Luftbild des Forschungs-Campus Garching; Quelle: TU München

Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz

Die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) besitzt ein einmalig breites Neutronenspektrum von ganz langsamen bis hin zu schnellen Neutronen. Damit gilt sie als modernste und vielfältigste Neutronenquelle der Welt.

Wissenschaftler aus vielen Fachbereichen – angefangen bei den Natur- und Ingenieurwissenschaften, über die Lebenswissenschaften bis hin zur Medizin – nutzen Neutronen, um Struktur und Eigenschaften ihrer Proben zu untersuchen. Neben der Grundlagenforschung wird mithilfe der elektrisch neutralen Teilchen auch angewandte Forschung betrieben. So lassen sich beispielsweise homogen dotierte Halbleitermaterialien für die Industrie herstellen oder neuartige Radioisotope für die medizinische Diagnostik entwickeln und produzieren.

Mit dem Atomei fing alles an

FRM II mit dem alten Forschungsreaktor München
FRM II mit dem alten Forschungsreaktor München

Die Neutronenforschung an der TU München begann im Jahr 1957 mit dem Forschungsreaktor München (FRM), der ersten nuklearen Anlage der Bundesrepublik Deutschland. Wegen seiner markanten Architektur wird er auch „Atomei“ genannt. Unter der Leitung des Physikers Heinz Maier-Leibnitz und seiner Nachfolger lieferte der Forschungsreaktor 43 Jahre lang zuverlässig Neutronen, bis er im Jahr 2000 außer Betrieb genommen wurde.

Im Jahr 2004 startete dann der Nachfolger, die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II). Die neue Neutronenquelle ist besonders effizient, da sie bezogen auf die thermische Leistung die weltweit höchste nutzbare Neutronendichte bietet. Zudem weist sie eine sehr geringe Untergrundstrahlung auf, bei Messungen treten also kaum störende Effekte auf. Besonders interessant für Wissenschaftler ist das einmalig breite Neutronenspektrum des FRM II, mit dem sie die Struktur von Materie auf einer Längenskala von einem zehntausendstel Mikrometer bis in den Mikrometerbereich gezielt untersuchen können: Während sich mit schnellen Neutronen zum Beispiel die Abstände von Atomen in Kristallen messen lassen, eignen sich langsame Neutronen, um nanometergroße Unregelmäßigkeiten in Materialien aufzuspüren. Die „maßgeschneiderten“ Neutronen erlauben eine Vielzahl an Anwendungen.

Der FRM II verfügt darüber hinaus auch über die weltweit stärkste neutroneninduzierte Positronenquelle. Mit diesen Elementarteilchen – den Antiteilchen des Elektrons – lassen sich Fehler in Kristallgittern sehr präzise ermitteln: In einem Kristall aus zehn Millionen Atomen kann mithilfe von Positronen ein fehlendes Atom nachgewiesen werden.

Neutronen für Forschung, Industrie und Medizin

Die derzeit 27 wissenschaftlichen Instrumente an der Forschungs-Neutronenquelle in Garching werden von der TU München sowie von anderen Universitäten und Forschungseinrichtungen und zum Teil in Kollaborationen betrieben. Die Instrumente stehen Wissenschaftlern auf der gesamten Welt zur Verfügung: Pro Jahr kommen mehr als tausend Physiker, Chemiker, Biologen und Materialwissenschaftler – vor allem aus Deutschland, aus Europa, aber auch aus Asien und Amerika – an die Neutronenquelle, um Erkenntnisse über die Struktur der Materie zu gewinnen. Sie untersuchen beispielsweise die Grundlagen der Supraleitung, um diesen physikalischen Effekt womöglich eines Tages für den widerstandsfreien Stromtransport bei normalen Temperaturen nutzen zu können, sie analysieren die magnetischen Eigenschaften von Materialien, die in zukünftigen Computern zum Einsatz kommen könnten, und sie erforschen, wie Proteine im menschlichen Körper funktionieren.

