„Wenn später mal viele neue Neutronenquellen auf Basis des HBS-Prinzips ihren Dienst in Europa aufgenommen haben, möchte ich, dass man sich an Unkel erinnert und sagt: ‚Hier hat alles angefangen.’…“

Damit eröffnete Prof. Brückel den ScienceCase Workshop in Unkel bei Bonn am Rhein und macht damit auch direkt den dritten Schritt um diese selbstgemachte Prophezeiung wahr werden zu lassen. Die ersten beiden Schritte wurden jeweils im Herbst 2016 und 2015 getan, als wir uns zum ersten Mal in dem malerischen Hotel am Fuße des Drachenfelses getroffen haben, um einen Vorschlag für die neue Art effektiver und günstiger Neutronenquellen zu machen (wie ich hier bereits berichtet habe).

Nun sind wir nach den ersten vorsichtigen Schritten auf totalem Neuland und den ganzen damit verbundenen Arbeiten, Experimenten und Simulationen an dem Punkt angekommen, an dem wir uns an die Geldgeber und Projektträger dort draußen richten um unseren Traum von Neutronenquellen für Jedermann wahr werden zu lassen. Dazu braucht es dann natürlich auch eine möglichst klar definierte Fragestellung von den besten Wissenschaftlern, die aktuell auf diesem Gebiet unterwegs sind, also einen ScienceCase.

Um genau diesen zu definieren hat das Jülich Center for Neutron Science Repräsentanten aus den Gebieten der Chemie, Festkörperphysik, Materialwissenschaften und LifeScience nach Unkel geladen, um dort zusammen zu erarbeiten, was die hochbrillanten Neutronenquellen leisten können und wie sie in Zukunft dazu beitragen können, die aktuellen Fragen der Wissenschaft anzugehen. Energie, biologische Proben und auch so exotische Sachen, wie Kunst & Kulturgegenstände stehen bei den Wissenschaftler extrem hoch im Kurs und warten nur darauf, mit den richtigen Neutroneninstrumenten im Detail studiert zu werden.

Schließlich waren wir es, die Teilnehmer des HBS-Projektes selber, die den Enthusiasmus der Wissenschaftler bremsen mussten. Ja, natürlich wollen wir so schnell wie möglich loslegen und die nächsten Neutronenquellen in Betrieb nehmen, natürlich wollen wir Instrumente bauen, die es in der Form bislang noch nicht gegeben hat… ABER selbst im optimistischsten Fall, wenn alles klappt, wenn die Finanzierung bewilligt wird, wird es immer noch Jahre dauern, bis die erste Probe eines Users im regulären Betrieb Neutronen sehen wird.
Aber natürlich arbeiten wir daran und können es selber gar nicht erwarten, den nächsten Schritt zu gehen… und dann den nächsten (von dem ich hier natürlich berichten werde), bis wir am Ende in Jülich wieder Neutronen für die Forschung haben werden.

“Wie sieht denn nun genau der Zeitplan aus?” ist nicht nur eine Frage, die wir von den potentiellen Usern am Wochenende oft gestellt bekommen haben, sondern auch dem ein oder anderen Leser wird sie auf der Zunge liegen. Nun ja, leider ist meine Antwort darauf hochgradig spekulativ. In der deutschen Neutronenstrategie wurde die Inbetriebnahme einer großen hochbrillianten Neutronenquelle in Jülich für das Jahr 2030 geplant und auf dem Weg dorthin wollen wir nach Möglichkeit einen Prototypen bauen, der nicht nur als Musterbeispiel für kleine “Universitätsquellen” dienen kann und zur Entwicklung und Erprobung der hochbrillianten Technik gebraucht wird, sondern auch schon in der Lage ist, selber einen Beitrag zu aktuellen wissenschaftlichen Fragestellungen zu liefern.

Ich halte euch hier auf jeden Fall auf dem laufenden und werde die aktuellsten Informationen mit euch teilen, schneller als jede Pressemitteilung. Ohne jetzt die Haut des Wildschweins zu verkaufen, bevor man es erlegt hat, könnte es zumindest in Teilen schon Mitte diesen Monats soweit sein, je nachdem, wie eine gewisse politische Entscheidung ausgeht, auf die wir hier aktuell (nebenbei) warten).

