Bezirksgruppen > BG Aachen > Exkursionen & Berichte > Berichte zum Jahresprogramm 2018
BG-Aachen

Besichtigung FAIR in Darmstadt am 12.10.2018

Wie oft bekommt man schon die Gelegenheit, sich eine Baustelle für einen Teilchenbeschleuniger anzusehen? Da die Antwort „In der Regel nie.“ lautet, war es nicht weiter verwunderlich, dass wir diese Möglichkeit gerne nutzten und eine Ganztagesveranstaltung in Darmstadt anboten.
Durch den persönlichen Kontakt eines unserer Mitglieder bekamen wir so nicht nur einen Einblick in die Baustelle des FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), sondern auch in das schon bestehende Zentrum, das 1969 als Gesellschaft für Schwerionenforschung gegründet wurde.

Wir begannen mit einem Einführungsvortrag, um überhaupt zu verstehen, woran die Wissenschaftler an der GSI überhaupt forschen.
Das Zentrum hat 1.350 Mitarbeiter und dazu noch ca. 1.000 externe Mitarbeiter pro Jahr, die für ihre Forschung mit dem Teilchenbeschleuniger arbeiten. Es bestehen internationale Kooperationen mit über 50 Ländern.
Schwerpunkte des Zentrums sind:

  • Kernphysik
  • Biophysik und Strahlenmedizin
  • Materialforschung
  • Atomphysik
  • Plasmaphysik
  • Beschleunigertechnologie

Um zu verstehen, in welchen Dimensionen die Forschung arbeitet, gab es ein Bild, in dem die Größenverhältnisse dargestellt waren, die so weit unter der Grenze des Sichtbaren liegen, dass es ein Wunder ist, wie Menschen überhaupt darauf kommen können, sich mit so etwas zu beschäftigen.

Materie (z.B. ein Stück Holz) -> Kristall (10-3) -> Atom (10-10) -> Kern (10-14) -> Nukleon (10-15) -> Quarks und Elektronen (10-18)

Um Teilchen im Teilchenbeschleuniger beschleunigen zu können, müssen aus den Atomen Elektronen entfernt werden. Dadurch sind die Teilchen positiv geladen und können magnetisch bearbeitet (also auch beschleunigt) werden. Im Linearbeschleuniger UNILAC, der ca. 200 m lang ist, werden sie auf ca. 20 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Wenn das noch nicht ausreicht, kann man sie im Kreisbeschleuniger (Synchrotron) auf etwa 90 % der Lichtgeschwindigkeit bringen. Dabei wirkt ein Abschnitt der Beschleunigerstrecke wie ein Anschubser bei einem Karussell. In einer Sekunde sind dann über 1.000 Umläufe möglich. Dabei wird die Energie des Teilchens immer weiter erhöht, bis man es dann auf ein anderes Teilchen (Target) schießt.
„Und wozu das Ganze?“ fragt sich da natürlich der Straßenbauer. Aus einem von zwei Gründen:

  • Wie sieht es im Target aus?
    Dazu kann man sich eine Taschenuhr vorstellen, die man mit dem Hammer zerschlägt. Nur dass in diesem Fall das Target in seine Bestandteile zerschlagen wird.
  • Man will superschwere Elemente (also neue Teilchen) erschaffen.
    Dann schießt man nur so fest, dass vom beschleunigten Teil etwas auf dem Target „kleben bleibt“. So kann man aus einem Nickelisotop und einem Bleitarget z.B. das Element Darstadtium erzeugen.

Solche Experimente benötigen etwa vier bis sechs Wochen der Feinjustierung und verschiedener Tests. Die Ausbeute ist naturgemäß nicht besonders hoch und superschwere Elemente sind sehr instabil und zerfallen innerhalb kürzester Zeit (Darmstadtium hat z.B. nur eine Halbwertszeit von bis zu 1,1 Minuten).

Weltweit gibt es nur drei Zentren, die sich überhaupt mit superschweren Elementen beschäftigen und durch den Zerfall dieser Elemente z.B. auch Rückschlüsse auf den Urknall ziehen können.

