(M)ein Großprojekt geht weiter: JCNS-ScienceCase-Workshop definiert wissenschaftliche Fragestellungen

by  | 26. Juni 2017

„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).

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Kann ich mal kurz deinen Teilchenbeschleuniger benutzen?

by  | 29. Mai 2017

… ist zwar nicht so ganz einfach gefragt, wie ich es hier darstelle, aber allein die Tatsache, dass sowas möglich ist, spricht schon sehr deutlich für das Forschungszentrum und die damit verbundene hervorragende Forschungsinfrastruktur. Ganz konkret wollen wir im JCNS ja eine moderne, hoch brillante Neutronenquelle bauen, die die aktuelle Generation der Forschungsreaktoren ersetzen kann (wie ich ja schon mal öfter hier beschrieben habe). Aber um die einzelnen Komponenten zu testen und zu entwickeln, brauchen wir einen Teilchenbeschleuniger und leider haben wir (noch) keinen eigenen. Doch zum Glück gibt es ja (unter anderem) auf dem Gelände die Kollegen vom IKP, dem Institut für Kernphysik, und die haben den COSY und das Zyklotron “Julic”, das den COSY mit Protonen und Deuteronen versorgt, den ich mir mal kurz ausleihen könnte.

Dabei heißt “Ausleihen” bei einem sauteuren Großgerät, das aus Steuergeldern bezahlt wird und von einem Experten-Team betrieben werden muss, natürlich eines … Proposal schreiben.

Das geht nun folgendermaßen: Zu bestimmten Zeitpunkten kann man sich für Strahlzeit bewerben und einen Vorschlag machen, welche wissenschaftliche Fragestellung man untersuchen will. Dies stellt man dann auf mehreren A4 Seiten möglichst genau dar und beschreibt auch den Experimentaufbau, welche Unterstützung (und welches Material) man von dem IKP benötigt und welche Erfahrungen und Vorarbeiten man bislang schon gemacht hat (denn die Betreiben haben natürlich dafür Sorge zu tragen, dass auch nur machbare und erfolgversprechende Experimente angenommen werden und in den Genuss kostbarer Strahlzeit kommen).

Dann setzt sich eine Expertenkommission aus unabhängigen Wissenschaftlern zusammen und bewertet die vorgeschlagenen und eingereichten Experimente nach Machbarkeit, wissenschaftlichem Nutzen, Risiko etc. pp.. Falls es nun mehr Proposals als Strahlzeit (in der entsprechenden Zeitperiode) gibt (was eigentlich immer der Fall ist), dann wird ein Ranking vorgenommen und manche Proposals werden akzeptiert und andere abgelehnt. Soweit so normal und so (oder so ähnlich) läuft das ganze auch bei anderen Großprojekten ab, wie bei den Supercomputern oder unseren Neutronenstreuinstrumenten am MLZ, ILL und der SNS.

Die Neuerung für mich ist nun, dass bei der entsprechend genehmigten Strahlzeit der gesamte Beschleuniger nur für ein einziges Experiment arbeitet. Während bei uns der Forschungsreaktor einfach während eines Zyklus 24/7 läuft und 30 (je nach Quelle) Instrumente mit den entsprechenden Teilchen versorgt, läuft hier das ganze Ding nur für mich (oder meinen Kollegen *g*) und dementsprechend hoch ist auch die Verantwortung mit der Strahlzeit sinnvoll umzugehen.

Der Betrieb solcher Großgeräte (Teilchenbeschleuniger, Neutronenquellen oder auch Teleskope) ist eine fundamentale Aufgabe der deutschen Forschungszentren und -organisationen, wie zum Beispiel den Max-Planck oder Fraunhofer Instituten oder eben auch den Helmholtz Zentren und damit dem Forschungszentrum Jülich. Denn für den Betrieb braucht es nicht nur die extrem teuren Geräte selber und Expertenteams, die sie bedienen können, sondern eben auch die entsprechende Infrastruktur wie Werkstätten, Gas/Luft-Rückverflüssiger etc. pp. und das ist viel zu viel Aufwand für eine Universität (wo in Deutschland ja der Großteil der Forschung stattfindet), um diese Größe an Logistik bereitzustellen.

2006 wurde in Jülich der Forschungsreaktor FRJ-2 “DIDO” abgeschaltet und rückgebaut, der bis dahin als Neutronenquelle für die Festkörperphysiker, Biologen und Chemiker Neutronen zur Verfügung gestellt hat. Dadurch hatte Jülich ein Großgerät weniger, das es der Forschungslandschaft zur Verfügung stellen konnte. Aber zum Glück ist eines dieser Großgeräte, die noch da sind, der Teilchenbeschleuniger “Julic” bzw. COSY und wenn meine Kollegen und ich unseren Job richtig machen, dann haben wir hoffentlich auch bald wieder ein neues Großgerät hier in Jülich, unsere geliebte HBS-Neutronenquelle.

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Hobbyfilm mit Neutronen

by  | 8. Mai 2017

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.

