• 20.04.2020
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Schweizer Forschungsinitiative CHART arbeitet an den Teilchenbeschleunigern der Zukunft

Das Design des Supermagneten

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CHART logo (Bild: CHART, Switzerland)

FCC – diese drei Buchstaben stehen für die Vision eines neuen Ringbeschleunigers, der am europäischen Teilchenphysiklabor CERN in Genf entstehen könnte. Mit Blick auf dieses Fernziel haben Schweizer Physikerinnen und Physiker vor fünf Jahren die Forschungsinitiative CHART gegründet. Jetzt liegt der Demonstrator eines leistungsstarken Magneten vor. Verlaufen die Tests erfolgreich, ist das ein erster Schritt auf dem Weg zu entscheidenden Verbesserungen der Infrastruktur für Grundlagenforschung, aber auch für Anwendungen wie z.B. innovative Geräte für medizinische Behandlungen.

Wer das Wort ‚Tesla‘ hört, denkt heute möglicherweise zuerst an einen US-amerikanischen Hersteller von Elektroautos. Elon Musk hat den Namen des Elektrotechnikers und Erfinders Nicola Tesla (1856 – 1943) für sein kommerzielles Unternehmen gekapert. Doch die Faszination des Namens reicht viel weiter zurück. Seit 1960 ist Tesla die offizielle Masseinheit für die magnetische Flussdichte. Das Magnetfeld der Erde beträgt winzige Bruchteile eines Tesla (ca. 50 Mikrotesla), ein Hufeisenmagnet ist rund ein Zehntel Tesla stark. In der Medizin kommen Tomographen mit einer Feldstärke von etwa einem Tesla zum Einsatz. Die Magnete, die am CERN die Protonen im LHC-Ringbeschleuniger auf der Bahn halten, generieren bis zu 8,4 Tesla, was einem gewaltigen Magnetfeld entspricht.

Zukunft des CERN

Magnete dieser Stärke zu bauen, verlangt technische Spitzenleistungen. Sollen Magnete in Zukunft noch leistungsfähiger werden, kann dies nur über einen vereinten Effort von Grundlagen- und Ingenierurwissenschaften gelingen; notwendig ist eine kollaborative Initiative der besten Köpfe. Es ist wohl keine Übertreibung zu sagen, dass die Entwicklung noch stärkerer Magnete über die Zukunft des CERN entscheiden wird. Dort wird gegenwärtig unter dem Namen ‚Future Circular Collider‘ (FCC) ein gewaltiger Ringbeschleuniger von 100 km Umfang geplant. Dieser soll ab 2040 den aktuellen Kreisbeschleuniger LHC mit seinen 27 km Umfang ablösen und den Fortbestand der weltweit führenden Einrichtung der Teilchenphysik sichern. „Der Name CERN ist ein brand wie Coca Cola. Soll das für die Schweiz so ungemein wichtige Forschungszentrum am gegenwärtigen Ort fortbestehen, ist der Bau eines neuen Beschleunigers Voraussetzung. Eine mögliche technische Lösung ist der Bau eines grossen Ringbeschleunigers. Damit ein solcher Beschleuniger funktioniert, müssen wir eine neue Generation von extrem leistungsfähigen supraleitenden Magneten entwickeln“, sagt Hans Rudolf Ott, emeritierter ETH-Professor und Experte für Supraleitung. Ott ist Vorsitzender des CHART-Rats (CHART Council), der die gleichnamige Forschungsinitiative strategisch führt.

CHART steht für ‚Swiss Accelerator Research & Technology‘. Der Verbund versammelt seit 2015 die führenden Kräfte der Schweizer Beschleunigerforschung und -entwicklung. Unter der Schirmherrschaft des Staatssekretariats für Bildung, Forschung und Innovation (SBFI) sowie des ETH-Rats läuft von 2019 bis 2023 die zweite Finanzierungsperiode. Die CHART-Kollaboration umfasst Forscherinnen und Forscher der beiden ETH in Zürich und Lausanne, der Universität Genf und natürlich des CERN. Die Partner haben sich gemeinsam auf ein Budget von 40 Mio. Fr. verständigt. Als Heim-Institut agiert das Paul Scherrer Institut (PSI), das grösste nationale Forschungsinstitut der Schweiz, das zum ETH-Bereich gehört. Das zentrale Ziel von CHART ist die Erforschung und Entwicklung von Beschleunigern auf der Grundlage von leistungsstarken Magneten für die physikalische, biologische, chemische und interdisziplinäre Grundlagenforschung, aber auch für den Einsatz in der Kristallografie und der Medizin.

Hoffnung ruht auf der intermetallischen Verbindung Nb3Sn

Eine zentrale Rolle für den Bau leistungsstarker Magnete spielt das Material. Die stromführenden Leiter der gut 1200, jeweils 15 m langen Magnete, die die Protonen im aktuellen CERN-Teilchenbeschleuniger LHC auf ihrer Kreisbahn halten, bestehen aus einer Niob-Titan-Legierung (NbTi). Die Magnete arbeiten bei 1.9 Kelvin. Bei dieser Temperatur – knapp über dem absoluten Nullpunkt – fliesst der Strom praktisch widerstandfrei (Supraleitung), entsprechend können starke Ströme durch die supraleitenden Kabel geleitet werden die so ein starkes Magnetfeld erzeugen. Das Kühlmedium ist das flüssige Heliumisotop 4He, das sich bei dieser Temperatur im superfluiden Zustand befindet und damit eine höhere Stabilität des stromführenden Leiters garantiert.

