumör blir mindre aggressiv Ett prov kom från en forskare som arbetade på ett företag. Det innehöll en sidoprodukt från produktionen av preparat för blödarsjuka. När Lena Claesson-Welsh testade ämnet, kallat histidinrikt glykoprotein, HRG, blev det bingo. 11

13 Blodkärlsnybildningen minskade på ett dramatiskt vis. Det gav oss mod att göra vår första riktiga tumörstudie. Både tumörtillväxten och blodkärlstätheten blev mindre. Det hade en bra effekt, säger Lena Claesson-Welsh. Till en början trodde hon att tumören slutade växa eftersom den led brist på blod. Men mer detaljerade studier visade på något helt annat. Blodkärlen var visserligen få, men de var av högre kvalitet än normalt. I tumörer brukar blodkärlens väggar läcka. Vätska tränger ut i vävnaden och det leder till ett högt tryck. Celler i omgivningen tar skada och dör. Läckande blodkärl är också dåliga transportörer av syre och näring, vilket gör att tumören svälter. Allt detta verkar stimulera tumören att sprida sig. Den vill invadera den omkringliggande vävnaden där det finns syre och näring, säger Lena Claesson-Welsh. 12

14 När tumören istället fylls av täta och bra blodkärl verkar den lugna sig. När blodet flödar som det ska, får alla celler de förnödenheter som de behöver. Elaka immunceller blir hjälpsamma Till en början trodde forskarna att HRG:s viktigaste effekt var att täta blodkärlen. Men när de studerade miljön runt cancercellerna upptäckte de en annan förändring: de immunceller som befanns sig i tumörens närhet verkade ha ändrat karaktär. Kring nästan alla tumörer ansamlas så kallade tumörmakrofager. Dessa är ofta dåliga; de understödjer tumörtillväxt, säger Lena Claesson-Welsh. Men liksom Dr. Jekyll och Mr. Hyde har dessa tumörmakrofager två tillstånd: ett snällt och ett elakartat. Lena Claesson-Welshs forskargrupp upptäckte att HRG förändrar tumörmakrofager så att de istället visar sig från sin goda sida. De börjar locka till sig så kallade cytotoxiska T-celler; mördarceller som invaderar och av - dödar tumören. Nu hoppas Lena Claesson-Welsh att hon ska kunna omsätta all denna kunskap till en effektiv behandling som kan komplettera existerande cancerbehandlingar. Hon ser två alternativ framför sig. Det ena är en form av genterapi som där ett genmodifierat virus sprutas rakt in i tumören. Viruset omvandlar tumören till en fabrik som kontinuerligt tillverkar HRG. Det andra alternativet är ett ta fram ett läkemedel som har samma effekt som HRG. Detta har bra effekt på möss: Vad vi ser är väldigt intressant. Tumören mår bra. Den lider ingen syrebrist och det blir ingen celldöd i vävnaden rumt omkring. Samtidigt växer den inte till, säger Lena Claesson-Welsh. Om detta fungerar lika bra i människor, skulle cancer kunna bli en kronisk men ofarlig sjukdom. Andra aspekter av kärlläckage Forskargruppen studerar också andra aspekter av kärlläckage. När en person får hjärtinfarkt dör till exempel delar av hjärtmuskeln eftersom det läcker ut vätska från kärlen. Om vi stoppar kärlläckaget ökar överlevanden i hjärtinfarkt och hjärtfunktionen blir bättre, förmodligen för att det blir mindre skada, säger Lena Claesson-Welsh. Detta gäller än så länge möss som är skyddade mot kärlläckage. Även här hoppas Lena Claesson-Welsh att kunskapen ska kunna översättas till effektiva behandlingar för människor. Lena Claesson-Welsh Professor i medicinsk biokemi Wallenberg Scholar 2009 lärosäte Uppsala universitet forskningsområde Mekanismer för blodkärlsnybildning och blodkärlsläckage priser i urval Göran Gustafssonpriset i medicin 1998 Anders Jahres pris för yngre forskare 1996 Eric K. Fernströms pris för yngre forskare 1995 The Svedbergpriset 1995 övrigt Ledamot av Kungl. Vetenskapsakademien Text Ann Fernholm Bild Magnus Bergström

