Spezial-Edelstähle helfen bei Simulation des Urknalls

Von: ThyssenKrupp AG  09.09.2008
Keywords: Werkstoffdienstleister

Wissenschaftler haben auf diese Fragen keine klaren Antworten. Dies könnte sich schon bald ändern. An einer der weltweit renommiertesten Kernforschungseinrichtungen – dem CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) in Genf – entsteht zurzeit der größte Teilchenbeschleuniger der Welt: Der LHC (Large Hadron Collider) ist eine Maschine, die den "Urknall" simulieren kann. Forscher bezeichnen den Urknall als Beginn des Universums, bei dem im Zusammenwirken von Elementarteilchen und Energie Materie entstand. Der LHC ist in der Lage, ähnliche Bedingungen herzustellen, wie sie nur wenige Augenblicke nach dem Urknall aufgetreten sein dürften und kann somit möglicherweise zur Klärung der noch ungelösten Fragen beitragen. Mit diesem weltweit noch nie dagewesenen wissenschaftlichen Versuch betreten die Forscher Neuland und erhoffen sich wichtige Erkenntnisse über den Anfang allen Seins. ThyssenKrupp Nirosta lieferte für das zwei Milliarden Euro teure Projekt zwei spezielle hoch legierte Edelstähle, die die äußerst hohen Anforderungen der in einer circa zehnjährigen Bauphase entstandenen kreisförmigen Tunnel-Konstruktion erfüllen. In 100 Meter Tiefe und auf einer Länge von 27 Kilometern bohrt sich diese durch das Jura-Gebirge. Dabei wird die Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich zweimal unterquert. Mit den vorbereitenden Maßnahmen für die Tests ist begonnen worden. Die Inbetriebnahme des LHC ist für Mitte September geplant, die offizielle Einweihung für Oktober.

"Niemals zuvor hat es ein Projekt dieses Ausmaßes gegeben", erklärt Professor Lucio Rossi, Physiker und Gruppenleiter in der Beschleuniger-Technologie am CERN. "Wir können es kaum erwarten, was dabei herauskommt." Und so funktioniert der spezielle Beschleuniger: Protonen – Bausteine von Atomen – werden in zwei separaten kreisförmigen Vakuumröhren und in entgegengesetzter Richtung bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, um in vier Kreuzungspunkten, an denen sich mehrere riesige Messgeräte (Detektoren) befinden, immer wieder zu kollidieren. Elektrische Hochfrequenz-Felder sorgen dafür, dass die Teilchen auf ihrer Reise durch die verschiedenen Teile der Maschine bis zum letzten Abschnitt des Komplexes, dem LHC, immer mehr Energie aufnehmen.

Die sogenannten Quadrupol-Magnete, die aus vier magnetischen Polen bestehen, wirken als magnetische Linsen und bündeln den Teilchenstrom abwechselnd in horizontaler und vertikaler Richtung. Somit halten sie ihn auf einer vorbestimmten "Flugbahn". "Durch die spezielle Anordnung verschiedenster Magnete werden die Schwingungen der Teilchen rund um diese Bahn begrenzt", erklärt Dr. Theodor Tortschanoff, Physiker am CERN und dort zuständig für den Bau der Magnete. "Sie können also nicht auf die Wand der Vakuumkammer treffen, was ihren Verlust für das Experiment bedeuten würde." ThyssenKrupp Nirosta lieferte für die rund 500 Quadrupol-Magnete des LHC 860 Tonnen Vormaterial aus dem nicht magnetisierbaren Werkstoff Nirosta 4375, einem manganhaltigen Voll-Austenit (X2 Cr Mn Ni N 20-9-7), aus dem später die Teile der Vorspannringe gefertigt wurden. Dr. Alfred Otto, Vorstand für Strategische Produktentwicklung bei der ThyssenKrupp Nirosta: "Der Werkstoff hat ganz besondere physikalische Eigenschaften, die auch noch nahe dem absoluten Nullpunkt – also bei minus 271 Grad Celsius – gegeben sind." Die extrem niedrige magnetische Leitfähigkeit und die hohe Festigkeit des Materials sorgen dafür, dass es nicht selbst magnetisiert wird und den starken Kräften in der Magnetspule standhält. Dr. Detlef Krischel ist Bereichsleiter bei ACCEL Instruments GmbH in Bergisch Gladbach und verantwortlich für die Magnetprojekte: "Die hohe Qualität dieses speziellen Materials war ein wesentlicher Baustein für die reibungsfreie Serienfertigung der Magnete. Sie ermöglicht erst die hervorragenden mechanischen und magnetischen Eigenschaften."

Ohne einen weiteren wichtigen Werkstoff von ThyssenKrupp Nirosta würden die Partikel im LHC jedoch gar nicht erst zirkulieren können. Die Magnete mit ihren supraleitenden – d. h. widerstandslosen – Spulen können die Teilchen nämlich nur dann auf ihrer Bahn halten, wenn sie auf minus 271 Grad Celsius heruntergekühlt wurden. Dies geschieht mithilfe eines Ringleitungssystems, das parallel zu den Magneten verläuft. Hierüber werden die Magnete mit flüssigem Helium zur Kühlung versorgt. Erst durch die niedrige Temperatur werden die Magnetspulen supraleitend und ermöglichen so ohne Energieverlust die Beschleunigung der Teilchen bis auf Lichtgeschwindigkeit. Für die Ringleitung benötigt man einen Edelstahl wie den Nirosta 4307, einen Chrom-Nickel-Stahl (X2 Cr Ni 18-9), der auch bei tiefsten Temperaturen noch hinreichend zäh und damit risssicher ist. 450 Tonnen Vormaterial dieses Werkstoffes lieferte ThyssenKrupp Nirosta an die Firma Butting, einen Edelstahl-Verarbeiter, der daraus circa 120 Kilometer Rohre mit vier unterschiedlichen Abmessungen fertigte. Jörg Pollmann, Mitarbeiter im Vertrieb bei Butting: "Dieses wissenschaftliche Projekt war eine besondere Herausforderung für uns, der wir uns gerne gestellt haben. Für Rohre dieser ,Premium'-Klasse war das Material von ThyssenKrupp Nirosta aufgrund seiner Eigenschaften die perfekte Wahl."

Die Protonen haben ihre höchste Energie erreicht: Die beiden Teilchenströme kreuzen sich in den vier LHC-Detektoren und kollidieren. Dabei werden bisher unerreichte Teilchenenergien freigesetzt, die durch Auftreffen auf ein starres Ziel nicht möglich wären. An den vier Kollisionspunkten registrieren die riesigen Messgeräte die während der Kollision entstandenen neuen Teilchen und deren Eigenschaften. Diese werden dann gefiltert und analysiert. Insgesamt etwa zehn Stunden lang zirkulieren die Teilchenstrahlen mit abklingender Intensität in der Maschine, bevor abermals neue Strahlen eingeschossen und beschleunigt werden. "Wir wissen nicht, ob wir mit diesen Experimenten existierende Theorien bestätigen können", sagt Professor Rossi. "Sollte dabei fernab unserer Erwartungen etwas herauskommen, ist aber auch das eine weiterführende Erkenntnis." Die Wissenschaftler der 20 Mitgliedsstaaten des CERN erhoffen sich von der einmaligen Maschine und den Experimenten tiefere Einblicke in die elementarsten Bausteine unserer Welt und die Entstehung des Universums.

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