Schall

Der ruhigste Raum der Welt

Ein im Mai 2011 eröffnetes Forschungslabor in der Schweiz schirmt Erschütterungen, elektromagnetische Felder und Lärm hocheffizient ab. Die insgesamt sechs Räume bieten ideale Voraussetzungen für empfindliche Versuche von Nano- und Quantenforschern und könnten als Vorbild für viele weitere „Noise-Free“-Labore dienen.

Bungalowartiges Gebäude aus Glas, Beton und Stahl auf einer grünen Wiese.
Außenansicht des Binnig and Rohrer Nanotechnology Center

Nanoforscher lieben die absolute Ruhe. Denn nur ohne jede Störung durch Lärm, Erschütterungen oder elektromagnetische Felder können sie die perfekte Kontrolle über ihre Proben im atomaren Maßstab gewinnen. In dem derzeit wohl ruhigsten Labor der Welt finden Schweizer Wissenschaftler optimale Bedingungen für ihre anspruchsvollen Experimente. Nahezu perfekt abgeschirmt können dort winzige Bauteile für zukünftige Spintronik-Chips entwickelt und schärfere Bilder von komplexen Molekülen geschossen werden als je zuvor.

Die Labore bilden das Herzstück des neuen Nanotechnologie-Zentrums, das der Technologiekonzern IBM und die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ) in Rüschlikon eröffneten. Der gesamte Bau mit Reinraum, Büros und Versuchslaboren auf 6500 Quadratmetern Fläche kostete mehr als 40 Millionen Euro. Weitere 20 Millionen Euro sind für die Laborausstattung und den Betrieb vorgesehen.

Auf Luftkissen gebetteter Betonsockel gründet direkt auf Feldgestein

„Für uns ist der Laborraum nun selbst ein Teil des Experiments“, sagt Emanuel Lörtscher, der maßgeblich am Aufbau der „Noise-Free-Labs“ am IBM-Forschungszentrum in Rüschlikon bei Zürich beteiligt war. Acht Meter unter dem Erdboden und auf einer Fläche von 176 Quadratmetern können nun die Firmenforscher und Kollegen von der ETHZ ihre komplexen Experimente aufbauen. Kein vorbeifahrender Lastwagen und kein Funkmast sollen die Versuche in den insgesamt sechs Laborräumen stören. Um dieses Ziel zu erreichen, mussten die Bauherren in der dreijährigen Bauzeit sehr erfinderisch sein und viele Probleme lösen. So stehen die High-Tech-Räume direkt auf dem festen Gestein des Untergrunds.

Dämpfer in Form eines etwa ein Meter hohen und 50 Zentimeter breiten Zylinders.
Diese Dämpfer gleichen Erschütterungen aus

Das allein reicht jedoch nicht aus, um Erschütterungen – verursacht von vorbeifahrenden Zügen und Autos – zu verhindern. Daher flossen über 40 Tonnen Beton zusätzlich in das Fundament. Der massive, bis zu 80 Zentimeter dicke Betonsockel liegt nicht direkt auf dem Gestein auf, sondern schwebt auf einem überdimensionalen Luftkissen. Über eine aktive Steuerung kann er so jeder kleinsten äußeren Erschütterung entgegenwirken und sie quasi verschlucken. Erste Testmessungen zeigten die Effizienz dieser ausgeklügelten Vibrationsdämpfung. „Schwere Güterzüge – nur 180 Meter entfernt – hatten vor allem nachts immer relativ hässliche Schwingungen zwischen 30 und 80 Hertz verursacht“, sagt Lörtscher. „Davon merken wir auf diesem Fundament gar nichts mehr.“ In Zahlen ausgedrückt werden die Schwingungen bis auf Einhundert Millionstel Millimeter pro Sekunde gedämpft. Gegen Schallwellen helfen zudem Dämmvorrichtungen, wie sie sonst in den Aufnahmestudios der Musikindustrie verwendet werden.

