Viele Rohre und Leitungen verlaufen in ein mit Wasser gefülltes und von unten angeleuchtetes Becken

Bernhard Ludewig

Links ein Bürogebäude, rechts daneben ein größeres Gebäude mit einem abgerundetem Dach, rechts daneben ein eiförmiges Gebäude

W. Schürmann/TUM

Mehrere Drahtspulen hintereinander, die eine Rohrleitung lose verkleiden

Bernhard Ludewig

Ein Wissenschaftler schaut durch ein Fenster in eine verschlossene Kammer, in der zwei Roboterarme von der Decke hängen

Bernhard Ludewig

FRM II – Mit Neutronen in den Mikrokosmos

Die Forschungsneutronenquelle FRM II sorgt für den wissenschaftlichen Durchblick. Mithilfe von Neutronen blicken Forschende durch Oberflächen hindurch, tief in den Aufbau, die Struktur, die inneren Bewegungen und magnetischen Eigenschaften von Materialien. Aus aller Welt reisen sie ans Heinz Maier-Leibnitz Institut nach Garching bei München, um beispielsweise die Brennstoffzellen und Tumortherapie der Zukunft zu erforschen.

  • Ort:
    Garching (bei München)

  • Baukosten:
    435 Millionen Euro

  • Anzahl WissenschaftlerInnen:
    1000 pro Jahr

  • Beteiligte Länder:
    Deutschland

  • Ziel:
    neue Materialien entwickeln

  • Anwendungsbeispiel:
    Erzeugung besonders leitfähiger Halbleiterbauelemente

  • Gerätetyp:
    Neutronenquelle (Forschungsreaktor)

  • Messmethode:
    Neutronenstreuung

  • Untersuchungsobjekt:
    Neutronen, kondensierte Materie

  • Bauphase:
    1996 bis 2004

  • Rechtsform & beteiligte Institutionen:
    Betreiberin: TU München

  • Größe:
    1764 Quadratmeter (Reaktorhalle)

  • Experimentdetails:
    Flussdichte: 8 ∙ 1014 Neutronen pro Sekunde und Quadratzentimeter
    Thermische Leistung: 20 Megawatt

Welche Erkenntnisse der FRM II liefert

Die Neutronen, die der Forschungsreaktor München FRM II liefert, sind wahre Multitalente. Denn er bietet eine ganze Bandbreite unterschiedlich schneller Neutronen. Mit sogenannten heißen, bis zu 50 000 Kilometer pro Stunde schnellen Neutronen messen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zum Beispiel die Abstände zwischen Atomen. Nanometergroße Unregelmäßigkeiten in Materialien spüren sie mit den langsameren „kalten“ Neutronen, die sich mit 500 bis 5000 Kilometern pro Stunde bewegen, auf. Damit ergibt sich eine breite Anwendungspalette für Nutzerinnen und Nutzer aus aller Welt.

Wissenschaftler beugt sich über ein Geländer und legt einen kleinen Kolben auf eine metallene Scheibe, die sich am oberen Ende eines Metallgestänges befindet, das in ein Wasserbecken reicht

Medizinische Innovationen

Sie analysieren Materialien bis ins Detail, ohne deren Eigenschaften zu verändern. Damit ist die Untersuchung mit Neutronen ein prominentes Beispiel für zerstörungsfreie Prüfung. Physikerinnen und Physiker aus Garching untersuchten beispielsweise mittels Neutronen eine bronzene Merkur-Statuette aus der Archäologischen Staatssammlung München. Sie wollten erfahren,woraus genau sie besteht und wie sie hergestellt wurde. Dabei machten sie erstaunliche Entdeckungen: Die Figur ist hohl und ihre Beine wurden getrennt gefertigt und erst im zweiten Guss mit dem Rumpf verbunden. Anscheinend gab es eine antike Serienproduktion, wie wir sie bislang nur aus der Moderne kannten.