Letztens (hust hust) gab es hier in Jülich den Tag der Neugier. Das ist in etwa sowas wie ein Tag der offenen Tür und weil ich keine Neutronenquellen, Teilchenbeschleuniger oder Minireaktoren zeigen kann (oder darf) habe ich einen kleinen Film darüber gemacht und ihn in unserem kleinen Neutronenkino immer abwechselnd mit den anderen Filmen des Jülich Centre for Neutron Science und Patrick Stewart laufen lassen. Da dieser nun einmal in der Welt ist möchte ich ihn euch natürlich nicht vorenthalten und habe den lieben Thomas Michalski, der beim Filmen hinter der Kamera stand und nachher hinter dem Rechner saß, gebeten das gute Ding bei YouTube hochzuladen.

An Skurrilität kommt er natürlich nicht an den CERN-Rap heran aber unterm Strich ist es auch etwas, dass ein armer, kleiner, überarbeiteter Doktorand zusammen gezimmert hat, als er ein bisschen Ablenkung brauchte und sich nicht nach draußen getraut hat um mit den anderen Kindern zu spielen. Im Allgemeinen erkläre ich mein Projekt und meinen Traum von einer neuen Art hochbrillianter Neutronenquellen, wie ich dies schon mal des öfteren hier auf SB getan habe. Aber im Film gibt es dazu auch noch ein paar Bilder und selbstgemachte “Animationen”.

Wenn ihr also wissen wollt, was ich mit Neutronen so mache und 10 Minuten Zeit habt, seid ihr natürlich herzlich eingeladen meinen Hobbyfilm anzugucken, zu teilen und alles andere damit zu machen für das YouTube ja so berüchtigt ist.

Dabei gebührt mein Dank natürlich vor allem dem guten Thomas Michalski, seines Zeichens Schriftsteller, Layouter und vieles mehr, der darüber hinaus auch noch mein Freund ist und dessen Fähigkeiten und Enthusiasmus ich es zu verdanken habe, dass wir “mal eben” sowas machen können. Wenn ihr Zeit habt könnt ihr auch mal gerne auf seiner Seite oder seinem YouTube Channel (auf dem das Video läuft) herumstöbern. Soweit ich weiß gibt es da auch noch Filme mit mir als halbnackten Barbaren in Eifelarea… was dann an Skurrilität doch wieder in die Liga des CERN-Rap vorstößt *g*

Disclaimer 1: Der ganze Inhalt ist selbstverständlich meine Privatmeinung und auch wenn mein Chef natürlich weiß, was ich so tue, repräsentiert der Inhalt nicht die Meinung meines Institutes, einer Abteilung davon… oder so.

Disclaimer 2: Da wir das ganze mehr oder weniger in einem Rutsch aufgenommen haben, es kein wirkliches Skript gab und wir quasi nichts geschnitten haben, schlichen sich einige kleinere Fehler ein.

  • Der Teilchenbeschleinunger des Cern ist zwar immer noch der größte und stärkste lineare Protonenbeschleuniger der Welt, aber “nur” knapp 700 Meter lang.
  • An der ESS wird es in der ersten Ausbauphase 22 Instrumente geben und nicht 19, wie ich in dem Film behaupte.

PS: Auch wenn aktuell kein weiterer Film geplant ist freue ich mich natürlich sehr über konstruktive Kritik und Vorschläge, was wir beim nächsten Mal besser machen können.

Die JCANS (Japan Collaboration of Accelerator driven Neutron sources) ist ein Netzwerk von größeren und kleineren japanischen Neutronenquellen, die sich zum Zwecke der Zusammenarbeit und des gegenseitigen Austausches zusammen getan haben. Das ist jetzt auch erst mal nichts Besonderes, denn mit der KFN (dem Komitee zur Forschung mit Neutronen) gibt es in Deutschland etwas recht ähnliches, aber schon auf den zweiten Blick bemerkt man eine ganze Menge signifikante Unterschiede.

Zuerst einmal ist die JCANS auf beschleunigerbasierte Quellen (derzeit 9 Stück) und industrielle Partner beschränkt und fokussiert sich daher mehr auf die Quellen und deren Bedürfnisse im Gegensatz zu der Wissenschaft, die damit “produziert” wird, so wie es die KFN tut.

