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Teilchenbeschleuniger: Innovation wie aus dem Bilderbuch

11.7.18
Autor: Darya Bachevskaya, Villigen

Der Large Hadron Collider ist der grösste und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt.

  • Der Large Hadron Collider ist der grösste und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt.

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Physiker verwenden Teilchenbeschleuniger, um die grundlegenden Fragen über unser Universum zu beantworten – wie es entstanden ist, warum Objekte Masse haben, was Antimaterie ist und so weiter. Tatsächlich sind Teilchenbeschleuniger, wie im CERN oder im Paul Scherrer Institut (PSI), der Inbegriff des reinen Forschungsinstruments. Sind sie das wirklich? Wenn Sie vielleicht meinen, dass diese Maschinen ausserhalb der Forschung keinen Nutzen hätten, werden Sie überrascht sein.

Was ist das eigentlich, ein Teilchenbeschleuniger? Grundsätzlich erzeugt ein Teilchenbeschleuniger einen Strahl geladener Teilchen, der für verschiedene Zwecke eingesetzt werden kann. Es handelt sich hierbei um jede Art von Anlage, die diese Teilchen von Energie A auf Energie B beschleunigt. Die Grösse dieser Anlagen wird im Wesentlichen durch die für eine spezifische Anwendung oder ein Experiment benötigte Energie bestimmt. Je grösser die Anlage ist, desto höher ist die übertragene Energie. Der energiereichste Teilchenbeschleuniger, der im Jahre 2008 in Betrieb genommene Large Hadron Collider. Er hat einen Umfang von 26,7 km und wird vom CERN (Genf/Schweiz) betrieben. Allerdings ist es nicht immer das Ziel, die höchste Energie zu erreichen. Bei der Protonentherapie zum Beispiel zählt die Präzision.

Wussten Sie, wie Beschleuniger unser Leben verbessern?

Eine der ersten industriellen Anwendungen von Beschleunigern war das Verschliessen von Chipstüten und Milchkartons. Oder ein anderes Beispiel: Fast jeder Haushalt hatte Ende des letzten Jahrhunderts einen Mini-Beschleuniger zu Hause – einen CRT-Fernseher. CRT steht für Cathode Ray Tube. In einem solchen Fernseher wird das Bildsignal durch eine Schaltung übertragen, die einen Elektronenstrahl über eine lange Kathodenstrahlröhre abgibt. Während der Strahl die Röhre hinunterfliegt, lenken Elektromagnete ihn von einer Seite zur anderen, so dass er systematisch Zeile für Zeile über den Bildschirm hin und her scannt und das Bild wie ein unsichtbarer elektronischer Pinsel immer wieder neu „übermalt“.

Klar, dass man wegen der Komplexität und Dimensionierung von Teilchenbeschleunigern zu dem falschen Schluss kommen kann, dass sie ausschliesslich wissenschaftlichen Zwecken vorbehalten seien. Das Gegenteil ist jedoch der Fall. Seit Jahrzehnten ziehen Beschleuniger ihre Bahn aus den Forschungslabors in die Industrie. Neue Anwendungen von Beschleunigern und beschleunigerbezogenen Technologien entstehen in den verschiedensten Bereichen.

Im medizinischen Bereich werden zur Bekämpfung von Tumoren Beschleuniger mit Protonenstrahlung eingesetzt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Bestrahlung in der Krebstherapie haben Protonen eine stärkere Durchschlagskraft. Sie können Gewebe durchdringen, ohne die umliegenden Organe stark zu schädigen, töten aber die bösartigen Tumorzellen punktgenau ab. Ein solches Protonentherapie-Zentrum befindet sich auch am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen (Schweiz). Hier erforschen und entwickeln Forscher neue Behandlungsmethoden wie zum Beispiel die Spot-Scanning-Technik, die eine sehr präzise Bestrahlung ermöglicht. Mehr als 6'000 Patienten wurden bisher im Zentrum erfolgreich behandelt.

Proton Therapy

Zentrum für Protonentherapie ZPT am Paul Scherrer Institute (PSI). © Paul Scherre Institute.

Beschleuniger sind auch in der Mikrochip-Industrie weit verbreitet. Die dortigen Anwendungen beruhen auf einer speziellen Technik, der sogenannten Dotierung, bei der Bor- und Phosphorionen mit Hilfe von Beschleunigern in Siliziumschichten eingebracht werden. Ionen sind positiv geladen, so dass Beschleuniger Ionenstrahlen mit elektromagnetischen Feldern leiten können. So dringen die Ionen in die Oberfläche des Siliziumwafers ein und werden dort an gewünschten Stellen abgeschieden. Dies verändert die Leitfähigkeit des Materials, die die Leistung des Chips beeinflusst. Als Ergebnis konnte die Industrie immer kleinere und leistungsfähigere Computerchips herstellen. Diesen Entwicklungen verdanken wir beispielsweise die PCs. Darüber hinaus nutzen auch Energie-, Lebensmittel-, Kunststoff- und Clean-Tech-Industrien beschleunigerbasierte Installationen für ihre spezifischen Bedürfnisse. Auch in der Sicherheitstechnink und bei der Denkmalpflege werden diese Technologien eingesetzt. Das Potenzial der Technologie ist hoch und es ist gut möglich, dass künftig weitere, heute noch nicht vorstellbare Anwendungen entdeckt werden.