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Was ist die JCANS und brauchen wir eine europäische Version davon?

by  | 24. April 2017

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.

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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.

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Neutron Sauce in China – Besuch am CARR-Forschungsreaktor

by  | 29. März 2017


Der CARR-Forschungsreaktor in Peking

... und Maunzen vor dem Mausoleum.

… und Maunzen vor dem Mausoleum.

“China will die Atomkraft als neue grüne Energiequelle massiv ausbauen, um auf Kohle verzichten und gleichzeitig den extrem steigenden Energiebedarf des Landes decken zu können” ist eine der Hauptaussagen, die man so hört, wenn es um das Reich der Mitte und die Zukunft der Kerntechnik geht. Ich habe auch weiterhin nichts mit Kernenergie zu tun, bin dafür aber vor kurzem in China gewesen und habe den Forschungsreaktor CARR (Chinese Advanced Research Reactor) in Peking besuchen dürfen, der keinen Strom produziert, sondern als Neutronenquelle für Streuexperimente dient und hoffentlich bald seinen regulären Dienst aufnehmen kann.

Dabei war eine der ersten Aussagen beim Abendessen mit dem wissenschaftlichen Leiter in familiärer Atmosphäre: “Der Hauptgrund, warum der Forschungsreaktor bisher nur im Testbetrieb gelaufen ist, liegt hauptsächlich an der drastischen Verschärfung der Sicherheitsanforderungen nach der Katastrophe von Fukushima. Danach wurde die Leitung des Reaktors von der Atomenergiebehörde zur Umweltbehörde transferiert, die eine komplette Überprüfung und Verschärfung der Strahlenschutzanforderungen angesetzt hat, die es bis zum heutigen Tage nicht möglich macht in den Dauerbetrieb über zu gehen.”

Das war auf jeden Fall keine Aussage, die man als Mitteleuropäer erwartet hätte, wenn einem noch das chinesische Image von „Fortschritt um jeden Preis“ im Kopf herumspukt. Aber offenbar sind die Chinesen ernsthaft bereit, aus unseren Fehlern der 70er-Jahre zu lernen und eben nicht mal auf Teufel komm raus eine Anlage nach der anderen in Betrieb zu nehmen.

In Ermangelung von schönen Bildern des Reaktors hier ein Suchbild, auf dem eine Mauer und eine Katze versteckt sind.

In Ermangelung von schönen Bildern aus dem Inneren des Reaktors hier ein Suchbild, auf dem eine Mauer und eine Katze versteckt sind.

Beim Besuch des Reaktors selber haben wir dann unsere ehemaligen Instrumente besichtigt, die Jülich nach der Schließung des Forschungsreaktors DIDO vor 10 Jahren nach Peking (eben an den CARR-Reaktor) gegeben hat, damit sie dort weiter benutzt werden können und der Forschung weiterhin zur Verfügung stehen (anstatt bei uns im Keller einfach nur Staub anzusetzen). Die Instrumente, die damals nach China gegangen sind, waren unter anderem ein thermischer Dreiachser und ein Pulverdiffraktometer, kurz Standardinstrumente der Neutronenstreuung, über die ich vielleicht in Zukunft hier noch mal genauer berichten kann.

Es dauert generell ca. zwei Jahre, bis ein Neutroneninstrument vernünftig aufgebaut, in Betrieb genommen und kalibriert worden ist. Diese Zeit verlängert sich deutlich, je weniger Neutronen zur Verfügung stehen, mit denen man die Kalibrierung betrieben kann. Trotz des notorischen Neutronenmangels (letztes Jahr waren es insgesamt nur 40 Betriebsstunden) sind allerdings fast alle Geräte einsatzbereit und teilweise sind sogar schon Publikationen über die ersten Tests bei Inbetriebnahme geschrieben worden… mein Respekt an dieser Stelle. Die chinesische Neutronencommunity wächst auch gerade kräftig und knapp über hundert Wissenschaftler (vorwiegend aus der Festkörperphysik, Chemie und Biologie) stehen in den Startlöchern, um die chinesischen Neutronenquellen (den eben beschrieben CARR-Forschungsreaktor und die neue Spallationsquelle nahe Shanghai) als User zu nutzen, sobald diese die Türen für den regulären Betrieb öffnen. Teil des damaligen Deals mit unseren alten Instrumenten war auch, dass wir eine gewissen Dauer an fester Messzeit an diesen Instrumenten bekommen, sobald diese ihren Betrieb aufnehmen, so dass sich nicht nur die Chinesen auf die Inbetriebnahme freuen dürfen.

Neben Peking waren wir auch noch in Xian (in Zentralchina), wo in naher Zukunft eine kleine Neutronenquelle auf Beschleunigerbasis nach Vorbild der RIKEN-Quelle aus Japan (also 15 Meter lang und nur 2 Meter breit) gebaut werden soll. Diese kleinen kompakten Quellen – die wir ja auch hier in Jülich bauen wolen – sind ja mein eigentliches Forschungsgebiet, aber darüber werdeich wohl auch noch mal in einem eigenständigen Artikel berichten müssen.

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