Blicke in den laufenden Motor: Neutronen sehen mehr als Röntgenstrahlen

Röntgenbilder sind uns aus der Medizin wohlvertraut: Weiches Gewebe ist fast durchsichtig, die schwereren Knochen sind deutlich sichtbar, Metallteile wie Knochennägel oder Hüftgelenkprothesen erscheinen undurchdringlich - je schwerer ein Element, desto mehr schwächt es die Röntgenstrahlen, da die Abschwächung von der Zahl der Schalenelektronen der Atome abhängt.

Langsame (moderierte) Neutronen aus einem Forschungsreaktor dagegen wechselwirken nur mit den Atomkernen und können von diesen entweder absorbiert oder gestreut werden. Diese Wechselwirkung hängt nur vom Aufbau der jeweiligen Atomkerne ab und erscheint zunächst völlig unregelmäßig über das Periodensystem verteilt. Ähnlich wie es im Periodensystem reaktionsfreudige Alkalimetalle und inerte, reaktionsträge Edelgase gibt, so wechselwirken die Neutronen mit manchen Kernen stark, mit anderen fast gar nicht. Langsame Neutronen durchdringen fast alle Metalle besser als Röntgenstrahlen, werden aber von Wasserstoff sehr stark geschwächt, da sie von den gleich schweren Protonen (Wasserstoffkernen) abprallen wie Billardkugeln. Damit lassen sich die Aluminiumwandungen eines modernen Motors leicht durchstrahlen, während das Öl sehr deutlich sichtbar wird.

An der Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München steht mit dem Instrument ANTARES die derzeit weltbeste Neutronen-Radiographie-Anlage in Bezug auf Strahlintensität und Bildschärfe. Dort wurden bereits mehrere Motoren im Betrieb durchleuchtet, bislang allerdings meist mit externem Elektroantrieb, um Abgase zu vermeiden.

Dabei ist besonders der drucklose Anteil des Ölflusses von Interesse, zum Beispiel wie das Öl von der Nockenwelle zurück zur Ölwanne fließt, aber auch die Ölkühlung der Kolben sowie die Schmierung der Laufflächen. Damit können die Motorenentwickler gezielt die Ölzufuhr, den Öldruck sowie die Querschnitte der Rückleitungen optimieren, um Kühlung und Schmierung auch bei hohen Drehzahlen zu gewährleisten.

Foto des verwendeten Teststands.

Bildbeschreibung:

Foto des verwendeten Teststands. Der Motor wird über Zahnriemen (rechts) von einem Elektromotor (unten) angetrieben.

Neutronen aus dem Forschungsreaktor fliegen durch ein Aluminiumfenster im Reaktortank in ein langes Flugrohr, um einen möglichst gut gebündelten parallelen Strahl zu erzeugen. Ein Kollimator bündelt den Strahl und begrenzt ihn auf die Messposition. Sie durchdringen in der Messkammer den untersuchten Motor und treffen auf einen speziellen Leuchtschirm, der sichtbares Licht erzeugt. Dieses Licht wird über einen Spiegel mit einer hochempfindlichen Spezialkamera aufgenommen.

Das Radiographieprinzip.

Bildbeschreibung:

Schematiche Darstellung des Radiographieprinzips.

Da selbst ein Forschungsreaktor im Vergleich zu einer Lichtquelle nur sehr geringe Neutronenintensität erzeugt, braucht eine gute Neutronenaufnahme normalerweise selbst an den besten Anlagen etwa eine Sekunde Belichtungszeit. Um dennoch scharfe Bilder von einem laufenden Motor aufnehmen zu können, wird eine stroboskopische Technik verwendet: Der schnelle Verschluss (in diesem Fall ein Bildverstärker) der Kamera wird mehrere hundert Mal immer an derselben Stelle der Rotation für eine Millisekunde geöffnet, das Licht wird auf der Kamera gesammelt, bevor das Bild ausgelesen wird. Durch Verschieben des Zeitfensters wird stückweise die gesamte Rotation des Motors aufgenommen, gemittelt über mehrere hundert Umdrehungen.

