Marmor, Stein und Eisen bricht - Forschungsreaktor DIDO

Eine Arbeitsgruppe des Mineralogisch-Petrologischen Instituts der Universität Bonn unter der Leitung des Physikers Dr. Wolfgang Schäfer analysiert feste Materialien und große Proben wie kristalline Werkstoffe oder Gesteine. Vor 35 Jahren installierte das Bonner Team im Jülicher Reaktorgebäude ein so genanntes Zwillingsdiffraktometer samt Detektoren. Pro Jahr wandern seither etwa 100 Proben durch das Gerät - aus Grundlagenforschung und Industrie.

Das Diffraktometer nutzt einen Neutronenstrahl, der direkt aus dem Innern des Reaktors herausgeleitet wird. Treffen die Neutronen auf die Probe, werden sie an den Atomkernen im Innern elastisch gestreut. Wissenschaftler messen die gestreute Strahlung: Sie verrät ihnen, um welche Atome es sich handelt und wie diese angeordnet sind. Dr. Wolfgang Schäfer erklärt: "Neutronen haben den Vorteil, dass sie auch 'nah verwandte' Atome wie Eisen, Chrom oder Nickel sehr gut unterscheiden. Das gelingt mit Röntgenstrahlung nur unter sehr speziellen Voraussetzungen. Zudem können Neutronen als neutrale Teilchen einige Zentimeter tief in die Probe eindringen und verraten uns nicht nur die oberflächennahe Beschaffenheit, sondern erlauben auch und gerade einen Blick in das Probeninnere."

Risse im System

Kristallorientierung in einer Brennstofftzelle

Bildbeschreibung:
Aus Streuexperimenten mit Neutronen erhalten die Wissenschaftler Polfiguren, aus denen sie die Orientierung der Kristallite im Brennstoffzellen-Elektrolyt berechnen können. In einer Probe (oben; links: gemessen, rechts: berechnet) liegen die Kristallite demnach fast alle parallel zu einer Achse, in einer anderen Probe (unten) parallel zu zwei zueinander senkrechten Achsen.

"Die Struktur eines Kristalls, also die dreidimensionale Anordnung der Atome im Kristallgitter, und die Textur entscheiden über die physikalischen Eigenschaften, beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit. Unter Textur verstehen wir die Orientierung der vielen kleinen Kristallkörner (Kristallite) in einer Probe", führt Wolfgang Schäfer weiter aus. "Bei der Entwicklung von Brennstoffzellen kam die RWE Energie AG vor einiger Zeit auf uns zu, weil es beim Abschalten ihrer Testzellen immer wieder zu Rissen und so zu Zerstörungen im Elektrolytmaterial kam. Wir wurden beauftragt, den Grund hierfür zu finden. Dazu muss man wissen, dass die Zellen von einer Betriebstemperatur von fast 650 Grad Celsius auf Raumtemperatur heruntergefahren werden müssen - also zyklisch einer starken Temperaturdifferenz ausgesetzt sind."

Das Elektrolytmaterial der RWE-Brennstoffzellen besteht aus Lithiumcarbonat und Kaliumlithiumcarbonat. Wolfgang Schäfer beschreibt: "Der Kalium-Lithium-Elektrolyt der RWE-Zellen ist im heißen Zustand ein weiches, wabbeliges Material, das durch ein dünnes Nickelnetz gestützt wird. Wir sollten feststellen, wie die Textur im Material aussieht und ob diese für die Risse beim Abkühlen verantwortlich sein kann." Die Neutronenstreuexperimente bewiesen im abgekühlten Material eine stark ausgeprägte Textur (Bild 1). Dadurch neigt das Material zur Rissbildung. Grund für die exakte Ausrichtung der Kristalle im Innern des Elektrolyten war offensichtlich das stützende Nickelnetz. Hier kristallisierte das umgebende Kaliumlithiumcarbonat während des Abkühlens zuerst aus. An geraden Drahtstrecken orientierten sich die Kristallite entlang des Drahtes, und dort wo sich zwei Nickeldrähte kreuzen, zeigten sich zueinander senkrechte Orientierungen. An diesen Stellen im Netzwerk bildeten sich dann auch die ersten Risse. Das eigentliche Stütznetz zerstörte im Endeffekt das Elektrolytmaterial.

Gestein unter Druck

Textur eines Hochdruckgesteins

Bildbeschreibung:
Textur eines Hochdruckgesteins: Die Polfiguren zeigen die berechnete Verteilung von drei Kristallrichtungen im Mineral Omphazit aus den Alpen. Die charakteristischen Maxima verraten, dass das Gestein in die Länge gezogen wurde - unter hohem Druck und hoher Temperatur in einer Tiefe von etwa 60 Kilometern.

