ESS – Europäische Spallationsquelle für die Neutronenforschung

Hamburg, DeutschlandIm 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, dreißimal 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 Materialeigenschaften 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. Als weltweit stärkste gepulste Neutronenquelle ist sie nicht nur in der Roadmap des BMBF priorisiert, sondern auch Teil der ESFRI-Roadmap, einem Strategiepapier des Europäischen Strategieforums für Forschungsinfrastrukturen.

Das Foto der ESS-Baustelle wurde von einem Flugzeug aus aufgenommen. Es zeigt von oben ein langgezogenes, sandiges Grundstück, in dem Erdarbeiten durchgeführt werden. Die Struktur der ESS mit ihrem langgestreckten Beschleuniger und der kreisförmigen Targetstation ist bereits zu erkennen. Die Baustelle ist von landwirtschaftlichen Nutzflächen umgeben, vorne rechts im Bild steht eine Windkraftanlage.
Luftbild der ESS-Baustelle

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 Bundesforschungsministerium mit rund 15 Millionen Euro gefördert wurde, leisteten sieben deutsche Forschungseinrichtungen 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 erreichen. Im Jahr 2025 soll schließlich der vollständige Nutzerbetrieb erreicht sein. Jährlich werden dann zwei- bis fünftausend Wissenschaftler von der Neutronenquelle profitieren können.

Von der Ionenquelle bis zum Target

Die Europäische 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.

Gezeichnete 3D-Ansicht der gesamten ESS-Anlage von schräg oben. Von links unten nach rechts oben führt ein schmales, langgezogenes Tunnelgebäude mit dem Linearbeschleuniger zur ovalen Targetstation. Daran schließen sich rechts oben fächerförmige Experimentierhallen an, umgeben von Laboren für die Probenvorbereitung, die als Würfel dargestellt sind.
Aufbau der Europäischen Spallationsquelle ESS

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 Lichtgeschwindigkeit 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 Wolframatome 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

Links im Bild befindet sich eine Molekülstruktur in drei Farben, bestehend aus einem sechseckigen und einem fünfeckigen Ring mit spitzen, hellen Fortsätzen. Die Molekülstruktur ist von einem dichten Gitternetz aus Messdaten umgeben. Rechts die gleiche Molekülstruktur, jedoch in ein grobmaschigeres Gitternetz eingeschlossen. In beiden Abbildungen sind die Wasserstoffatome jeweils mit Kreisen markiert.
Röntgen- und Neutronenstreuung ergänzen sich

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.

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, angefangen 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.

Das Neutroneninstrument besteht aus mehreren Komponenten: Rechts oben ein vergleichsweise dickes, rundes Streurohr für Kleinwinkelstreuung, in der Mitte ein kastenförmiger Aufbau, der die Probe enthält. Der Probenkasten ist links und rechts von jeweils zwei großen, prismaförmigen Detektoren umgeben. Senkrecht über der Probe sind zwei weitere, kleinere Detektoren eingebaut. Durch ein von rechts unten kommendes, eckiges Strahlrohr gelangen die Neutronen zur Probe.
Neutroneninstrument BEER

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 ausgewählt, darunter fünf Instrumente, die mit deutscher Beteiligung entwickelt und vom Bundesforschungsministerium finanziert wurden.

Bei der Auswahl der Instrumente versuchen die ESS-Verantwortlichen 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 -entwicklung berücksichtigt. In Deutschland sind derzeit vor allem das Forschungszentrum Jülich, das Helmholtz-Zentrum Geesthacht für Material- und Küstenforschung sowie die Technische Universität München an der Entwicklung neuer Messinstrumente für die Neutronenforschung beteiligt.

Steckbrief ESS

Typ:

Neutronenquelle

Technologie:

Spallation mit supraleitendem Linearbeschleuniger

Standort:

Lund, Schweden

Projektierung:

European Spallation Source ESS AB

Baukosten:

1,843 Milliarden Euro

Deutsche Beteiligung:

202,5 Millionen Euro

Bauphase:

2014 – 2019

Erste Neutronen:

2019

Länge des Protonenbeschleunigers:

600 Meter

Strahlleistung des Protonenbeschleunigers:

5 Megawatt im Mittel, max. 125 Megawatt

Protonenenergie:

2 Gigaelektronenvolt

Länge der Neutronenpulse:

3 Millisekunden

Target:

drehbar, aus dem Übergangsmetall Wolfram

Abschirmung:

6000 Tonnen Stahl

Experimentierhallen:

3

Instrumente:

22 (geplant)

Bestandteil folgender Roadmaps:

BMBF, ESFRI

Beteiligte Länder:

15: Belgien, Dänemark, Deutschland, Estland, Frankreich, Großbritannien, Italien, Niederlande, Norwegen, Polen, Schweden, Schweiz, Spanien, Tschechische Republik, Ungarn