Zweitens – und das ist meiner Meinung nach noch wesentlich wichtiger – kommen die Mitglieder von einer sehr großen Bandbreite an Quellen. Von Quellen, die seit den 70gern in Betrieb sind, bis zu brandneuen, die 2018 an den Start gehen wollen. Von kleinen Quellen ohne größeres Budget mit gerade einmal 3 Mitarbeitern bis zu multinationalen Firmen wie Toyota Motor Corporation. Von Grundlagenforschung in der Astrophysik oder dem Standardmodell bis zu Stresstests in tiefgezogenem Metall in der Automobilindustrie. Diese große Bandbreite an verschiedenen Erfahrungen und Expertisen hilft ihnen extrem auf das gemeinsame Ziel hin zu arbeiten, der möglichst effektiven Nutzung von Neutronen als mikroskopische Untersuchungsmethode.

Gleichzeitig ist die JCANS natürlich in die internationale WIssenschaftslandschaft integriert. Hauptsächlich auf der Seite der UCANS (Union for Compact Accelerator driven Neutron Sources), da alle Mitglieder der JCANS – mit Ausnahme der J-Parc Spallationsquelle natürlich – eben kompakte Neutronenquellen sind, die sowieso mit der UCANS zusammenarbeiten würden.

Was hat das nun mit der deutschen Situation zu tun? In Deutschland sind alle Neutronenquellen (mit Ausnahme von FRANZ) Forschungsreaktoren (und keine Teilchenbeschleuniger) und werden in naher Zukunft abgeschaltet, wie ich ja vorher schon einmal berichtet hatte. Wir wollen nun diese Forschungsreaktoren mit Quellen auf der Basis von Teilchenbeschleunigern ersetzen (wie z.B. die HBS) und gleichzeitig noch kleinere Quellen bauen, die sogar in Universitäten Verwendung finden können. Das MLZ in Garching und der FRM II wird natürlich die große nationale Quelle in Deutschland bleiben, aber darüber hinaus gibt es ausreichend Bedarf und Nachfrage.

Also wenn wir nun diese Art Quellen in Europa etablieren wollen, dann sollten wir auch direkt von den Japanern lernen und von Anbeginn an eine europäische Version der JCANS auf die Beine stellen. Als Fundament können wir die Neutronenstreuer-Community benutzen, die schon lange über ein gutes Netzwerk zwischen den ganzen verschiedenen Naturwissenschaften (Physik, Biologie, Chemie, Kristallographie etc.) verfügt und dann weitere Wissenschaftler einladen, die mit Neutronen arbeiten. Derzeit treffen sich des öfteren einige europäische Partner in Unkel, in der Nähe von Bonn, um ein gemeinsames Konzept für hochbrillante Neutronenquellen zu entwickeln. Die könnten komplett übernommen werden und das Ergebnis würde in etwa wie in dieser Skizze aussehen.

eUCANS_OU

Da jetzt die JCANS eine nationale Kollaboration ist, könnte man auch darüber nachdenken, ob hier nicht auch ein nationaler Alleingang möglich wäre. Ich halte das aber für eine schlechte Idee: Erstens, weil es in den entsprechenden Ländern einfach nicht genug Neutronenquellen gibt und zweitens – meiner Meinung nach wesentlich wichtiger – sollten wir nach mehr Europa und mehr Zusammenarbeit (nicht nur in den Wissenschaften) streben, statt jeden für sich selber kämpfen zu lassen. Ich hoffe sehr, dass wir während dieses Entwicklungsprozesses uns eine Scheibe von dem abschneiden können, was die Japaner mit der JCANS sehr erfolgreich vorgemacht haben.

Ich habe ja schon einmal geschrieben, wie ein (mein) neues physikalisches Großprojekt entsteht… mit einer Idee und einer Konferenz. Direkt danach kommen dann auch schon die ersten Schritte, sprich eine Machbarkeitsstudie, um zu demonstrieren, dass wir die Techniken beherrschen und die ganze Methode… naja, eben machbar ist.

