ESS-Planung

Europäisches Gemeinschaftsprojekt ESS

Im Jahr 2019 soll ein langgehegter Traum europäischer Forscher wahr werden: Im südschwedischen Lund wird die weltweit stärkste Neutronenquelle in Betrieb gehen – die Europäische Spallationsquelle ESS.

Bilderstrecke: Europäische Spallationsquelle ESSDie Europäische Spallationsquelle ESS
Bilderstrecke: Europäische Spallationsquelle ESS

Im südschwedischen Lund entsteht in den kommenden Jahren die Europäische Spallationsquelle. „Die ESS wird die weltweit beste Neutronenquelle sein und Forschung ermöglichen, die anders nicht möglich ist. Damit gehört dieses Projekt zu den wichtigsten wissenschaftlichen Großprojekten in Europa“, erklärt Sebastian Schmidt vom Forschungszentrum Jülich. Seit 2009 koordiniert er die deutschen Beiträge für die Planungsarbeiten an der ESS.

Neutronen dienen der Wissenschaft als eine Art Supermikroskop. Mit ihrer Hilfe untersuchen Forscher einerseits die innere Struktur von Materialien, andererseits können sie damit auch Bewegungen von Teilchen innerhalb von Materialien erforschen. Neutronenstreuung ermöglicht so einzigartige Einblicke in die Materie. Damit ist sie unverzichtbar für die Forschung – das gilt sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die anwendungsnahe Forschung.

Europa ist führend in der Neutronenforschung

Die geplante Europäische Spallationsquelle soll aus einem langen tunnelförmigen Gebäude bestehen, das von einer Reihe quaderförmiger Versorgungsgebäude flankiert wird und in einem kreisrunden Bau endet. Dazu wird ein weiteres ringförmiges Gebäude, mit dem vierfachen Durchmesser des ersten runden Baus, gehören. Die ganze Anlage wird sich außerhalb des Stadtrandes von Lund befinden.
Geplante ESS in Lund

Etwa fünftausend Forscher – Physiker, Biologen, Chemiker und Materialwissenschaftler – analysieren alleine in Europa ihre Proben mit Neutronen. Hier stehen die meisten Neutronenquellen der Welt. Einige davon werden nach einer jahrzehntelangen und erfolgreichen Betriebsdauer in den nächsten zehn bis 25 Jahren stillgelegt werden müssen. Das betrifft zum Beispiel den weltweit leistungsfähigsten Neutronenreaktor am Institut Laue-Langevin (ILL) im französischen Grenoble, der seit 1971 in Betrieb ist und exzellente Erfolge verzeichnet. Weitere, kleinere, Neutronenquellen sind ISIS am Rutherford Appleton Laboratory in Großbritannien und SINQ am Paul Scherrer Institut in der Schweiz. Bei der Neutronenquelle ISIS handelt es sich um eine so genannte gepulste Spallationsquelle, bei SINQ um die erste Spallationsquelle mit kontinuierlichem Neutronenfluss.

2006 ist im amerikanischen Oak Ridge die stärkste gepulste Neutronenquelle in Betrieb gegangen. Die Spallation Neutron Source SNS soll in einigen Jahren ihre endgültige Leistungsfähigkeit von 1,4 Megawatt erreichen. In Japan gibt es mit J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) nördlich von Tokio ebenfalls eine große, ein Megawatt starke Anlage. „Um der Neutronenforschung in Europa auch für die Zukunft eine exzellente Perspektive zu bieten, haben sich viele europäische Länder, darunter Deutschland, zusammengetan und beschlossen, gemeinsam eine Neutronenspallationsquelle mit fünf Megawatt Leistung zu bauen und zu betreiben“ berichtet Schmidt. Die Neutronenimpulse der geplanten ESS sollen etwa zehnmal heller werden als die der Anlage in den USA und hundertmal heller als die Neutronenstrahlen des derzeit leistungsstärksten Forschungsreaktor am ILL.

Am 28. Mai 2009 fiel bei einem Treffen der europäischen Forschungsminister in Brüssel die Entscheidung, das Supermikroskop in Lund zu errichten. Vorangegangen war ein 18-monatiger Findungsprozess. Weil der direkte und der indirekte Nutzen für Wissenschaft, Technologie und Wirtschaft so hoch eingeschätzt werden, lieferten sich drei Bewerberländer bis zuletzt ein Kopf-an-Kopf-Rennen um den Standort. Am Ende sind Bilbao in Spanien und Debrecen in Ungarn Lund knapp unterlegen, nun aber Partner des europäischen Projekts in Lund.