Auch für die Automobilindustrie sind Neutronen äußerst nützlich, denn es ist gar nicht so einfach, in einen laufenden Motor hineinzuschauen. Bohrt man ein Loch, verändert sich damit das Betriebsverhalten des Motors. Mit Röntgenstrahlen braucht man sehr hohe Energie und sieht doch nicht die nötigen Details. Ein Neutronenstrahl hingegen ermöglicht einzigartige Bilder, da die Neutronen leicht mehrere Zentimeter Metall durchdringen und wasserstoffhaltige Materialien wie Öl und Treibstoff deutlich abbilden. So lässt sich das Schmier- und Leistungsverhalten des Motors untersuchen und optimieren.

Mit Neutronen können die Forschenden aber auch Materialien verändern und so neue Werkstoffe entwickeln. Sie dotieren etwa Silizium für die Halbleiterindustrie, das heißt, sie bestücken es mit Atomen anderer Materialien, sogenannten Fremdatomen.

Wie der FRM II funktioniert

Die Forschungs-Neutronenquelle FRM II ist eine der leistungsfähigsten und modernsten Neutronenquellen weltweit. Unter Einhaltung höchster Sicherheitsstandards ist sie herausragend effizient: Jede Sekunde erzeugt sie mithilfe der Kernspaltung aus Uran mehr als hundert Billionen sich frei im Raum bewegende Neutronen pro Quadratzentimeter. Zwar erzeugt die derzeit stärkste Neutronenquelle, der Hochflussreaktor am Institut Laue-Langevin in Frankreich, etwa zehnmal so viele Neutronen pro Sekunde. Er benötigt aber auch fast die dreifache Leistung.

Röntgenaufnahmen eines Motorblocks und einer Rattenlunge

Detaillierte Aufnahmen

Bei diesem Kernzerfall entstehen aus jedem Uranatom zwei kleinere Atomkerne und drei Neutronen. Diese Neutronen sind ein beliebtes Werkzeug der modernen Physik. Sie sind klein und besitzen keine elektrische Ladung – daher der Name „Neutron“. Und anders als Lichtteilchen (Photonen) reagieren sie nicht mit den Elektronen in der Atomhülle, sondern nur mit dem relativ kleinen, aber umso schwereren, Atomkern. Deshalb durchdringen sie feste Stoffe mühelos und zerstörungsfrei und liefern Informationen aus ihrem Inneren.

Neutronen weisen aber noch weitere besondere Eigenschaften auf: Als winzige Magnete erlauben sie, auch die magnetischen Eigenschaften von Substanzen zu untersuchen. Dies macht sie zu idealen Helfern für die Spurensuche in der Tiefe der Materie. Sie lassen sich besonders stark von leichten Elementen, vor allem von Wasserstoff, beeinflussen. Und sie erkennen selbst kleine aber feine Unterschiede in sonst fast identischen Atomkernen: Mit Neutronen messen Physikerinnen und Physiker an dem Forschungsreaktor beispielsweise, welches Isotop eines Elements vorliegt. Isotope sind fast baugleiche Atome, die sich lediglich in der Anzahl der Neutronen im Atomkern unterscheiden, sich sonst aber gleich verhalten. Das nutzen die Forscherinnen und Forscher. In Proteinen oder Kunststoffen markieren sie interessante Stellen mit Deuterium. Das Deuterium-Atom ist ein Verwandter des gewöhnlichen Wasserstoffatoms – es hat im Vergleich nur ein Neutron mehr im Kern. In anschließenden Messungen erkennen die Forschenden das Verhalten des Untersuchungsobjekts an genau dieser markierten Stelle.