Dreichachsenspektrometer TRISP
Dreichachsenspektrometer TRISP

Daneben werden auch angewandte Forschung und Industrieprojekte vorangetrieben: Am FRM II hergestelltes, sehr homogen dotiertes Silizium kommt beispielsweise in Hybridautos zum Einsatz oder wird zum verlustarmen Stromtransport mittels Hochspannungs-Gleichstromtechnik verwendet. Wissenschaftler von Forschungsfirmen, die sich an der Neutronenquelle angesiedelt haben, entwickeln neuartige Radioisotope wie Luthetium-177, die der besseren Diagnostik und Therapie in der radiologischen Medizin dienen. Nicht zuletzt können an der Forschungs-Neutronenquelle Patienten mit oberflächennahen Tumorerkrankungen mittels Neutronenbestrahlung erfolgreich behandelt werden. Insgesamt stehen siebzig Prozent der Neutronenstrahlen der Grundlagenforschung zur Verfügung, angewandte Forschung, Medizin und Industrie teilen sich die restlichen dreißig Prozent.

 Im Jahr 2006 wurde an der TU München der Forschungsverbund „Origin and Structure of the Universe“ gegründet, in dem Wissenschaftler den Ursprung und die Struktur des Universums erforschen wollen. 2012 wurde dessen Förderung um weitere fünf Jahre verlängert. Im Rahmen dieses Exzellenzclusters wird am FRM II derzeit die weltweit stärkste Quelle für ultrakalte Neutronen aufgebaut. Mittels hochpräziser Messungen wollen die Forscher herausfinden, ob sich im Inneren von Neutronen ein elektrisches Dipolmoment, also eine ungleichmäßige Ladungsverteilung, nachweisen lässt. Dies würde Rückschlüsse darüber zulassen, warum wir zwar Materie, aber kaum Antimaterie im Universum beobachten – obwohl Experten davon ausgehen, dass beide Materieformen zum Zeitpunkt des Urknalls zu gleichen Teilen entstanden sind.

Wissenschaftliche Kooperation mit der Helmholtz-Gemeinschaft

Die TU München sowie die Helmholtz-Zentren Jülich, Geesthacht und Berlin haben im Jahr 2011 eine wissenschaftliche Kooperation geschlossen, damit die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz noch stärker zum Vorteil der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft genutzt werden kann. Bereits seit der Stilllegung der eigenen Neutronenquelle im Jahr 2006 engagiert sich das Forschungszentrum Jülich mit einer großen Forschergruppe an der Neutronenquelle in Garching. Im Rahmen der neuen Kooperation mit den Helmholtz-Zentren wird die Neutronenquelle der TU München in den nächsten Jahren weiter wachsen. Derzeit arbeiten insgesamt mehr als zweihundert Wissenschaftler und etwa fünfzig Doktoranden an der Neutronenquelle in Garching.

Positronenquelle Nepomuc
Positronenquelle NEPOMUC

Im Aufbau befindet sich eine neue Neutronenleiterhalle, die sechs weitere wissenschaftliche Instrumente sowie die Messstationen der Positronenquelle beherbergen soll. Gemäß der Philosophie von Heinz Maier-Leibnitz, dass neue Instrumente auf mindestens einem Gebiet weltweit führend sein sollen, sind neben dem bereits genannten Experiment, mit dem eine Ladungsverteilung im Neutron gemessen werden soll, folgende zwei Instrumente herausragend: Mit dem neuen Messgerät des Bayerischen Geoinstituts lassen sich Proben unter extrem hohen Drücken und Temperaturen untersuchen. Auf diese Weise können Wissenschaftler Materialien unter Bedingungen testen, wie sie tief unter der Erde herrschen. Außerdem baut das Forschungszentrum Jülich derzeit ein neues Instrument auf, das es erstmals erlaubt, die Polarisationsrichtung thermischer Neutronen in drei Dimensionen zu analysieren. Hierbei macht man sich zunutze, dass Neutronen ein magnetisches Moment besitzen, sich also in gewissem Sinn wie kleine Magnete verhalten. Damit sind sie ideale Sonden für Magnetfelder in Atomen und Atomkernen. Bei polarisierten Neutronen weisen alle magnetischen Momente die gleiche Orientierung auf. Das neue Instrument eröffnet Wissenschaftlern ganz neue Perspektiven in der Erforschung magnetischer Anregungen in Materie.

Die Neutronenquelle in Garching wird gegenwärtig zudem so weiterentwickelt, dass sie in Zukunft bis zu fünfzig Prozent des europäischen Bedarfs des für die radiologische Medizin bedeutendsten Isotops Molybdän-99 erzeugen kann. Damit hat die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz die Kapazitäten, zu einem der wichtigsten Lieferanten von medizinrelevanten Radioisotopen in Europa zu werden. Autorin: Petra Riedel ist Diplom-Physikerin und Journalistin und arbeitet als Pressereferentin an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München.