Auch Gottesteilchen brauchen Ersatzteile

Heraeus liefert wichtige Ersatzteile für größten Teilchen-beschleuniger der Welt in Genf und einen Beitrag zur Entdeckung der Higgs-Teilchen

Joachim-Franz Schmidt, Fertigungsleiter Walzwerk bei Heraeus in Hanau, mit dem Bauteil eines walzplattierten Bandes von Heraeus (rechts) und dem Beschleunigungsrohr für den Large Hadron Collider. Der speziell hergestellte Sonderstahl für die Bänder wurde von Heraeus mit einer hauchdünnen Kupferschicht von nur wenigen Mikrometern Dicke plattiert und gleichzeitig mit einem Sägezahn-Spezialprofil versehen. Die Sägezähne dienen der Reflexion der bei den späteren Experimenten aus der Teilchenkollision freigesetzten Strahlung. (Foto: Heraeus)

Joachim-Franz Schmidt, Fertigungsleiter Walzwerk bei Heraeus in Hanau, mit dem Bauteil eines walzplattierten Bandes von Heraeus (rechts) und dem Beschleunigungsrohr für den Large Hadron Collider. Der speziell hergestellte Sonderstahl für die Bänder wurde von Heraeus mit einer hauchdünnen Kupferschicht von nur wenigen Mikrometern Dicke plattiert und gleichzeitig mit einem Sägezahn-Spezialprofil versehen. Die Sägezähne dienen der Reflexion der bei den späteren Experimenten aus der Teilchenkollision freigesetzten Strahlung. (Foto: Heraeus)

Das Kernforschungszentrum CERN (Centre Européen du Recherche Nucléaire) in der Schweiz führt physikalische Grundlagenforschung durch. Eine wichtige Anlage dafür ist der größte und schnellste Teilchenbeschleuniger der Welt (LHC, Large Hadron Collider), mit dem die Forscher unter anderem den Urknall simulieren. Jüngst sorgten dort Physiker mit ihren Experimenten für weltweites Aufsehen, da sie Beweise für die sogenannten „Gottesteilchen“ (Higgs-Teilchen) entdeckten. In Kollisionsexperimenten konnten die Forscher Spuren dieser Teilchen nachweisen. Higgs-Teilchen sind dafür verantwortlich, dass Materie Masse hat und dass es das Universum überhaupt gibt. Möglich gemacht hat diese bahnbrechende Entdeckung auch Hightech von Heraeus. Schon 2005, beim Bau des LHC, lieferten die Materialspezialisten von Heraeus rund 70 Tonnen speziell walzplattierte Bänder mit Sägezahnprofil. Diese verwendeten die Wissenschaftler für die Teilchenstrahlführung der nur wenige Zentimeter durchmessenden Beschleunigungsrohre (kleinster Durchmesser 45,4 Millimeter) des technisch anspruchsvollen Systems.

Die Entdeckung der „Gottesteilchen“ vor wenigen Tagen wäre aber fast an einem technischen Defekt gescheitert. 2008 sollte der Forschungsbetrieb am LHC starten, doch schon nach wenigen Tagen führte eine Beschädigung des Kühlsystems zu einem längeren Ausfall der hoch komplexen Anlage. Nach der mehrmonatigen Reparatur wurde allen Projektbeteiligten klar, das bei einem erneuten Ausfall die Anlage wohl noch länger still stehen würde – es waren nämlich keine weiteren Ersatzteile vorrätig. Deshalb erhielt Heraeus den Auftrag, gemeinsam mit anderen deutschen, österreichischen und britischen Firmen entsprechende Ersatzteile für die Beschleunigungsröhren zu fertigen.

Lieferzeit beträgt zwei Jahre

Das „LCH Beam Screen“ beinhaltet unter anderem die Profilteile (walzplattierte Bänder mit speziellem Sägezahnprofil) von Heraeus. Diese verwenden die Wissenschaftler im Large Hadron Collider für die Teilchenstrahlführung der nur wenige Zentimeter durchmessenden Beschleunigungsrohre (kleinster Durchmesser 45,4 Millimeter). (Foto: CERN)

Das „LCH Beam Screen“ beinhaltet unter anderem die Profilteile (walzplattierte Bänder mit speziellem Sägezahnprofil) von Heraeus. Diese verwenden die Wissenschaftler im Large Hadron Collider für die Teilchenstrahlführung der nur wenige Zentimeter durchmessenden Beschleunigungsrohre (kleinster Durchmesser 45,4 Millimeter). (Foto: CERN)