Erste Neutronen bis 2019

Mit Plänen für eine Europäische Spallationsquelle war schon 1993 begonnen worden, unter maßgeblicher Beteiligung deutscher Wissenschaftler, vor allem vom Forschungszentrum Jülich. 2010 bis 2012 werden in einer so genannten „Re-Design-Phase“ die vorhandenen Planungen mit Erkenntnissen aus Bau und Betrieb der amerikanischen und der japanischen Einrichtungen ergänzt. Davon sollen alle Komponenten der Anlage – vom Beschleuniger über Targetstation bis zur Instrumentierung – profitieren. 2014 bis 2019 sind für den Bau der Anlage vorgesehen, 2019 bis 2025 für die Installation und Tests der Instrumente. Der reguläre Betrieb ist auf 40 Jahre ausgelegt. Forscher können sich dann mit ihren Projekten um Messzeit bewerben. Ein Auswahlverfahren wird sicherstellen, dass nur die aussichtsreichsten Anträge bewilligt werden.

Zeitplanung für Bau und Betrieb der ESS

2010–2012

Planungsphase

2014–2019

Bau der Anlage

2019–2025

Installation und Test der 25 Instrumente

2025–2065

Regulärer Betrieb

2066–2068

Außerbetriebnahme

Die Erfahrungen aus den USA und Japan helfen dabei, die ESS nicht nur besser sondern auch günstiger zu machen. Für den Bau sind 1,4 Milliarden Euro veranschlagt und für den laufenden Betrieb etwa fünf bis zehn Prozent davon. Die Verteilung der Kosten unter den Partnerländern wird noch diskutiert. Skandinavien hat zugesagt, mit 50 Prozent den Hauptteil der Investitionskosten zu übernehmen, da es auch direkt von den wirtschaftlichen Vorteilen des Projektes profitieren wird. Neben Geld werden die Partnerländer auch Sachleistungen beisteuern, etwa Instrumente. Die ESS soll aber nicht nur wissenschaftlich führend werden, sondern auch hinsichtlich ihres Energieverbrauchs. Geplant ist die erste vollkommen CO2-neutrale Anlage. Drei Strategien machen dies möglich: Spezielle Maßnahmen beim Bau verringern von vornherein den Energiebedarf um etwa 20 Prozent, die verwendete Elektrizität wird nur aus erneuerbaren Energien, wie Windenergie, bezogen und die entstehende Abwärme wird in Lunds Fernwärmenetz eingespeist.

Wichtiger Input aus Deutschland

Deutsche Forscher sind an allen Stufen des Projektes beteiligt: Neben dem Forschungszentrum Jülich lassen außerdem das Helmholtzzentrum Berlin, das GKSS-Forschungszentrum in Geesthacht sowie die Technische Universität München und der Forschungsreaktor FRM II in Garching bei München ihre langjährige Erfahrung in der Forschung mit Neutronen einfließen. Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg steuert langjähriges Expertenwissen im Bau und Betrieb von Teilchenbeschleunigern bei, das Know-how des Karlsruher Instituts für Technologie und des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf wird Target und Targetstation zugute kommen.

„Anfang der 1970-er Jahre hat sich – ausgelöst durch die Inbetriebnahme des ILL – geradezu eine Euphorie verbreitet,“, berichtet Götz Eckold, Vorsitzender des Komitees Forschung mit Neutronen in Deutschland. Denn durch den französischen Neutronenreaktor wurde die Spitzenforschung an Großgeräten auch für Universitätsgruppen zugänglich. Jetzt würden mit der ESS neue Anwendungsgebiete erschlossen und man spüre wiederum eine Aufbruchstimmung in eine neue Zeit, so Eckold: „Experimentatoren von universitären und außeruniversitären Forschungseinrichtungen können die Inbetriebnahme dieser Superquelle kaum erwarten, wird sie es doch erlauben, noch detaillierter als bisher das Verhalten der Natur gleichzeitig in Raum und Zeit zu entschlüsseln.“

Europäisches Gemeinschaftsprojekt

Der längste Teil der ESS wird der Linearbeschleuniger zur Erzeugung der Neutronen sein. Diese fliegen durch ein langes Gebäude und treffen im Target-Gebäude auf das zu untersuchende Objekt. Daran schließen sich auf der gegenüberliegenden Seite des Beschleunigers die technischen und Forschungslaboratorien an. Ergänzt werden sie von Parks, einem Besucherzentrum und einem Gebäude für Synchrotronstrahlungs-Versuche, genannt MAX IV.
Aufbau der geplanten Europäischen Spallationsquelle

Wie lässt sich so ein großes Forschungsprojekt organisieren und wo liegen die größten Herausforderungen? „Die ESS ist ein europäisches Gemeinschaftsprojekt, kein EU-Projekt. Das bedeutet, dass Entscheidungen nicht von der Europäischen Kommission oder dem Ministerrat getroffen werden, sondern gemeinsam von den Regierungen der beteiligten Länder“, erläutert Schmidt. In Lund wird dann auf europäischer Ebene darüber abgestimmt, unter Leitung des Briten Colin Carlile: Bei dem Direktor der ESS-Scandinavia laufen alle Fäden der Re-Design-Planungen zusammen. „Bei einer so großen Anlage gibt es viele Interessengruppen, und keine ist weniger wichtig als die anderen“, betont Carlile. Im Aufsichtsrat der ESS wacht Schmidt gemeinsam mit Beatrix Vierkorn-Rudolph vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über die Entwicklung des Projekts und die Wahrung der deutschen Interessen. Und auch im technischen und im wissenschaftlichen Beirat, im Verwaltungs- und Finanzausschuss sowie im Ausschuss für die Rekrutierung von Führungspersonal sitzen deutsche Vertreter aus Wissenschaft und Politik.