Eine andere Anwendung, die im GSI entwickelt wurde, ist da schon eher interessant für den Normalsterblichen: eine Tumortherapie durch gezielte Bestrahlung mit schweren Ionen. Sie wirkt tief im Gewebe wie ein Skalpell, ohne die äußeren Strukturen zu beeinträchtigen, wie das z.B. bei Röntgenstrahlung der Fall ist. Dadurch können selbst inoperable Tumore am Hirnstamm entfernt werden. Diese Therapie wird mittlerweile im Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) eingesetzt.

Und auch die Forschung über Auswirkungen von Weltraumstrahlung auf den menschlichen Körper oder auf Materialen ist etwas, worunter sich der Durchschnittsbürger etwas vorstellen kann.

Nach diesem Überblick über die Forschung der GSI waren wir auch so weit, etwas über den neuen Ringbeschleuniger FAIR zu hören.
Zum Vergleich: der bisherige Ringbeschleuniger hat etwa einen Umfang von 200 m. Der neue wird auf 1,2 km Umfang kommen und hat noch etliche Experimentiereinrichtungen (die im Parallelbetrieb laufen können) in seinen Ausläufern. Der FAIR wird deutlich mehr Intensität und Leistung bringen und damit sowohl die Qualität der ganzen Anlage als auch ihre Variabilität erhöhen.

Zahlen gefällig?

  • Bauzeit: bis 2025
  • Kosten: mehr als eine Milliarde Euro
  • Fläche des B-Plans: 686.373 m²
  • Erdbewegung: 2 Mio. m³
  • 600.000 m³ Beton
  • 65.000 t Stahl
  • 20 ha Fläche
  • 4 km Baustraße
  • 1.327 Bohrpfähle (1,5 bis 2,0 m Durchmesser) mit 59 km Gesamtlänge
  • der Ring liegt ca. 17 m tief
  • die Lebensdauer der Magnete ist auf ca. 25 bis 30 Jahre ausgelegt,
    dabei sollen 20 Jahre ohne größere Servicearbeiten möglich sein
    (Nur zur Information: die ältesten Anlagenteile, die heute noch existieren, sind 40 Jahre alt.)

Die Planung des Beschleunigers ist in folgenden Stufen erfolgt:

  1. Ionen (um den erforderlichen Umfang festzulegen)
  2. Hüllkontur (Magnete etc. die die Ionen beschleunigen)
  3. Architektur (des Ringbeschleunigers)
  4. Geschossarchitektur (der Versuchseinrichtungen)
  5. Landschaftsplanung (der Beschleuniger und auch einige Gebäudeteile liegen unterirdisch)

Dabei wird ein 3D-Modell aller Gewerke eingesetzt, um sie untereinander abzustimmen, denn: „Was man noch nicht gebaut hat, hat man auch nicht bezahlt!“
Besonders problematisch ist, dass viele unterirdische Geräte (z.B. tonnenschwere Magnete) später von oben justiert werden müssen. Also müssen auch entsprechend wartungsfreie oder –arme Justiervorrichtungen eingebaut werden.

Eine zusätzliche Herausforderung ist, dass die Shut-Down-Zeiten des Beschleunigers genau geplant werden müssen. Das gilt nicht nur für Anschluss von Neubau an Bestand, sondern auch für Wartungsarbeiten. Denn die Strahlzeiten werden lange im Voraus festgelegt und vergeben.

Nachdem wir nun umfassend im Bilde waren, konnte es losgehen.
Wir machten zuerst eine Runde über das bisherige Gelände und kamen dabei vorbei:

  • am Linearbeschleuniger UNILAC und dem Kontrollzentrum
    (derzeit wegen eines Shut-Downs leer, sonst besetzt von drei Operatoren und außerdem Rufbereitschaft)
  • den Experimentiercaves mit Betonabschirmung, in denen dann die Targets eingebaut sind
  • am ESR, der Ionen „speichern“ kann
  • am Raum des Pilotprojekts für den medizinischen Einsatz der Strahlen

Bei dieser Gelegenheit erfuhren wir auch, dass der Energieverbrauch des Zentrums etwa mit dem einer Kleinstadt vergleichbar ist.