Das geschieht heutzutage (obwohl ich dieses Wort eigentlich sehr hasse) mit Simulationen am Computer. In unserem Fall sind das sog. Monte-Carlo-Simulationen, bei denen für eine bestimmte Anzahl an Teilchen ein (wahrscheinlichkeitsabhängiger) Weg berechnet wird. Das heißt, ein Proton trifft auf unser simuliertes Be-Target, bleibt da stecken und macht nichts weiter. Ein weiteres Proton trifft auf das Be-Target und schlägt dort ein Neutron raus. Dieses Neutron kollidiert mit 5 weiteren Be-, 100 D- und 20 H-Atomen, verliert dadurch Energie und landet schließlich in unserem (ebenfalls simulierten) Detektor. Dies wird mit zigtausenden Teilchen wiederholt und benötigt dann auch ab einem bestimmten Zeitpunkt schon einen Großrechner, um die Rechenkapazität bereitzustellen. Aber kann man diesen Simulationen vertrauen? Naja, nur bis zu einem gewissen Punkt. Danach muss man eben nachmessen, ob das auch so alles stimmt und die Sache experimentell überprüfen.

Werkstatt

Ein großer Teil der Werkstatt. Wie man sieht (gelbes shirt) falle ich mal wieder unangenehm auf, bin aber glücklich.

Mein Gebiet ist die thermische und kalte Neutronenmoderation und dafür haben wir einen ersten Prototypen gebaut. Mit “wir” meine ich dabei die Mädels und Jungs aus der JCNS- Werkstatt (PGI-JCNS-TA), denn die haben kiloweise Aluminium (neutronenharte Legierung) geschweißt, gedreht, gefräst und gebohrt und mich dabei beraten, was fertigungstechnisch überhaupt möglich ist und mir auf dem Weg eine Menge Flausen ausgetrieben, wenn mir wieder irgendwelche Ideen im Kopf herumschwirren, die zwar im 3D-Programm gut aussehen, aber gar nicht vernünftig umsetzbar sind. Dabei habe ich extrem von der Erfahrung der Kollegen profitiert. Denn wenn ich jetzt wirklich ehrlich bin, dann bin ich ja erst seit ca. 3-4 Jahren im Gebiet der Neutronenstrahlung unterwegs, während in der Werkstatt viele Leute sitzen, die zu Hochzeiten des DIDO-Reaktors FRJ-2 viele Arbeiten daran betreut hatten und dieses erlernte Wissen natürlich auch an die Lehrlinge der nächsten Generation weiter gegeben haben.

Eine der wichtigsten Kompetenzen (für mich) ist dabei die Bearbeitung von Aluminium. Al ist für Neutronen nahezu unsichtbar, aber trotzdem verhältnismäßig leicht zu bearbeiten, so dass in der Regel alle unsere Werkstoffe aus Aluminium gefertigt werden (falls es möglich ist). “Verhältnismäßig leicht zu bearbeiten“ gilt hier aber auch erst mal nur für das Drehen und Fräsen, falls die entsprechenden Materialstärken möglich sind. Denn obwohl Aluminium zwar “unsichtbar” für Neutronen ist, hat es doch Auswirkungen und eine messbare Aktivierung im Neutronenstrahl. Das heißt, wir wollen auch unsere Strukturmaterialien so dünn wie möglich haben und trotzdem müssen sie Temperaturen von 300 bis 4K (bei meiner Anwendung) und Druckunterschiede von mehreren Bar aushalten. Die eierlegende Wollmilchsau halt. Zeitgleich ist reines Aluminium sehr weich und kaum als Strukturmaterial zu gebrauchen, so dass in der Regel mit Legierungen gearbeitet werden muss, die allerdings natürlich auch wieder kein Kobalt oder andere Zusätze enthalten dürfen, die für Probleme im Neutronenstrahl sorgen. Tja.

Als ob das alles nicht schon genug wäre, müssen dann auch oft Teile geschweißt werden… und dann wird es richtig kompliziert. Motiviert von verschiedenen Leichtbauweisen (vor allem im Flugzeugbau) hat es da in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte gegeben, aber “mal eben schnell gemacht” ist es auch nicht und ein erfahrener Schweißer ist Gold wert.

NorbertBernard

Norbert Bernard bei Feldversuchen zum Schweißen des Wasserstoffbehälters für unseren kalten Finger.