15

16 Hans Ellegren Flugsnapparens gener nyckel till hur nya arter uppstår Som första enskilda forskargrupp i världen har Hans Ellegrens team kartlagt ett ryggradsdjurs hela DNA-kod. Deras jämförelser av två arter flugsnappare har lett fram till en unik hypotes om hur nya arter kan uppstå från en population. På molekylnivå kan Hans Ellegren nu förklara varför två likartade individer plötsligt inte kan para sig.»wallenberg Scholars-anslaget har gjort det möjligt för oss att som enskild forskargrupp kunna kartlägga ett helt genom. Tack vare finansieringen har vi kunnat ha en högre ambitionsnivå än tidigare. Detta ger möjligheter till vetenskapliga genombrott.«ungefär samtidigt som svenska körer sjunger in våren framför majbrasan, flyttar den svart-vita flugsnapparen hem från sin vintervistelse i Afrika. Deras kvitter fyller skogar över hela Sverige. Men på Öland och Gotland kan den lätt förväxlas med sin öboende släktning, halsbandsflugsnapparen. Det två flugsnapparna skiljer sig marginellt. De sjunger lite olika och öbon har ett vitt band runt halsen, annars är de mest lika. De är så lika att de kan korsa sig, men avkomman mår inte så bra och blir mer eller mindre steril. Förmodligen är det bara några år sedan arterna skiljde sig åt, säger Hans Ellegren, professor i evolutionsbiologi vid Uppsala universitet. De senaste åren har han försökt förstå hur det kan komma sig att två så lika arter inte kan para sig. Vad är det som sätter kuggar i hjulen? Skiljde sig åt under en istid Han visar en karta på fåglarnas utbredning. Halsbandsflug - snapparen huserar främst i sydöstra Europa, och på Öland och Gotland. Den svartvita flugsnapparen dominerar i nordvästra Europa. I Mellaneuropa möts det två arterna i ett överlappande band. Orsaken till att det finns olika arter flugsnapparna, tror forskarna är att kalla istider har tvingat dem söderut. En del hamnade då på den Iberiska halvön, andra i Italien eller på Balkan, säger Hans Ellegren. De blev geografiskt åtskilda. Under denna tid började flugsnapparna utvecklas åt olika håll. Men ur ett evolutionärt perspektiv var de åtskilda under en ganska kort period. Vad var det som gjorde att de inte längre kunde para sig när värmen smälte isen och fåglarna återigen möttes? Vilka genetiska skillnader spelade roll? 15

17 Kan man identifiera orsaken till varför de har blivit inkompatibla, kan man också förstå hur det från en och samma population kan utvecklas två olika arter, säger Hans Ellegren. Först i världen med att kartlägga alla gener för ett ryggradsdjur Med detta som utgångspunkt har hans forskargrupp under två år kartlagt flugsnapparnas hela genetiska kod. Det är ett gigantiskt arbete som blev möjligt tack vare att Hans Ellegren 2009 blev utsedd till Wallenberg Scholar. 16