„Der gesamte Fertigungsprozess der Beschleunigungsröhren und der Ersatzteile ist sehr zeitintensiv und dauert zirka zwei Jahre. Allein die Herstellung des Sonderstahls bei einem externen Spezialisten benötigte knapp zehn Monate“, erläutert Joachim-Franz Schmidt, Fertigungsleiter Walzwerk bei Heraeus, die Anforderung. Die Produktionsphase bei Heraeus umfasste das Walzplattieren und hochgenaue Einbringen eines Sägezahnprofiles in die Bänder, was weitere vier Monate in Anspruch nahm. Ende 2011 konnte diese Phase abgeschlossen werden. Nun werden die Bänder nach speziellen Verarbeitungsschritten zu Rohren verarbeitet.

„Die Walzplattierung des Bandes ist nur eine der Besonderheiten, die die Fertigung bei Heraeus mit sich brachte“, beschreibt Schmidt. „Auch das Sägezahnprofil ist recht exotisch und lässt sich nicht auf jeder x-beliebigen Maschine herstellen.“ Er erklärt die Besonderheit: „Das Sägezahnprofil wird durch Rollen hergestellt. Zwar wäre es auch möglich, das Profil zu stanzen, aber das dafür benötigte Werkzeug wäre nicht nur sehr komplex im Aufbau, sondern auch sehr teuer. Die stattdessen eingesetzte Rolle hat eine vergleichsweise einfache Struktur, bei der es „nur“ darauf ankommt, das Profil hoch- und toleranzgenau zu schleifen, aber gerade die Fertigung sehr komplexer Strukturen und Formen ist Teil unserer täglichen Arbeit.“

Möglicherweise hat dieses Hightech-Material nun entscheidend dazu beigetragen, dass im LHC die letzten Geheimnisse von der Entstehung des Universums gelüftet wurden. Denn das nun entdeckte, nach dem schottischen Physiker Peter Higgs benannte „Gottesteilchen“, soll die Ursache dafür sein, dass es das Weltall überhaupt gibt.

Hintergrund: LHC – Arbeiten unter Extrembedingungen

Der Large Hadron Collider gilt als größte Maschine, die Menschen je geschaffen haben. Im 100 Meter unter der Erde und 27 Kilometer langen, ringförmig angeordneten LHC werden geladene Teilchen durch sehr starke elektrische Felder fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. (Foto/Grafik: CERN)

Der Large Hadron Collider gilt als größte Maschine, die Menschen je geschaffen haben. Im 100 Meter unter der Erde und 27 Kilometer langen, ringförmig angeordneten LHC werden geladene Teilchen durch sehr starke elektrische Felder fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. (Foto/Grafik: CERN)

Der Large Hadron Collider gilt als größte Maschine, die Menschen je geschaffen haben. Im 100 Meter unter der Erde und 27 Kilometer langen, ringförmig angeordneten LHC werden geladene Teilchen (Protonen und Ionen) durch sehr starke elektrische Felder fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht – mit der zehnfachen Energie bisheriger Anlagen. Dabei entstehen für kurze Momente Teilchen, wie sie auch am Beginn des Urknalls stehen könnten. Die beim Teilchenzerfall freigesetzte Strahlung kann mit hochempfindlichen Detektoren erfasst und ausgewertet werden. Um die Teilchen in den Beschleunigungsröhren in die richtige Spur zu lenken, werden sie im Vakuum bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von zahllosen supraleitenden Magneten gelenkt.

Die extremen Bedingungen stellen an die Materialien, die zur Herstellung der Röhren eingesetzt werden, besondere Anforderungen. Die walzplattierten Bänder müssen auch bei minus 270 °C – der Betriebstemperatur des LHC – ihre besonderen magnetischen Eigenschaften und mechanische Stabilität beibehalten. Der speziell hergestellte Sonderstahl wurde von Heraeus mit einer hauchdünnen Kupferschicht von nur wenigen Mikrometern Dicke plattiert und gleichzeitig mit Hilfe einer Profilanlage mit einem Sägezahn-Spezialprofil versehen. Die Sägezähne dienen der Reflexion der bei den späteren Experimenten aus der Teilchenkollision freigesetzten Strahlung. Jede Abweichung in der Sägezahngeometrie könnte den Reflexionswinkel verändern und damit zu fehlerhaften Messergebnissen führen.

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