Wie funktioniert ein Neutronenradiographiedetektor?

Bildbeschreibung:

Ein Neutronradiographiedetektor besteht aus einem Neutronenleuchtschirm und einer CCD-Kamera. Der Leuchtschirm ist eine Konverterplatte aus Lithiumflourid (LiF) und Zinksulfid (ZnS).
Die nukleare Nachweisreaktion lautet:
           6Li+n => 3H+4He+4,79 MeV
Ein Lithium-Atom absorbiert ein Neutron und zerplatzt in einen Helium- und einen Tritium-Kern.
Die Reaktionsprodukte 3H und 4He nehmen die große kinetische Energie von 4,79 MeV mit und bewirken eine Emission von grünem Licht in den ZnS-Körnern. Dieses Szintillationslicht wird über einen Spiegel mit einer hochempfindlichen gekühlten CCD-Kamera nachgewiesen.

Zwei Filme eines Benzinmotors können durch Anklicken geladen werden (siehe Spalte rechts). Der erste Film zeigt einen modernen Benzinmotor, dessen Kolben durch einen Druck-Ölstrahl von unten gekühlt werden, um die Wärme besser abzuleiten. Der zweite Film zeigt denselben Motor weiter unten im Bereich der Kurbelwelle.

Die folgenden Abbildungen zeigen dazu eine Aufnahme des stillstehenden Motors mit leergelaufenen Druck- und Rückleitungen und ein Einzelbild aus dem Film des bewegten Motors. Dabei wurde der Elektro-Antrieb nur mit 600 Umdrehungen betrieben, also deutlich unterhalb der normalen Leerlauf-Drehzahl. Bei dieser Drehzahl funktioniert die Ölpumpe noch nicht richtig, die letzte Düse in der Reihe bekommt ihr Öl mit Druckschwankungen und schießt dicke Tropfen nach oben.

Neutronenradiographie des stillstehenden Motors

Bildbeschreibung:

Neutronenradiographie des stillstehenden Motors.
Zwischen den Zylinderwänden seitlich versetzt befinden sich Rücklaufleitungen, die das Öl von der Nockenwelle oben zurück zur Ölwanne führen. Darin sind Ölreste und Luftblasen zu sehen.
Horizontal etwa auf gleicher Höhe mit der Kolbenunterseite verläuft die Druckleitung für die Öldüsen, die die Kolbenunterseite im Betrieb kühlen. In der statischen Aufnahme ist die Leitung praktisch nicht zu sehen, da sie leergelaufen ist.

Einzelbild aus dem Film des untertourig bewegten Motors.

Bildbeschreibung:
Einzelbild aus dem Film des untertourig bewegten Motors.
Die Rücklaufleitung und die Druckleitung sind nun gefüllt.
Bei der zu geringen Drehzahl (über externen elektrischen Antrieb) ist der Öldruck bei der letzten Spritzdüse nicht mehr konstant, es werden unregelmäßige dicke Tropfen ausgestoßen.

Von nicht bewegten Objekten können auch dreidimensionale Ansichten errechnet werden. Dazu wird die Probe auf einen Drehteller gesetzt und gedreht, Aufnahmen werden so aus vielen Blickwinkeln rund um die Probe herum angefertigt. Daraus lässt sich wie in der Medizin eine Computer-Tomographie errechnen, die einen dreidimensionalen Datensatz liefert.

Die Neutronenradiographie und -Tomographie eignen sich besonders für zerstörungsfreie Prüfungen, die mit Röntgenstrahlen nicht durchführbar sind, besonders, wenn Metalle durchdrungen werden sollen, um Kunststoffteile und Flüssigkeiten sichtbar zu machen, also Plastikteile, Dichtungen, Schmier- und Klebstoffe.