Diesen hat die JCSN-Werkstatt (PGI-JCNS-TA) in Norbert Bernard gefunden, der nicht nur die ganzen verschiedenen Schweißtechniken mit extrem viel Erfahrung beherrscht (deren genaue Wiedergabe ich mir aufgrund fehlender Fachkompetenz nicht zutraue), sondern auch eigenständig Verfahren wie eine Dichtigkeitsprüfung mit UV-lumineszentem Kontrastmittel eingeführt hat. Hier ist er gerade dabei, das Herzstück des kalten Finger Prototypen zu schweißen, mit dem ich dann zwei Monate später in Dresden zum ersten Mal kalte Neutronen produziert habe.

Aber das Schweißen steht natürlich nur stellvertretend für die ganzen anderen Werkstücke und Handwerksdisziplinen, die in die Fertigung des Prototypen eingehen und für deren Anfertigung und kompetente Hilfe ich mich an dieser Stelle bei der Werkstatt-Crew von Jens Schnitzler ganz herzlich bedanken möchte. Dieses Bild ist spontan vor meiner Abreise zur Messzeit nach Dresden entstanden, weshalb nicht alle anwesend sind, die bei den ersten Schritten der HBS mitgewirkt haben (und weshalb nicht jeder das Werkstück in der Hand hält, das von ihm angefertigt wurde). Aber es wird sicher noch weitere Fotos geben, auf denen dann die Leute auch mit drauf sind, die es nicht auf dieses Bild geschafft haben.

Mein Traum ist es, dass im Jahre 2030, wenn die ersten Neutronen an der neuen Jülicher Neutronenquelle produziert werden, bei der Eröffnungszeremonie diese Bilder gezeigt werden und dann darunter steht: “HBS-Jülich, so hat damals alles angefangen.”

Abends um 19:00 am 27. April waren sich alle Beteiligten sicher: “Wir haben zum ersten mal am AKR-2, dem Ausbildungskernreaktor der TU Dresden, kalte Neutronen für wissenschaftliche Untersuchungen erzeugt.”

Dies gelang mit dem neu entwickelten, kalten Finger des Forschungszentrums Jülich. Der sog. kalte Finger ist ein wichtiger Bestandteil einer neuen Generation von Neutronenquellen, die in Zukunft (nach Hoffnung der beteiligten Wissenschaftler) Forschungsreaktoren ersetzen und Neutronenquellen auch für Universitäten und kleinere Einrichtungen ermöglichen soll.

Bei dem Experiment wurden schnelle Neutronen aus dem AKR-2 Reaktor zuerst durch Schwerwasser (D2O) bei Raumtemperatur und dann durch kryogene, wasserstoffhaltige Materialien (in diesem Fall Mesitylene (C9H12)) auf die Temperatur von flüssigen Stickstoff verlangsamt (moderiert) und in einer extra für diesen Zweck aufgebauten Teststrecke gemessen.

Damit ist die TU Dresden nach der TU München die zweite deutsche Universität, die über die Möglichkeit verfügt kalte Neutronen zu erzeugen (Mainz hat nur Ultrakalte *g*). Ob diese in zukünftigen Experimenten auch für aktuelle Fragestellungen der Festkörperphysik genutzt werden können, wie dies in München am Forschungsreaktor des MLZ der Fall ist, werden weiterführende Experimente in naher Zukunft zeigen.

 

Die mobile TOF Flugstrecke am AKR-2 Reaktor

Die mobile TOF Flugstrecke am AKR-2 Reaktor

Die Zukunft für Wissenschaftlerinnen, die in Europa Neutronenstreuung benutzen, um tief in Materialien hinein zu gucken, ist gleichzeitig sehr hell und ziemlich duster. Sehr hell auf der einen Seite, weil derzeit die ESS, die Europäische Spallations-Quelle, in Lund (Schweden) gebaut wird. Die Quelle wird mit ihrer Brillianz in Größenordnungen vorstoßen, die vorher nicht erreichbar waren und (so zumindest die Hoffnung der Beteiligten) neue Phänomene sichtbar machen, die vorher nicht beobachtet werden konnten (und damit eine völlig neue Physik entdecken).

Allerdings hat die ESS (je nach Planungsstand) nur ca. 20 Instrumente, so dass lediglich eine sehr begrenzte Anzahl an Wissenschaftlerinnen überhaupt in den Genuß kommen werden, dort messen zu dürfen. Alle anderen Experimente, die nicht zu den besten und/oder vielversprechendsten ihrer Generation gehören, werden an anderen, kleineren Quellen durchgeführt werden müssen und diese Art von Neutronenquellen stirbt zur Zeit leider aus.

