Landschaft der Forschungsinfrastrukturen. ESS Spallationsquelle für die Neutronenforschung

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1 Landschaft der Forschungsinfrastrukturen ESS Spallationsquelle für die Neutronenforschung

2 Landschaft der forschungsinfrastrukturen: ess, stand august ESS Spallationsquelle für die Neutronenforschung im südschwedischen Lund entsteht derzeit mit der europäischen spallationsquelle ess ein zukunftsweisendes Zentrum für die forschung mit neutronen den elektrisch neutralen Bausteinen von atomkernen. ab 2019 soll die anlage neutronen mit der weltweit höchsten intensität liefern und Wissenschaftlern aus verschiedenen fachrichtungen und Ländern offenstehen. Im Oktober 2014 wurde im südschwedischen Lund der Grundstein für ein neues Forschungszentrum gelegt: die Europäische Spallationsquelle ESS. Sie soll die leistungsfähigste Neutronenquelle der Welt werden, dreißig mal intensiver als der Hochflussreaktor am Institut Laue-Langevin in Grenoble und fünfmal so leistungsstark wie die Spallation Neutron Source des Oak Ridge National Laboratory in den USA. Mit insgesamt 22 geplanten Strahlführungen für Neutronen wird sie Forschung in einer Vielzahl von Feldern ermöglichen, von der Materialforschung und Werkstoffkunde bis hin zur Medizin und den Lebenswissenschaften. ein europäisches gemeinschaftsprojekt Die ESS ist eines der größten europäischen Großgeräte der Grundlagenforschung, die derzeit errichtet werden. Insgesamt beteiligen sich 15 europäische Länder an dem Gemeinschaftsprojekt, das neue Standards in der Forschung mit Neutronen setzen soll. Die beiden Sitzländer Schweden und Dänemark tragen mit einem Anteil von 47,5 Prozent fast die Hälfte der Baukosten; das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat einen deutschen Beitrag von 202,5 Millionen Euro für die ESS zugesagt. Damit ist Deutschland der drittgrößte Geldgeber. Aus gutem Grund: Innerhalb von Europa stellt Deutschland eine bedeutende Gruppe von über tausend Nutzern, die für ihre Untersuchungen auf Neutronen angewiesen sind. Denn mit Neutronen lassen sich Materialeigen schaften erforschen, die mit anderen Methoden nicht zugänglich wären, etwa in der Medizin, Umwelt, Energieversorgung oder Werkstoffprüfung wichtigen Themen unserer Wirtschaft und Gesellschaft. Die ESS hat daher eine große Bedeutung für die Grundlagenforschung in Deutschland und Europa. Targetstation Labor für Probenvorbereitung Klystrone und Modulatoren Supraleitender Linearbeschleuniger Experimentierhalle m Modellansicht der im Bau befindlichen ESS. Im Linearbeschleuniger werden die Protonen zunächst längs einer Strecke von 600 Metern auf etwa 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Hierfür liefern sogenannte Klystrone und Modulatoren die nötige Energie. In der Targetstation treffen die hochenergetischen Protonen auf das Schwermetall Wolfram, aus dem sie Neutronen freisetzen. Die Neutronen werden dann über Strahlführungen zu den einzelnen Experimentierstationen gelenkt. (Bild: Britta von Heintze/Welt der Physik)