18 Detta är det första genom för ett ryggradsdjur som en enskild forskargrupp har lyckats kartlägga. Det krävs anslag på den här nivån för att man ska ha en chans att göra något sådant här själv, säger Hans Ellegren. Jämförelsen mellan de två arterna har gett förvånande men intressanta resultat. Forskarna trodde att de skulle hitta skillnader i en eller ett par av flugsnapparnas olika gener. Men det visade sig att alla gener är väldigt lika. Skillnaderna finns i de delar av arvsmassan som ligger mellan generna. Skillnaderna ligger framförallt i kromosomernas ändar eller precis i mitten. Dessa delar är viktiga när cellen ska dela på sig, säger Hans Ellegren. En kromosom brukar ritas som ett X. Kromosomens centrum, där de två armarna möts, kallas centromeren och den håller ihop kromosomerna när nya könsceller ska bildas. Upptäckten har lett fram till en hypotes om hur nya arter kan uppstå, som Hans Elle gren publicerades i tidskriften Nature hösten Tesen går ut på att arter blir inkompatibla eftersom det går snett vid bildandet av könsceller. När en cell ska dela sig och bli till två könsceller, ligger kromosomerna i cellens mitt. Långa spindelliknande armar, gjorda av proteiner, fäster till centromererna i mitten. När delningen börjar, drar armarna kromosomhalvorna till varsin dottercell. Men hos en korsning mellan till exempel svartvit flugsnappare och halsbandsflugsnappare fungerar troligtvis inte denna process som den ska. Om centromererna inte känner igen varandra, kan de inte rada upp sig i cellens mitt. De blir inkompatibla, säger Hans Ellegren. Genom olika experiment ska han nu utvärdera denna modell. Dessutom ska han i samarbete med kollegorna en våning upp på Evolutionsbiologiskt Centrum i Uppsala försöka förstå hur genetiska olikheter kan påverka flugsnapparnas beteenden och framgång i häckningen. Kollegorna arbetar i fält och följer kolonier av flugsnappare på Öland och på Gotland. Både föräldrar och fågel - ungar ska kartläggas. Det långsiktiga målet med den Wallenbergfinansierade forskningen är att förstå den genetiska bakgrunden till egenskaper som är viktiga i naturen. Vi vill förstå hur biologisk mångfald uppkommer och hur man ska förvalta den genetiska variationen, säger Hans Ellegren. Att studera fåglar i naturen är dock både svårt och tidskrävande. Därför använder de också burfåglar, zebrafinkar som modell. Förhoppningen är att projekten ska korsbefrukta varandra och att en helt ny art av kunskap ska uppkomma. Hans Ellegren Professor i evolutionsbiologi Wallenberg Scholar 2009 lärosäte Uppsala universitet forskningsområde Sambandet mellan evolution på molekylär nivå och egenskaper hos individen priser i urval ERC Advanced Investigator Grant 2010 Sture Centervalls pris för naturskydd övrigt Ledamot av Kungl. Vetenskapsakademien Ledamot av Kungl. Vetenskaps-Societeten i Uppsala Ledamot av Kungl. Vetenskapssamhället i Uppsala Text Ann Fernholm Bild Magnus Bergström

19

20 Jonas Frisén Kärnsprängningar ger hjärnforskare unika möjligheter»det är värsta deckarjobbet«. Så betecknar Jonas Frisén sitt liv som forskare. Med hjälp av kolisotoper från provsprängningar av kärnvapen, daterar han nervceller i den mänskliga hjärnan. Många av resultaten överraskar bland annat att 90-åringar bildar nya nervceller i hippocampus, en del av hjärnan som är viktig för minnet.»wallenberg Scholaranslaget har varit oerhört värdefullt för att kunna starta nya och långsiktiga projekt. God finansiering över lång tid ger en stor vetenskaplig frihet, vilket gör att man kan ta ut svängarna lite mer och pröva nya tankar.«precis vid ingången till laboratoriet står ett skåp fullt med tomma champagneflaskor. Det är minnen från alla framgångar som Jonas Friséns forskargrupp har firat. Storleken på flaskan visar hur mycket blod, svett och tårar som projektet har krävt. Och snart är det dags för en ny flaska, modell magnum. Tio års strävan har äntligen gett resultat: gruppen har lyckats mäta hur mycket nervceller som nybildas i människans hippocampus. Den brukar kallas»porten till minnet«eftersom den bland annat sorterar ut vilken information som ska gå till långtidslagring. De senaste månaderna har varit otroligt spännande. Vi har samlat tillräckligt mycket data för att kunna göra analyser och modellera. Det är lite som att öppna julklappar, säger en nöjd professor i stamcellsforskning. Möss är inte människor Mot slutet av 1990-talet var däremot Jonas Frisén ganska frustrerad. Den kunskap som hans forskargrupp fick fram om hjärnans nervcellsnybildning gällde egentligen bara gnagare. Det gick inte att göra samma experiment på människor. Kemikalierna var för giftiga och metoderna ställde krav som var etiskt ohållbara. Så han började fundera hur kunde de göra istället? På något vis behövde forskargruppen kunna bestämma vilket år nervceller i hjärnan har formats. Tankarna gick till arkeologin, där forskare daterar både skelett och papyrusrullar med hjälp av kol 14-metoden. Ju mer av isotopen kol-14 någonting innehåller, desto yngre är saken. 19