Kein Wunder, dass die Nachfrage nach Beschleunigeranlagen in den Forschungszentren aber auch in vielen Branchen der Industrie stetig wächst. Heute gibt es weltweit schon rund 35'000 solcher Anlagen und jedes Jahr kommen über 1'700 neue hinzu. Der gesamte Markt hat ein geschätztes Volumen von ca. 4 bis 5 Mrd. USD, und er wächst weiter.

Massgeschneiderte Technologien und Lösungen im Dienste von Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft

Der Bau von Teilchenbeschleunigern, insbesondere solchen, wie sie vom PSI oder CERN betrieben werden, ist ein hochkomplexer Prozess. Sie sind oft einzigartig in ihrer Zusammenstellung und die meisten Schlüsselkomponenten sind massgeschneidert. Das heisst konkret, die meinsten Bauteile wurden für einen einzelnen neuen Beschleuniger von Grund auf neu entwickelt und sind leistungsfähiger, als alle bis dato verfügbaren und bei den schon existierenden Beschleunigern verbauten Komponenten. Ganz zu schweigen von der Zeit, die nötig ist, um eine solche Anlage neu zu bauen. Es liegt auf der Hand, dass in diesem Geschäft viel technisches Know-how, modernste Technologien und innovative technische Lösungen gefragt sind. Dazu gehören Vakuumtechnologien, elektromagnetische Technologien, Kurzpulsmodulatoren, Software, Steuer- und Messsysteme, Datenanalyse, Detektoren etc. Viele von ihnen sind brandneue Entwicklungen, die speziell auf die extremen Anforderungen der Spitzenforschung zugeschnitten sind. Kurz: technischer Forschritt par exellence.

SwissFEL

Der neue Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL wurde im Dezember 2016 am Paul Scherrer Institut (PSI) eingeführt und hat bereits sein erstes Pilotprojekt erlebt.

Es wäre jedoch falsch anzunehmen, dass sich diese hochindividuellen Technologien und Lösungen nicht auf innovative industrielle Anwendungen übertragen lassen. Die Geschichte hat gezeigt, dass die einzelnen Komponenten wie die Beschleuniger selbst auch in der Industrie weit verbreitet sind. Dort haben sie das Potenzial, die Produkte und Lösungen, die von den Konsumenten nachgefragt werden, zu revolutionieren. Praktisch gesehen ist die Spanne der technologischen Produkte und Lösungen, die sich aus beschleunigerbasierten Technologien ergeben, nur durch unsere eigene Vorstellungskraft begrenzt.

Eine leistungsfähige Technologie, die das menschliche Leben besser macht

Nehmen wir zum Beispiel Robotersoftware, die entwickelt wurde, um das Personal vor den Gefahren in den Beschleunigeranlagen zu schützen, wie bei unsachgemässer Handhabe die Strahlung sie darstellen kann. Diese Software wird zur Steuerung autonomer Bewegungen von Robotern eingesetzt, was die technischen Helfer in den Stand versetzt, anspruchsvolle Aufgaben zu erledigen. Die hier denkbaren industriellen und gesellschaftlichen Anwendungsbereiche sind vielfältig. Sie umfassen Inspektion, Überwachung und Fernbedienung von Maschinen, zum Beispiel in explosionsgefährdeten Bereichen oder bei der Minenräumung. Die durch die Software ermöglichte autonome Navigation könnte in Zukunft auch sehbehinderten Menschen bei der Orientierung helfen und sogar in Fahrerassistenzsystemen in Autos eingesetzt werden.

Eines der wohl unerwartetsten Beispiele wäre ein optimiertes Bewässerungssystem auf Basis der für die Hochenergiephysik entwickelten Technologien. Ein solches Bewässerungssystem verwendet faseroptische Sensoren zur Messung von Parametern wie Temperatur, Feuchtigkeit, Konzentration von Pestiziden, Düngemitteln und Enzymen im Boden von Anbauflächen. Das System wird zum Aufbau einer nachhaltigeren Landwirtschaft beitragen, da es Wassereinsparungen, höhere Ernteerträge und einen geringeren Einsatz von Pestiziden und Düngemitteln ermöglicht. Wie viele Menschen könnten davon profitieren? Das Schlüsselelement des Systems – Faserfeuchtesensoren – basieren auf denen, die für das CMS (Compact Muon Solenoid) Experiment am CERN Large Hadron Collider im Jahr 2014 entwickelt wurden.

SLS

Die Schweizer Lichtquellenanlage des PSI

Es gibt hunderte von Beispielen dafür, wie Teilchenbeschleuniger oder verwandte Technologien Produkte verbessert, den medizinischen Fortschritt unterstützt und die nationale Sicherheit und die Bewahrung des kulturelle Erbes gefördert haben. Ganz zu schweigen von dem herausragenden wissenschaftlichen Sprung, zu dem sie beigetragen haben. Die Beschleunigertechnologie ist in vielen Bereichen ein echter Innovationsmotor. Was viele nicht wissen: Trotz ihrer Komplexität und bis zu einem gewissen Grad ihrer Exklusivität ist uns die Welt der Beschleuniger-Technologien viel näher, als wir uns vorstellen können.


Quellen


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