3 Landschaft der Forschungsinfrastrukturen: ESS, Stand August Als weltweit stärkste gepulste Neutronenquelle ist sie nicht nur in der Roadmap des BMBF priorisiert, sondern auch Teil der ESFRI-Roadmap, einem Strategie papier des Europäischen Strategieforums für Forschungsinfrastrukturen. Nachdem die Bauentscheidung im Jahr 2009 getroffen wurde, folgte von 2010 bis 2014 zunächst eine Phase, in der Forscher und Ingenieure das technische Design der ESS-Anlage überarbeitet und verbessert haben. An diesem Design-Update war Deutschland maßgeblich beteiligt: In einem Verbundprojekt, das vom Bundes forschungsministerium mit rund 15 Millionen Euro gefördert wurde, leisteten sieben deutsche Forsch ungseinrichtungen wesentliche Entwicklungsarbeiten für die Neutronenquelle. Im Sommer 2014 hat der Bau der ESS begonnen. In der Bauphase bringen Wissenschaftler aus deutschen Neutronenforschungszentren ihre Expertise in Form von technischer Ausrüstung, Soft- und Hardware sowie personellen Ressourcen ein die sogenannten In-Kind-Beiträge. Mit finanzieller Unterstützung des BMBF entwickeln und bauen die Forscher innovative Instrumente für die ESS. Die Spallationsquelle soll 2019 die ersten Neutronen liefern und drei Jahre später die volle Leistung ihres Beschleunigers von zwei Gigaelektronenvolt er reichen. Im Jahr 2025 soll schließlich der vollständige Nutzerbetrieb erreicht sein. Jährlich werden dann zwei- bis fünftausend Wissenschaftler von der Neutronenquelle profitieren können. X-ray Neutron Röntgen- und Neutronenstreuung ergänzen einander: Im Bild links, das mit Röntgenstrahlung gewonnen wurde, wird die Lage der Wasserstoffatome (blaue Kreise) nicht gesehen. Erst im Bild rechts mit Neutronenstreuung werden diese chemisch wichtigen Atome sichtbar; dafür ist ein Teil der restlichen Struktur nicht so klar wie links zu erkennen. Zu sehen ist die Struktur eines Enzyms, die blauen Gitterlinien beschreiben die Messdaten, die bunte Struktur und die blauen Kreise sind Ergebnisse der Auswertung. Erst die Kombination beider Methoden liefert die vollständige Information. Die Röntgendaten wurden an der European Synchrotron Radiation Facility und die Neutronendaten am Institut Laue-Langevin im französischen Grenoble aufgenommen. (Bild: ESS) Von der Ionenquelle bis zum Target Die Europäischen Spallationsquelle umfasst im Prinzip fünf Einrichtungen: einen Linearbeschleuniger, eine Targetstation, eine Anordnung von Neutroneninstrumenten, eine Reihe von Laboratorien sowie ein Daten- und Softwarezentrum, das an der Universität Kopenhagen in Dänemark angesiedelt ist. Am Anfang des langgestreckten ESS-Aufbaus steht eine Ionenquelle, gefüllt mit Wasserstoffgas. Rasch wechselnde elektromagnetische Felder heizen dieses Gas so auf, dass sich die Elektronen aus den Gasmolekülen lösen und schließlich freigesetzt werden. Zurück bleiben die nackten Wasserstoffkerne die Protonen. In dem 600 Meter langen, unterirdischen Linearbeschleuniger werden die Protonen mithilfe von weiteren elektromagnetischen Feldern auf nahezu Licht geschwin digkeit beschleunigt. Der Protonenstrahl erreicht dabei eine Energie von rund zwei Gigaelektronenvolt. Am Ende des Tunnels treffen die hochenergetischen Protonen auf ein drehbares Ziel, das aus dem Schwermetall Wolfram besteht. Dieses sogenannte Target ist gewissermaßen der Dreh- und Angelpunkt der ESS: Hier schlagen die Protonen aus den Kernen der Wolfram atome Neutronen heraus. Über Strahlführungen die Beamlines werden die freien Neutronen zu den Experimentierstationen geleitet, wo sie als Sonden für verschiedene Materialproben dienen. Detektoren registrieren, wie sich die Eigenschaften der Neutronen durch die Wechselwirkung mit der Probe verändern. So können die Forscher beispielsweise aus der Flugzeit, der zurückgelegten Strecke und dem Winkel, um den das Neutron in der Probe abgelenkt wurde, indirekt die Anordnung und Bewegung der Atome in der Probe berechnen. Zu guter Letzt werden die Daten dann im Daten- und Softwarezentrum in Kopenhagen gesammelt und analysiert. Neutronen bieten vielseitige Anwendungen Freie Neutronen erlauben tiefe Einblicke in die innere Struktur und Dynamik von Materie, ohne diese zu zerstören. Dabei können die ungeladenen Kernteilchen je nach Messinstrument und abbildendem Verfahren einen erstaunlich weiten Längen- und Zeitbereich abdecken: von Metern und Sekunden bis hinunter zu Femtometern und Femtosekunden, der Ausdehnung und Zeitskala eines Atomkerns.