21 Men det var en naiv tanke. Halveringstiden för kol-14 är år. Det är en fasligt lång tid ur en cells perspektiv, säger Jonas Frisén. I forskningslitteraturen snubblade han dock över något annat intressant: att provsprängningar av kärnvapen har förändrat kol- 14-halterna i atmosfären. Mängderna fördubblades när världens kärnvapennationer mellan 1955 och 1963 detonerade hundratals laddningar. Sedan kom ett förbud och kol-14-halterna har återigen börjat sjunka mot normala nivåer. Kärnsprängningar påverkar våra gener En tanke mognade sakta fram. Kunde man använda atmosfärens varierande halter av kol-14 för att datera celler? När en cell delar sig kopieras alla gener till dottercellen. Gener består av DNA, en molekyl som till stor del byggs av kolatomer. Kol-14-halten i en nervcells DNA borde alltså spegla exakt vilket år efter 1955 som den har formats. 20

22 Tanken var vild och Jonas Frisén skulle behöva röra sig utanför sina vanliga jaktmarker för att ro den i hamn. Studier av kol-14 kräver kärnfysik och stora acceleratorer. Sådana här okonventionella projekt brukar inte välkomnas av forskningsfinansiärer. Folk tvivlar på att man får till det, säger Jonas Frisén. Men tack vare ett anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse fick han möjlighet att testa idéns bärkraft. Redan tre år senare hade den prestigefyllda tidskriften Cell en bild av ett klassiskt svampmoln från en kärnsprängning på framsidan. Jonas Friséns forskagrupp hade då lyckats analysera åldern på hjärn - barkens nervceller. Vid den tiden debatterades det intensivt om nervceller nybildas i hjärnbarken. Men resultatet var tydligt nervceller i människans hjärnbark är lika gamla som personen. De nybildas alltså inte efter födelsen. Resultat som förvånar Mer förvånad blev Jonas Frisén när forskargruppen lyckades mäta kol-14-halterna i luktbulben år Försök visar att det finns två ställen i hjärnan hos alla däggdjur där nervceller nybildas: i hippocampus och i luktbulben. Men hos människor verkar det fungera annorlunda. När data började trilla in upptäckte vi till vår stora förvåning att koncentrationerna av kol-14 motsvarade de som fanns i atmosfären när personerna föddes. Det hade jag inte förväntat mig, säger han. De dagsfärska analyserna av hippocampus rymmer också överraskningar. När svensken Peter Eriksson 1998 lyckades visa att hippocampus förnyas, skakade resultaten om forskarvärlden. Det är den enda studie hittills som har påvisat nervcellsnybildning i den mänskliga hjärnan, säger Jonas Frisén. Men nu har han lyckats bekräfta resultaten och har dessutom kvantifierat nybildningen. Vi byter årligen ut cirka två procent av hippocampus även när vi blir riktigt gamla. Hos de flesta försöksdjur minskar nybildningen med åldern. Men våra analyser visar att människor som är över 90 år fortfarande har en omfattande nervcellsnybildning, säger Jonas Frisén. Han ska också analysera nybildningen vid fetma och depression. Djurförsök visar att dessa två tillstånd är kopplade till en lägre nervcellsnybildning. Antidepressiva läkemedel, så kallade SSRIpreparat, verkar tvärt om stimulera tillverkning av nya nervceller. Att förstå dessa processer är nästa viktiga mål för Jonas Frisén och hans forskargrupp. Jonas Frisén Professor i stamcellsforskning Wallenberg Scholar 2009 lärosäte Karolinska Institutet forskningsområde Studier av stamceller i vuxna organ, framförallt i hjärnan priser i urval AkzoNobel Science Award 2011 ERC Advanced Grants 2010 International Prize of the Dargut and Milena Kemali Foundation for Basic and Clinical Neurosciences 2010 Göran Gustafssonpriset 2002 Anders Jahres pris för yngre forskare 2001 Eric K. Fernströms pris till yngre forskare 2001 övrigt Medlem av European Molecular Biology Organization (EMBO) 2003 Ledamot av Kungl. Ingenjörs - vetenskapsakademien Ledamot av Nobelförsamlingen vid Karolinska Institutet Ledamot av Kungl. Vetenskapsakademien Text Ann Fernholm Bild Magnus Bergström

