Neutronenradiographie

Blicke in den laufenden Motor

Es ist gar nicht so einfach, in einen laufenden Motor hineinzuschauen, da jede Art von Fenster das Betriebsverhalten ändert. Röntgenstrahlen können nur bei sehr hoher Energie die Metallwandungen durchdringen, liefern dann aber keinen Kontrast mehr für kleine Details sowie für Schmiermittel und Kraftstoff. Ein Neutronenstrahl aus dem Forschungsreaktor ermöglicht einzigartige Bilder, da die Neutronen leicht mehrere Zentimeter Metall durchdringen und hohen Kontrast für wasserstoffhaltige Materialien liefern, also auch für Öl und Treibstoff. Damit lassen sich die Ölflüsse und damit das Schmier – und Leistungsverhalten der Motoren optimieren.

Automotor, der auf einer Halterung befetsigt ist.
Foto des verwendeten Teststands

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.

Schematische Darstellung: Von der Quelle (roter Kreis) führen Strahlen durch den Kollimator (Konus, der sich nach rechts weitet) durch das Objekt (5 bunte Bauklötze) zum Detektor (graue Fläche, auf der das Objekt vergrößert in Graustufen abgebildet ist).
Das Radiographieprinzip

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.

Schematische Darstellung: Neutronenstrahlen durchdringen von links nach rechts ein Objekt (ein Spielzeugelefant), werden an einem schräg stehenden Spiegel nach unten gespiegelt und treffen unten in eine lihtempfindliche CCD-Kamera, die in einer lichtdichten Detektorbox eingeschlossen ist. Rechts vom Spiegel befindet sich ein Strahlstopper, der als langestrecktes grünes Rechteck dargestellt ist.
Wie funktioniert ein Neutronenradiographiedetektor?

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.

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.

Schwarz-Weiß-"Foto" (Neutronenradiographie) eines Motorausschnitts.
Neutronenradiographie des stillstehenden Motors

Zwei Filme eines Benzinmotors können durch Anklicken geladen werden (siehe Spalte rechts, Downloads). 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.

Schwarz-Weiß-"Foto" (Neutronenradiographie) eines Motorausschnitts. Man erkennt zwei Kolben, die auf unterschiedlicher Höhe stehen, einen Ölstrahl, der von unten nach oben schießt, und senkrecht und waagerecht verlaufende schwarze Balken, die die mit Öl gefüllten Druck- und Rückleitungen sind.
Einzelbild aus dem Film des untertourig bewegten Motors

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.