Dies ist dann auch direkt der Grund, warum es in Europa gleichzeitig oben hell ist und unten ziemlich duster wird. Diese Mittelflussquellen, die in Zukunft genutzt werden würden, um normale Experimente zu machen, simple Kapazität bereit zu stellen, Instrumente zu entwickeln und Nachwuchswissenschaftlerinnen auszubilden, werden nach und nach abgeschaltet, ohne dass derzeit konkrete Pläne sichtbar sind, sie durch neue zu ersetzen.

Dies liegt vor allem daran, dass die ganzen alten Quellen Forschungsreaktoren sind bzw. waren. Diese Forschungsreaktoren sind zwar nicht ganz so problematisch wie Kernkraftwerke, aber dennoch ist ihr Betrieb mit einer ganzen Menge Problemen behaftet. Eines der deutlichsten Probleme (zumindest für den Standort Deutschland) ist die Schwierigkeit, dass die Kosten ohne eine deutliche Unterstützung der Kernenergie-Infrastruktur deutlich steigen und somit für die Forschung zunehmend unrentabler werden. Daher hat (obwohl sie inhaltlich nur recht wenig miteinander zu tun haben) der Atomausstieg auch das Ende der Forschungsreaktoren in Deutschland besiegelt.

pyramide_mittel

Jacob Müller, nach einer Idee von Tobias Cronert

In dieser Zeichnung hat der talentierte Jacob Müller dies einmal in einem kleinen Bild verdeutlicht. Die Neutronenlandschaft ist aufgebaut wie eine Pyramide. Oben wird gerade an dem Leuchtturm, der ESS, gebaut, die die leuchtende Zukunft der Community symbolisiert. Diese steht auf den Schultern des ILL-Grenoble (der derzeit leistungsfähigsten Quelle), die sich wiederum auf eine User-Community aus den lokalen nationalen Neutronenquellen stützen kann. Wenn man aber nun nach links unten blickt, dann sieht man schon den DIDO-Reaktor des Forschungszentrums Jülich im Sand liegen, der 2006 abgeschaltet worden ist. Dies ist dann auch die Hauptgefahr, der sich die Neutronen-Community gegenübersieht. Denn auch wenn die Pyramide ohne den FRJ-2 noch tragfähig ist, so fehlt er sicherlich im Fundament einer solide aufgestellten Konstruktion. Außerdem sieht man schon die nächsten Steine bröckeln, denn der Orphée-Reaktor in Paris wird 2019 abgeschaltet und das Ende des BER II in Berlin folgt ein Jahr später 2020.

Die Schieflage der Pyramide wird letztendlich ein Mangel an Kapazität und Nachwuchswissenschaftlerinnen sein. Denn so toll die ESS auch ist, wird sie auf lange Zeit ihr volles Potential nur entfalten können, wenn sie von einer breiten Masse an Neutroneninfrastruktur getragen wird.

Das war das Problem und nun kommt unser Lösungsvorschlag:

Der Wegfall der Mittelflussquellen kann durch ein Netzwerk an lokalen, hochbrillianten Neutronenquellen auf der Basis von Teichenbeschleunigern kompensiert werden. Diese HBS (Hoch brilliante Neutronenquelle) kann durch Effizienzoptimierung an die Leistungsfähigkeit eines Forschungsreaktors heranreichen und kommt dabei vollkommen ohne spaltbares Material aus.

Darüber hinaus kann man dieses Prinzip auch noch weiter verkleinern und eine Neutronenquelle entwickeln, die nur noch so groß ist, dass sie von Universitäten angeschafft und betrieben werden kann. Somit wäre eine Spitzentechnologie, die bislang nur an wenigen Großgeräten zur Verfügung stand, so “salonfähig”, dass sich eine noch breitere Basis entwickeln würde.

Um bei dem Bild der Neutronenlandschaft zu bleiben, würde ich dann eben nicht mehr von einer Pyramide sprechen wollen, sondern von einem Eisberg, der um so weiter aus dem Wasser hinausragt, je größer seine Basis ist.