23

24 Karl Henrik Johansson Energibesparing genom uppkopplade apparater och fordon Tåg av lastbilar, lokaler som bara värms upp om någon är där och tvättmaskiner som anpassar sig efter elnätets kapacitet. Det är några tillämpningar av Karl Henrik Johanssons annars ganska teoretiska forskning. Om nätverk av datorer och sensorer får styra finliret i vår vardag, går det att göra stora energibesparingar.»tack vare den långsiktiga finansieringen som Wallenberg Scholar ger, kan jag nu angripa några av de största och viktigaste forskningsproblemen inom mitt område. Dessutom är utnämningen en bekräftelse på att forskningen jag leder är internationellt framstående och viktig för Sverige, vilket till exempel underlättar när jag rekryterar doktorander och forskare.«några radiostyrda lastbilar står parkerade i experimentverkstaden. Det är högt i tak, nakna ventilationsrör och slitna målade betonggolv, lite som i en lagerlokal. Karl Henrik Johansson, professor i nätverksreglering, har just flyttat hit den praktiska biten av sin verksamhet. Några hundra meter bort på KTH:s campus ligger institutionen där hans forskargrupp utvecklar ny teori för nätverksreglering: hur olika enheter ska samarbeta för att lösa en gemensam uppgift. I fallet med lastbilarna handlar det om att räkna ut hur de, genom att kommunicera med varandra, kan åka tätare ihop utan att krocka. Fordonet längst fram ska ha en förare, men sen rullar resten av bilarna automatiskt efter på ett avstånd om bara ett tiotal meter. Ju närmare, desto mindre luftmotstånd och desto större bränslebesparing. Mellan år 2000 och 2020 beräknas antalet godstransporter i världen växa med 50 procent. Om vi grupperar lastbilar i tåg, så att de kör ihop, kan vi spara 5 10 procent i bränsle, säger Karl Henrik Johansson, som blev utsedd till Wallenberg Scholar år En trådlös konvoj Redan nu använder Scania hans teknik ute på vägarna. Företaget har ett åkeri där de bland annat provar att köra konvojer om 3 4 lastbilar åt gången mellan Stockholm och Zwolle i Holland. Men här på KTH ska tekniken optimeras ytterligare. Fordonen ska bli än bättre på att samverka, transporter ska ske på utsatt tid och vägnätet ska användas effektivare. Lastbilsmodellerna och andra fordon i lokalen utrustas med datorer, sensorer och trådlös kommunikation. 23

25 Om lastbilarna ska köra på ett visst avstånd från varandra måste de kunna kommunicera. De bilar som följer efter måste snabbt anpassa sig om den framför till exempel bromsar eller gasar, säger Karl Henrik Johansson. Lastbilarna blir till mobila sensorer som vet var i världen de befinner sig och som kan ta till sig och kommunicera information om vägförhållanden och övrig trafik. I lagerlokalen har forskargruppen med hjälp av infraröda kameror satt upp ett GPS-system för inomhusbruk. Det är samma slags system som filmindustrin använder när de animerar figurer som Gollum i Sagan om ringen. Själva vägnätet ska forskargruppen projicera på golvet. Tanken är att kartan ska rulla fram så att modellbilarna kan köra runt i hela i Europa trots att lokalen bara är meter lång. 24