Welchen Kräften kristalline Strukturen in natürlichen Gesteinen unterworfen sind, untersuchen Geologen der Universität Bonn. Auch sie nutzen die Neutronen des Jülicher Reaktors und das Bonner Diffraktometer. Für Prof. Nikolaus Froitzheim, den Leiter der Arbeitsgruppe "Strukturgeologie" am Geologischen Institut der Universität Bonn, wurde mit Neutronen ein neues Kapitel in der Gesteinsanalytik aufgeschlagen. Er will nachvollziehen, was eine Gesteinsschicht bei ihrem Weg durch die Erdkruste bis zu ihrem Wiederauftauchen an der Erdoberfläche "erlebt" hat. Dabei zeigt ihm der Blick in das Innere der Proben die aufgeprägten Texturen. Sie erzählen die Geschichte der Verformung unter sich ändernden Druck- und Temperaturbedingungen, die in Jahrmillionen das Gestein gestaltet hat.

In den Alpen finden sich viele "Hochdruckgesteine". Diese wurden offensichtlich rasch in die Tiefe gezogen, unter hohem Druck und hoher Temperatur verformt und neu strukturiert, um später ebenso schnell wieder an der Erdoberfläche aufzutauchen (Bild 2). "Das schnelle Auftauchen bedeutet im erdgeschichtlichen Zeitrahmen 100 Kilometer Tiefenunterschied in weniger als vier Millionen Jahren", gibt Nikolaus Froitzheim schmunzelnd zu. "Aber das sind immerhin 2,5 Zentimeter pro Jahr. Verglichen mit dem Rheinischen Schiefergebirge, wo die Hebungen weniger als einen halben Millimeter pro Jahr ausmachen, ist das schnell."

Mit Neutronen untersucht Nikolaus Froitzheim die Texturen der mineralischen Bestandteile des wieder aufgetauchten Gesteins. Daraus schließt er, dass im Bereich der Alpen vor 40 Millionen Jahren drei Erdplatten aufeinander getroffen sind. In der Folgezeit schob sich die Europäische Kruste gemeinsam mit einer kleineren Platte unter die Afrikanische Platte - an der Oberfläche türmten sich die Alpen auf. Die kleinere Platte lag zunächst auf der Europäischen Platte. Sie drängte die Gesteinsschichten der Europäischen Platte in die Tiefe, wo diese unter hohem Druck und hohen Temperaturen zu Hochdruckgesteinen verformt wurden.

Später wurde die kleine Platte mit Ausnahme ihrer obersten Schichten "subduziert" - sie versank fast komplett in der Tiefe. Dadurch ließ der Druck auf die Europäische Platte nach, so dass die zuvor tiefer liegenden Hochdruckgesteine der Europäischen Platte mit einer Geschwindigkeit von 2,5 Zentimetern pro Jahr wieder nach oben "schnellten". An einigen Stellen der Alpen sind diese Gesteine bis an die Erdoberfläche gewandert. "Die Alpen wachsen immer noch", gibt Nikolaus Froitzheim zu bedenken. "Die zum Teil schweren Erdbeben vor und hinter den Alpen in der Schweiz und in Italien zeugen davon, dass der Prozess noch nicht abgeschlossen ist - und das wird vielleicht noch rund 70 Millionen Jahre so weitergehen."

Winzige Detektive

Forschungsreaktor

Bildbeschreibung:
Winzige Detektive
Neutronen sind mehr als nur Bausteine des Atomkerns. Als freie Teilchen können sie tief in Materie eindringen, einzelne Atome erkennen und magnetische Momente sichtbar machen. Dadurch werden sie zu idealen Sonden für die Erforschung der inneren Struktur von Materialien und der Dynamik von Molekülen. Neutronen für die Wissenschaft werden bisher meist durch Kernspaltung in Forschungsreaktoren (Bild: Jülicher DIDO) gewonnen. In Japan und den USA sind neuartige "Neutronenfabriken" im Aufbau, die Neutronen statt mit Kernspaltung durch Spallation freisetzen. Ob in Europa eine ähnliche - und noch effektivere - Spallationsquelle entsteht, wird durch die Europäischen Regierungen entschieden. 

Neutronen sind mehr als nur Bausteine des Atomkerns. Als freie Teilchen können sie tief in Materie eindringen, einzelne Atome erkennen und magnetische Momente sichtbar machen. Dadurch werden sie zu idealen Sonden für die Erforschung der inneren Struktur von Materialien und der Dynamik von Molekülen. Neutronen für die Wissenschaft werden bisher meist durch Kernspaltung in Forschungsreaktoren (Bild: Jülicher DIDO) gewonnen. In Japan und den USA sind neuartige "Neutronenfabriken" im Aufbau, die Neutronen statt mit Kernspaltung durch Spallation freisetzen. Ob in Europa eine ähnliche - und noch effektivere - Spallationsquelle entsteht, wird durch die Europäischen Regierungen entschieden.