Video: Europäische Spallationsquelle ESSDie europäische Spallationsquelle ESS
Video: Europäische Spallationsquelle ESS

Die größten Herausforderungen an die ESS sieht Schmidt denn auch weniger auf der wissenschaftlich-technischen Seite, als vielmehr auf der administrativen: „Die Fragen reichen von einer angemessenen Rechtsform über die politische Steuerung bis hin zur gemeinsamen europäischen Finanzierung.“ Darüber hinaus werde es einiger Anstrengungen bedürfen, genügend qualifiziertes Fachpersonal zu finden: „Die ESS wird mehrere Hundert spezialisierte Forscher und Techniker benötigen, die die Anlage betreiben.“ Aber er ist sich sicher: „2025 wird in Lund eine Forschungseinrichtung stehen, die die besten Forscher aus aller Welt anzieht und Erkenntnisse liefert, die wir uns heute noch nicht einmal genau vorstellen können!“

Spallation

Spallation

Spallation leitet sich ab vom englischen Wort „to spall“ – „absplittern“ – und in der ESS geschieht genau das mit den Neutronen. Dafür beschleunigen Wissenschaftler zunächst Salven von Protonen nahezu bis auf Lichtgeschwindigkeit. Die hochenergetischen Protonen werden dann auf die Atomkerne eines schweren Metalls wie Blei oder Quecksilber gelenkt. Direkt durch den Aufprall werden allerdings nur wenige wissenschaftlich nutzbare Neutronen herausgeschlagen. Wichtiger ist, dass die Schwermetallkerne durch die auftreffenden Protonen energetisch so aufgeladen werden, dass pro Kern 20 bis 30 Neutronen „abdampfen“, um diese Energie wieder loszuwerden.

Mit der Erzeugung der freien Neutronen im Target ist es noch nicht getan: Die Teilchen fliegen mit einer Geschwindigkeit von 20.000 Kilometern pro Sekunde davon und besitzen damit noch zu viel Energie als dass die Forscher damit Experimente machen könnten – solche energiereichen Neutronen würden nämlich nicht wie gewünscht mit der Materialprobe in Wechselwirkung treten. Aus diesem Grund umgeben Tanks mit Wasser oder flüssigem Wasserstoff das Target als sogenannte Moderatoren und verringern die Geschwindigkeit der Neutronen je nach Experiment auf etwa zwei Kilometer pro Sekunde. Die abgebremsten Neutronen werden dann in langen Röhren zu den Experimentierstationen und auf die Proben gelenkt.

Neutronenstreuung

Neutronenstreuung

Neutronen sind die ungeladenen Bausteine der Atomkerne. Aufgrund ihrer Wellenlänge eignen sich Neutronen besonders gut zur Strukturaufklärung kondensierter Materie, also von großen Atomverbünden, wie Polymeren, Metallen oder Eiweißen und anderen Biomolekülen. Sie dringen tief in die Materie ein, ohne sie zu zerstören, anders als Röntgenstrahlung. Da sie, wie kleine Magneten, ein magnetisches Moment besitzen, können sie die magnetischen Eigenschaften der untersuchten Proben erkennen. Außerdem können sie präzise verschiedene Isotope von Elementen unterscheiden. Einzelne Bereiche von Molekülen lassen sich zum Beispiel durch den Ersatz von Wasserstoff durch Deuterium (schwerer Wasserstoff) gezielt anfärben und von anderen Bereichen der Moleküle unterscheiden. Anders als andere Methoden erkennen Neutronen zudem leichte Elemente genauso gut wie schwere. Die räumliche Auflösung von Neutronenexperimenten reicht von zehn Femtometern, was etwa dem Durchmesser eines Atomkerns entspricht, bis zu einem Mikrometer, beim Einsatz für tomographische Zwecke von Mikrometern bis Metern.

Weil die Energie der für die Experimente abgebremsten Neutronen ähnlich groß ist wie die thermischen Bewegungen von Atomen, können Neutronen auch dazu dienen, innere Bewegungen von Materie zu messen, wie Gitterschwingungen, Fluktuationen von Elektronen, magnetische Anregungen, Diffusions- oder Tunnelprozesse. Forscher vergleichen dafür die Energie und die Geschwindigkeit der Neutronen vor und nach dem Zusammentreffen mit der Probe. Die zeitliche Auflösung liegt bisher bei 100 Femtosekunden bis eine Mikrosekunde. Langsamere Bewegungen verfolgen die Forscher bisher, indem sie viele Einzelbilder aufnehmen, ähnlich wie bei einem Fernseh- oder Kinofilm. Die Neutronenstrahlung, eine Welle wie unser sichtbares Licht, wird dann wie ein Stroboskop eingesetzt und erreicht eine Auflösung oberhalb von 100 Millisekunden.