Diese Ruhe soll auch nicht durch wummernde Vakuumpumpen, wie sie nahezu jedes Nanoexperiment benötigt, gestört werden. Daher werden diese Hilfsaggregate aus dem eigentlichen Versuchsraum verbannt. Pumpleitungen aus einem abgeschirmten Nebenraum führen zu der eigentlichen Versuchskammer. Auch für Menschen wird das „Noise-Free“-Labor zur Sperrzone. Denn jeder strahlt über seine Körpertemperatur so viel Wärmeleistung ab wie eine 100 Watt-Glühlampe, was genügt, um einzelne Atome in unerwünschte Schwingungen zu versetzen. Daher müssen alle Experimente aus einem benachbarten Kontrollraum ferngesteuert kontrolliert werden.

Klimaanlage für laminare Luftströmungen

Quaderförmige Module, eingelassen im Boden eines fensterlosen Raums.
Betonstützen für empfindliche Aufbauten

Für ein konstantes Laborklima sorgt eine Klimaanlage, die nicht nur die Temperatur auf ein Zehntel Grad konstant hält. Durch eine geschickte Anordnung von Kühlelementen und Lüftungsschlitzen soll das Labor mit einer möglichst gleichförmigen, turbulenzfreien Strömung belüftet werden. In der Decke montierten die Konstrukteure dazu einen Aluminium-Fächer, der, ähnlich wie die Kühlrippen auf einem Computerchip, Wärme abführen kann. „So erzeugten wir eine laminare Strömung von unten nach oben“, erklärt Lörtscher. Eine Aufheizung durch Lichtquellen hält sich zudem dank stromsparender Leuchtdioden in engen Grenzen. Damit verzichten die Laborbauer weitestgehend auf den Einsatz von Leuchtstoffröhren. Denn diese senden elektromagnetische Strahlung aus, die die Messungen der extrem empfindlichen Detektoren stören kann. Um ganz sicher zu gehen, wollen die Nanoforscher während ihrer Versuche jede künstliche Lichtquelle ausschalten.

Metallmantel und Spulen gegen Elektrosmog

Auch rund um das Laborgebäude des neuen Nanotechnologie-Zentrums befinden sich viele Störquellen. Mobilfunksender, Hochspannungsleitungen, die Stromversorgung der Bahnstrecken und sogar das Erdmagnetfeld funkten den Forschern bisher im wahrsten Sinne des Wortes dazwischen. Ein Mantel aus einer Nickel-Eisen-Legierung umhüllt daher die Versuchsräume. Dieses sogenannte µ-Metall (gesprochen „mü“) verschluckt bereits einen guten Teil der elektromagnetischen Störstrahlung. Kleine Restfelder könnten aber immer noch den Weg in das „Noise-Free“-Labor finden. Dagegen sollen gigantische Drahtspulen entlang der drei Raumachsen helfen, in die die Räume gewissermaßen eingewickelt sind. Gesteuert über hochsensible Sensoren für elektromagnetische Felder werden mit der stromdurchflossenen Spule aktive Gegenfelder aufgebaut. Diese löschen sich mit den Störfeldern so effizient gegenseitig aus, dass die resultierende Feldstärke kleiner als fünf Nanotesla ist. Sie bieten weltweit den wirksamsten Schutz gegen Elektrosmog.

Mit der Eröffnung der „Noise-Free-Labs“ stehen die Forscher von IBM und der ETHZ nun in den Startlöchern für ihre abgeschirmten Experimente. Zunächst wird ein Elektronenstrahlschreiber installiert, mit dem sich Prototypen für atomar kleine Schaltkreise der Zukunft fertigen lassen. 2012 folgt dann ein Transmissionselektronenmikroskop, das dank absorbierter Vibrationen noch genauere Aufnahmen von Molekülen liefern soll. Lörtscher ist sich sicher, dass viele Nanoforscher außerhalb Zürichs von den Erfahrungen seines Teams profitieren werden. „Wir haben bereits Anfragen von Universitäten und Unternehmen bekommen“, sagt er. In Zusammenarbeit mit den am Bau beteiligten Firmen sollen einzelne Teilentwicklungen nun patentrechtlich geschützt werden. Über Lizenzen könnte eine Weitergabe des „Noise-Free“-Wissens an andere Nanolabore schon bald erfolgen.