4 Landschaft der forschungsinfrastrukturen: ess, stand august Da sie elektrisch neutral sind, dringen Neutronen tiefer in Materie ein als elektrisch geladene Ionen oder Röntgenstrahlung. Dort können sie dann Kristallgitter und magnetische Strukturen, aber auch Bewegungen von Teilchen erkennen und verschiedene Isotope eines Elements identifizieren. Zudem vermögen Neutronen insbesondere leichte Elemente wie die verschiedenen Isotope von Wasserstoff besonders gut voneinander zu unterscheiden. Das macht die Teilchen zu einem regelrechten Multitalent für eine ganze Bandbreite von Forschungsdisziplinen, an gefangen bei der Physik, Chemie, Kristallografie, Material- und Energieforschung über Biologie und Medizin bis hin zur Archäologie und Kunstgeschichte. effizient: mit spallation zu freien neutronen Doch zunächst einmal sind Neutronen fest in ihrem Atomkern gebunden. Wie lassen sie sich befreien und für die Forschung nutzbar machen? Hierfür gibt es zwei Methoden: die Kernspaltung und die sogenannte Spallation (englisch für Absplitterung ). In Forschungsreaktoren spalten langsame Neutronen Urankerne in einer geregelten Kettenreaktion. Pro Spaltung wird dabei etwa ein wissenschaftlich verwendbares Neutron freigesetzt. Bei der Spallation hingegen wird ein Ziel aus einem Schwermetall im Falle der ESS also das Wolfram- Target mit hochenergetischen Protonen beschossen. Durch die Energie der eintreffenden Protonen erhöht sich die Energie der Schwermetallkerne so lange, bis sie etwa zwanzig bis dreißig Neutronen auf einmal abdampfen, um die überschüssige Energie wieder loszuwerden. Die Spallation ist daher viel effizienter als die Kernspaltung und kommt dabei ohne Kettenreaktion aus. Zwar entsteht auch hier im Betrieb radioaktives Material, dass transportiert und gelagert werden muss, aber der Bedarf ist deutlich geringer als bei einem Kernreaktor. Zudem können Spallationsquellen höhere Energiedichten und Intensitäten erreichen. Wenn die Neutronen das Schwermetall-Target verlassen, sind sie allerdings noch zu schnell und energiereich für wissenschaftliche Experimente. Damit sie nicht einfach durch eine Materialprobe hindurchsausen, müssen sie von rund zwanzigtausend auf eine Geschwindigkeit von etwa zwei Kilometer pro Sekunde abgebremst werden. Das geschieht in mit Wasser oder flüssigem Wasserstoff gefüllten Tanks, den sogenannten Moderatoren. Dass sie es danach überhaupt bis zu den Experimentierstationen schaffen und Zeit für die Streuung an den Proben bleibt, liegt an ihrer recht langen Halbwertszeit: Nach ungefähr 890 Sekunden zerfällt ein freies Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. instrumentierung der ess An der ESS werden insgesamt 22 Instrumente nach den neuesten Standards für die Forschung mit Neutronen aufgebaut. Die ersten sieben sollen bis 2019 in Betrieb gehen, die übrigen Schritt für Schritt bis zum Jahr 2025 folgen. Zurzeit gibt es für die Instrumentierung rund vierzig Konzepte, die von der ESS und verschiedenen Einrichtungen in den Partnerländern entwickelt werden. Pro Jahr werden drei davon zur Umsetzung ausgewählt bis schließlich alle 22 Instrumente festgelegt sind. Der Auswahlprozess läuft jeweils über eine Ausschreibung, den sogenannten call for proposals, bei dem Universitäten und Institute der beteiligten Länder ihre Vorschläge einreichen können. Ein internationales Expertengremium entscheidet in einem aufwendigen Begutachtungsprozess, welche Instrumente tatsächlich umgesetzt werden. Bislang wurden 16 Instrumente in den Bereichen Bildgebung, Spektroskopie, Neutronenbeugung und Kleinwinkelstreuung aus gewählt, darunter fünf Instrumente, die mit deutscher Beteiligung entwickelt und vom Bundesforschungsministerium finanziert wurden. Das Neutronen-Diffraktometer BEER (Beamline for European Materials Engineering Research) ist eines der deutschen Instrumente, die zum Aufbau in der ESS ausgewählt wurden. Mit BEER können Werkstoffe während ihrer Bearbeitung untersucht werden, wie zum Beispiel bei Schweißprozessen, oder unter tatsächlichen Arbeitsbedingungen, etwa bei hohem Druck oder hoher Temperatur. Eine neuartige Chopper-Technik ermöglicht es, aus dem langen Neutronenpuls der ESS mehrere kurze Pulse herauszuziehen. Das Bild zeigt eine 3D-Darstellung von BEER mit einer ausgewählten Probenumgebung, den Detektoren (rot und magenta) und einem Streurohr für Kleinwinkelstreuung (grau). Das Instrument wurde vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) in Zusammenarbeit mit dem tschechischen Nuclear Physics Institute (NPI) entwickelt.(bild: HZG)