26 Lastbilar och tvättmaskiner enheter i ett nätverk För Karl Henrik Johansson handlar lastbilsexperimenten om mer än bara bränsleförbrukning. Han ser lastbilarna som mobila enheter i ett dynamiskt nätverk, där varje enhet är mer eller mindre beroende av alla de andra. När enheterna kommunicerar kan de anpassa sig efter varandra och dra nytta av varandras information. Dessa enheter kan vara något helt annat än lastbilar, till exempel rum i ett hus eller sammankopplade processer i en industri. Vi utvecklar grundläggande teorier för hur de här sammankopplade systemen ska vara uppbyggda, säger Karl Henrik Johansson. De tar fram ekvationer som beskriver en heternas kommunikation och programmerar datorer som styr och optimerar processerna automatiskt. På engelska heter ämnesområdet»net worked control«och det kan översättas till»reglering av dynamiska nätverk«. Karl Henrik Johansson tar ett annat exempel: tvättmaskiner utvecklade för Norra Djurgårdsstaden, en miljöstadsdel som byggs i Stockholm. Tvättmaskinerna, framtagna av Electrolux, känner av tillfälliga toppar och dalar i elförbrukningen och rättar sig därefter. Genom sådana här automatiska anpassningar blir belastningen på elnätet jämnare. En maskin spelar ingen roll, men när alla hushåll i Norra Djurgårdsstaden, eller hela Stockholm, tvättar så här gör det helt plötsligt skillnad, säger Karl Henrik Johansson. Små förändringar som ger stor effekt När han tillämpar sina teorier handlar det ofta om små förändringar som leder till stora energibesparingar; enkla men smarta innovationer som göra saker effektivare. En doktorand har nyligen börjat experimentera med energianvändningen på KTH. Han ska koppla temperaturregleringen till universitetets undervisningsschema. En tom föreläsningssal ska förbruka minimalt med energi. Först någon timme innan studenterna fyller salen, ska värme och ventilation gå igång. Men Karl Henrik Johansson har också lite mer vilda framtids - visioner. På en hylla i experimentverkstaden står helikopterliknande modeller. Dessa ska, med hjälp av dynamisk nätverks - reglering, flyga i formation i lagerlokalen. Helikoptrarna ska känna av och anpassa sig till varandra och till trafiken på golvet helt automatiskt. Han hoppas kunna bjuda in skolelever som kan få prova på och inspireras av den spektakulära tekniken. Så det är tur att det är högt i tak i Karl Henrik Johanssons experimentverkstad. Karl Henrik Johansson Professor i nätverksreglering Wallenberg Scholar 2009 lärosäte KTH forskningsområde Reglering av dynamiska nätverk priser i urval Utnämnd till Fellow av IEEE 2013 Lars Magnus Ericssons stiftelse för främjande av elektroteknisk forskning 1998 Scania AB Young Researcher Award 1996 Peccei Award, International Institute of System Analysis, Österrike 1993 övrigt Medlem av IEEE Control Systems Society Board of Governors Framtidens forskningsledare 2005, Stiftelsen för Strategisk Forskning, SSF Text Ann Fernholm Bild Magnus Bergström

27

28 Anne L Huillier Atomfysik på frammarsch Anne L Huillier rör sig i en värld som består av partiklar som är mindre än man kan föreställa sig. Som atomfysiker studerar hon elektroner som rör sig i atomer och molekyler. Det första genombrottet kom när hon och hennes forskargrupp kunde mäta världens kortaste ljuspuls, det andra när de fångade elektroner på film.»erc-anslaget betydde mycket, sedan kom Wallenberg Scholaranslaget som kronan på verket. Det har gjort att jag vågar satsa på något nytt.«för att få en liten förståelse för vilka snabba rörelser som Anne L Huillier studerar så måste man mäta tiden i attosekunder. En attosekund motsvarar ungefär en triljondels sekund. Eller 10 upphöjt i minus 18 sekunder, eller för att få ett mer begripligt perspektiv. En attosekund förhåller sig till en sekund på ungefär samma sätt som en sekund förhåller sig till universums ålder, förklarar Anne L Huillier. Attosekundpulser bildas när en atom befinner sig i ett starkt elektromagnetiskt fält. Elektronernas svängningar ger upphov till ny strålning med högre frekvens, övertoner. Dessa övertoner kan sedan under speciella förhållanden samverka och bilda»tåg«av attosekundspulser. År 2003 lyckades Anne och hennes forskargrupp skapa och mäta en 170 attosekund lång attosekundpuls, som då var världens kortaste puls. Och det var med hjälp av dessa pulser och»stroboskopteknik«som de två år senare, för första gången i världen, kunde visa rörliga bilder på en elektronvåg som just slitit sig från atomkärnan och guppat i väg på en ljusvåg. Det är otroligt mycket som hänt sedan publiceringen av upptäckten, 2005, och fram till i dag, konstaterar hon lugnt. Indirekta tillämpningar Högeffektlaserlaboratoriet vid Lund Laser Centre, som är det enda av sitt slag i Skandinavien, är ett respekterat laboratorium i världen, delvis tack vare Anne L Huillier. Forskningen som bedrivs i labbet är, liksom på de flesta håll, helt nyfikenhetsstyrd men tillsammans driver de olika labben på laser utvecklingen och bidrar på så vis indirekt till flera praktiska tillämpningar. Våra önskemål tvingar laserföretagen till ständig utveckling 27