Wissenschaftler diskutieren für die Supermagnete der Zukunft eine andere, noch leistungsfähigere Metallverbindung. „Für künftige Magnete bauen wir auf die intermetallische Verbindung Nb3Sn, welche gegenwärtig als Schlüsselmaterial für den Bau besonders starker, aber auch sehr kompakter Magnete gilt“, sagt Leonid Rivkin, PSI-Vizedirektor und Hauptverantwortlicher für die operative Umsetzung der CHART-Initiative. Die Crux: Nb3Sn ist ein sehr spröder Werkstoff, dessen Einsatz in den erwähnten Anwendungen überaus anspruchsvoll ist.

CCT-Design reduziert Risiken

In einem starken Magneten wirken starke Kräfte auf den stromführenden Leiter. Um diese zu bändigen, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der CHART-Initiative das Canted-Cosine-Theta-Design (kurz: CCT) entwickelt. Die Hauptidee dieses Designs besteht darin, das supraleitende Kabel in den Rillen eines Zylinders zu fixieren, um die auf die Wicklungen ausgeübten Kräfte zu verringern und so das Risiko eines lokalen Verlusts der Supraleitung im Leiter (sogenannte ‚Quenches‘) zu minimieren.

Diese Konstruktionsweise ermöglich auf dem Papier den Bau eines Magneten mit 16 Tesla Feldstärke. Um herauszufinden, ob das auch in der Praxis gelingt, haben Wissenschaftler am PSI im Rahmen der CHART-Initiative einen 1 m langen Demonstrator gebaut, der bei Temperaturen zwischen 2 und 4 Kelvin arbeitet. Der Bau des Demonstrators wurde Ende Oktober 2019 fertiggestellt, dieser dann Anfang 2020 nach Kalifornien gebracht. In Berkeley wird er zurzeit am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) auf seine Leistungsfähigkeit getestet.

Prototyp bis 2023

Das CCT-Design ist eine von vier Konstruktionsarten (siehe Illustration 02), die heute in der Wissenschaft für Magnete der Extraklasse diskutiert und an verschiedenen Instituten weltweit erforscht werden. Welche sich am Ende als die zweckmässigste erweisen wird, ist gegenwärtig noch offen. Für den supraleitenden Magneten im CCT-Design ist das Jahr 2023 die nächste Wegmarke: Bis dann soll im Rahmen von CHART der Prototyp eines mehrere Meter langen Dipolmagneten gebaut werden. Dann dürfte sich abzeichnen, welches der aktuell verfolgten Konzepte für den Bau eines 16 Tesla-Magneten, wie er im FCC langfristig zum Einsatz kommen soll, am besten geeignet ist.

Nach der aktuellen Planung werden die 16 Tesla-Magnete erst in der zweiten Betriebsphase des FCC benötigt, welche ab 2061 starten könnte. In der ersten Betriebsphase des FCC werden Elektronen und Positronen beschleunigt, in der zweiten dann wesentlich schwerere Protonen. Um diese auf der Kreisbahn zu halten, sind die starken 16 Tesla-Magnete erforderlich. Obwohl der Einsatz dieser Magnete erst in ungefähr 40 Jahren vorgesehen ist, ist es wichtig, deren Entwicklung schon heute voranzutreiben. „Forschung, Entwicklung und die anschliessende Industrialisierung der Magnete ist ein langwieriger Prozess, der insgesamt rund 20 Jahre in Anspruch nimmt. Der nachfolgende Einbau in den vorbereiteten Beschleunigertunnel ist abermals ein zeitaufwändiger Vorgang. Daher müssen wir diese Aufgabe heute in Angriff nehmen, damit die Magnete im angestrebten Zeitraum des ersten Forschungsbetriebs tatsächlich zur Verfügung stehen“, betont Leonid Rivkin, Vorsitzender des CHART Executive Board.

Breites Anwendungsgebiet

Die Erforschung von Magneten und deren supraleitenden Komponenten ist nicht nur zentral für das CERN, es ist darüber hinaus von Bedeutung für die Grundlagenforschung in Physik, Chemie, Biologie und Materialwissenschaften sowie medizinische und industrielle Anwendungen. So braucht es starke Magnete für die Extraktion von Licht aus Elektronensynchrotronen (z.B. an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz/SLS) oder sogenannten Freien-Elektronen-Lasern (wie der SwissFEL), die für Studium und Charakterisierung einer Vielfalt von Materialien in verschiedener

Form und, insbesondere, für die Pharmaforschung von grosser Bedeutung sind. Solche Magnete braucht es auch für die Bereitstellung von Neutronen (z.B. an der Spallations-Neutronenquelle SINQ das PSI), die ebenfalls für die Charakterisierung von Materialien genutzt werden. Magnete bilden ferner die Grundlage für moderne Verfahren zur Diagnostik und Therapie von Krebstumoren.

Kann die Grösse der benötigten Magnete reduziert werden, schafft dies die Voraussetzung zum Bau kompakter medizinischer Geräte, die direkt in den Spitälern eingesetzt werden können. Hierbei ruhen die Hoffnungen auf Hochtemperatur-Supraleitern, die ebenfalls im Rahmen von CHART untersucht werden. Gemeint sind damit Materialien, bei denen sich der Zustand der Supraleitung bei relativ hohen Temperaturen von 100 Kelvin und mehr einstellt. «Mit der CHART-Forschung erschliessen wir ein zukunftsträchtiges Technikfeld, das die wissenschaftliche und technische Exzellenz der Schweiz fördert», sagt Hans Rudolf Ott. «Mit unserem Projekt sprechen wir insbesondere die Generation jüngerer Akademiker und Berufsleute an. CHART eröffnet ihnen eine grosse Vielfalt beruflicher Karrieren in Forschung und Industrie und leistet damit einen essentiellen Beitrag zu einer wissenschaftlich-technisch gebildeten Gesellschaft in der Schweiz.»

Autor: Benedikt Vogel

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