5 5 Landschaft der Forschungsinfrastrukturen: ESS, Stand August 2016 Bei der Auswahl der Instrumente versuchen die ESSVerantwortlichen ein möglichst breites Spektrum an Nutzerbedürfnissen zu erfüllen. So werden etwa aufstrebende Fachgebiete wie die Strukturbiologie und Wasserstofftechnologie, aber auch industrielle Anwendungen wie die Werkstoffprüfung und -ent wicklung berücksichtigt. In Deutschland sind derzeit vor allem das Forschungszentrum Jülich, das Helmholtz-Zentrum Geesthacht für Material- und Küsten forschung sowie die Technische Universität München an der Entwicklung neuer Messinstrumente für die Neutronenforschung beteiligt. ESS Forschungsinfrastruktur der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung

6 Landschaft der Forschungsinfrastrukturen: ESS, Stand August Steckbrief ESS Typ: Technologie: Standort: Projektierung: Baukosten: Deutsche Beteiligung: Neutronenquelle Spallation mit supraleitendem Linearbeschleuniger Lund, Schweden European Spallation Source ESS AB 1,843 Milliarden Euro 202,5 Millionen Euro Bauphase: Erste Neutronen: 2019 Länge des Protonenbeschleunigers: Strahlleistung des Protonenbeschleunigers: Protonenenergie: Länge der Neutronenpulse: Target: Abschirmung: 600 Meter 5 Megawatt im Mittel, max. 125 Megawatt 2 Gigaelektronenvolt 3 Millisekunden drehbar, aus dem Übergangsmetall Wolfram 6000 Tonnen Stahl Experimentierhallen: 3 Instrumente: Bestandteil folgender Roadmaps: Beteiligte Länder: 22 (geplant) BMBF, ESFRI 15: Belgien, Dänemark, Deutschland, Estland, Frankreich, Großbritannien, Italien, Niederlande, Norwegen, Polen, Schweden, Schweiz, Spanien, Tschechische Republik, Ungarn

7 Landschaft der Forschungsinfrastrukturen: ESS, Stand August Impressum Dieser Artikel ist Teil der Webseite Landschaft der Forschungsinfrastrukturen ( die der Projektträger DESY im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gestaltet und umsetzt. Auf der Webseite werden Großforschungsanlagen der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung aus aller Welt vorgestellt, an denen sich Deutschland derzeit wissenschaftlich und finanziell beteiligt vom Radioteleskop ALMA bis zum Röntgenlaser European XFEL. Herausgeber: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY Abteilung Projektträger DESY Notkestraße Hamburg pt@desy.de Stand: August 2016 Redaktion: Dr. Claudia Schneider Design und Layout: Britta von Heintze Bildnachweis (Titelbild, Weltkarte): ESS, Britta von Heintze/Welt der Physik