Zu guter Letzt ging es dann auf die eigentliche Baustelle, wo wir die begonnene Baugrube des FAIR bestaunen konnten, in der sich verschiedenste Baufirmen tummeln.
Zuerst verschafften wir uns vom vorhandenen Ringbeschleuniger aus einen Überblick über das Gebiet und erfuhren schon einiges über die Problematik einer solchen Baustelle:

  • Zum einen liegt der neue Ring in 18 bis 20 m Tiefe und damit in einer wasserführenden Schicht mitten in einem Grundwasserschutzgebiet. Deshalb wird für die äußere Wasserhaltung in einem außen liegenden Pumpenring mit 180 Pumpen das Grundwasser abgepumpt und über eine Ringwasserleitung und ein Rückführsystem wieder dem Untergrund zugeführt.
  • Die innere Wasserhaltung wiederum sorgt dafür, dass z.B. Regenwasser in Absetzcontainer gepumpt wird, von wo aus es in einen kleinen Fluss in der Nähe abgeführt werden kann.
  • Auf riesigen Erdmieten wird der Aushub gelagert, um ihn später bei der Erdmodellierung wieder einzubauen.
  • Die Bohrpfähle und auch die Bodenplatte des Rings enthalten Messsonden, um etwaige Abweichungen und Bewegungen sofort feststellen zu können.
  • Momentan sind etwa 300-350 Lkw pro Tag sind mit dem Aushub beschäftigt
  • 600-700 Schwerlastfahrten sind am Tag zu verzeichnen
  • Eine ökologische und umwelttechnische Beratung ist eingebunden, um negative Auswirkungen der Baustelle möglichst gering zu halten.
  • zwei Trafoanlagen sorgen für Strom

Die Baugrube selbst ist mit einem Berliner Verbau über Bohrpfählen gesichert. Der obere Holzteil wird dann später zurückgebaut, während die Bohrpfähle nur knapp über dem späteren Ring enden und im Boden verbleiben.

Da der Ring später in einer wasserführenden Schicht liegt, ist seine Sohle auf Kies gebettet. Sein Querschnitt besteht aus drei “Röhren“. Die äußere wird später den Strahltunnel beherbergen, die mittlere ist ein Erdpaket als Strahlschutz und bei der inneren handelt es sich um einen Versorgungstunnel.
Das Bauwerk wird in monolithischer Bauweise errichtet und wird zum Schluss auch keine Dehnungsnähte o.ä. haben. Dafür haben die Betonierarbeiten während des Sommers nachts stattgefunden und der Zuschlag wurde bei Bedarf mit Stickstoff gekühlt. Der Beton muss wasserdicht sein und wird deshalb zusätzlich mit einer Folie beschichtet (außen glatt und zum Beton hin mit einer filzigen Oberfläche zur besseren Haftung).

In der Baugrube selbst konnten wir dann noch einmal die Dimensionen aus nächster Nähe betrachten: Bodenplatten von 2 m Dicke und Massen an Bohrpfählen, die einer nach dem anderen eingebracht werden.
Ein Anfang ist gemacht, aber bis der Ring geschlossen ist, wird es noch dauern. Und dann kommen ja auch noch die ganzen Hochbauten dazu – von der tonnenschweren Technik ganz zu schweigen. Ein gigantisches Unterfangen.

Wir waren ganz begeistert, als wir uns am späten Nachmittag bei unseren drei geduldigen Gastgebern verabschiedeten. Eine beeindruckende Baustelle zu besichtigen und noch dazu Wissen zum Thema Schwerionenforschung sammeln – wann hat man schon einmal so eine Gelegenheit? Vielleicht einmal im Leben – jedenfalls diejenigen, die bei dieser Veranstaltung dabei waren.

Zurück