Wer am FRM II beteiligt ist

Die Neutronenstrahlen von FRM II sind für zahlreiche Forschungsgruppen aus Universitäten, Industrie und Medizin von hohem Interesse. Insgesamt stehen dort 27 Messplätze zur Verfügung, die Forschende aus dem In- und Ausland nutzen. Zwei Drittel der verfügbaren Zeit steht der wissenschaftlichen Grundlagenforschung zur Verfügung. Das übrige Drittel nutzt die Technische Universität München zur Ausbildung und für Projekte mit der Industrie und Medizin.

Die TU München betreibt den Reaktor – deshalb trägt das Land Bayern auch den Großteil der Kosten. Dies ist historisch gewachsen: Es ist das Erbe des Atom-Eis, dem Vorgänger der Neutronenquelle. Schon Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts machte es München zur Wiege und zum Zentrum der wissenschaftlichen Nutzung von Neutronen in Deutschland.

Ein Wissenschaftler richtet einen metallenen Gegenstand auf einer durchlöcherten Basis an.

Vorbereitung eines Experiments

Die Nutzung geht allerdings weit über München hinaus. Etwa tausend Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kommen jedes Jahr aus der ganzen Welt nach Garching an den FRM II, um hier Untersuchungen und Experimente durchzuführen. Sie nutzen die Forschungsneutronenquelle im Rahmen einer Kooperation zwischen der TU München und den Helmholtz-Zentren Jülich und Geesthacht. Darüber hinaus beteiligen sich die Max-Planck-Gesellschaft und neun weitere Universitätsgruppen an der Kooperation. Unter dem Namen Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) betreiben verschiedene Arbeitsgruppen der Partner Instrumente am FRM II. Gemeinsam ermöglichen sie auf diese Art die Forschung mit Neutronen in den unterschiedlichsten Fachbereichen. Auf dem Gelände des FRM II selbst sind über vierhundert Personen beschäftigt, etwa ein Drittel davon als Wissenschaftler.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die wissenschaftliche Nutzung des FRM II, indem es das MLZ über die beteiligten Helmholtz-Zentren in Jülich und Geesthacht unterstützt. Zudem finanziert das BMBF mit der Projektförderung ErUM-Pro Verbünde im Rahmen der Erforschung von Materie an Großgeräten, in denen universitäre Arbeitsgruppen die Messeinrichtungen weiterentwickeln. Die geförderten Projekte reichen von methodischen Entwicklungen über Instrumentierung bis hin zur Datenanalyse. In diesen Projekten entwickeln wissenschaftliche Nutzer die Großgeräte weiter und halten sie immer fit für die aktuellen wissenschaftlichen Fragestellungen. In den letzten beiden Förderperioden (2013–2019) hat das Bundesforschungsministerium mit rund 30 Millionen Euro insgesamt 28 Projekte am FRM II gefördert.

Was gerade am FRM II passiert

Außenansicht eines großen, weißen Gebäudes, davor wehende Fahnen

FRM II

Der Forschungsreaktor München hat eine lange Geschichte und ist durch stetige Weiterentwicklung auch heute am Puls der Zeit moderner Neutronenforschung. Mit der Inbetriebnahme 1957 war der FRM, das sogenannte Atom-Ei, der TU München die erste nukleare Anlage der Bundesrepublik Deutschland. Im Jahr 2000 endete dann ihr Betrieb. Heute steht die Hülle des Atom-Eis unter Denkmalschutz. Stattdessen wird nun an seinem Nachfolger, der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II), geforscht. Diese Anlage liefert wesentlich mehr Neutronen als das Ei, die Strahlqualität ist besser und es gibt zahlreiche neue Messmöglichkeiten, die kontinuierlich weiterentwickelt werden. Ab 2020 wird der Forschungsreaktor in Garching Deutschlands einzige Hochflussneutronenquelle sein und damit an Bedeutung gewinnen. In diesem Zuge entstehen dort neue Labor-, Büro- und Werkstattgebäude, die ab 2019 bezogen werden sollen.


Stand: Januar 2019

Quelle: https://fis-landschaft.de/materie/frm-ii/