Abgesehen von den Flashbacks, die die Netflix-Serie „Breaking Bad“ heraufbeschworen hat, haben die meisten von uns wahrscheinlich vergessen, was wir einst in der Schule im Chemieunterricht gelernt haben. 

Hier eine kurze Auffrischung: Die Chemie befasst sich mit den Bausteinen unserer physischen Welt, wie z.B. den Atomen, und den Veränderungen, denen sie unterworfen sind. Ein Atom besteht aus einem Kern aus Protonen und Neutronen, der von einer Wolke aus Elektronen umgeben ist. 

Freiheit für die Neutronen 

Doch nun etwas, das wir in der Schule vielleicht nicht gelernt haben: Das winzige Neutron, das in jedem Atomkern außer dem von Wasserstoff vorkommt, kann – wenn es auf die richtige Art und Weise behandelt wird – Licht auf alles werfen, von der Klimakrise und Energie bis hin zu Gesundheit und Quanteninformatik. 

Ein solcher Weg ist ein ziemlich spektakulärer Prozess, der als Spallation bekannt ist: Hochenergetische Teilchen destabilisieren den Atomkern, was wiederum einige der dort vorhandenen Neutronen freisetzt. Wenn man sie sich zunutze macht, können diese neu freigesetzten Neutronen wie Röntgenstrahlen verwendet werden, um die innere Struktur von Materialien abzubilden. 

Die Europäische Spallationsquelle (ESS), die derzeit in schwedischen Lund gebaut wird, soll 2027 in Betrieb gehen. Sobald sie ihre volle Leistungsfähigkeit erreicht hat, wird sie mit ihrem beispiellosen Fluss und Spektralbereich die leistungsstärkste und vielseitigste Neutronenquelle der Welt für die Wissenschaft sein. 

Der Zweck der Anlage, so Jimmy Binderup Andersen, Leiter der Abteilung Innovation und Industrie bei der ESS, „ist es, Neutronen zu erzeugen, also einen Neutronenstrahl, der für wissenschaftliche Zwecke genutzt werden kann“. 

Nach Inbetriebnahme der Anlage können Wissenschaftler aus ganz Europa und dem Rest der Welt die 15 verschiedenen Beamlines nutzen, um Grundlagenforschung zu betreiben. 

Kein Röntgenstrahl 

Laut Andersen ist ein Neutronenstrahl „nicht dasselbe wie ein Röntgenstrahl, aber er ist komplementär und nutzt einige der gleichen physikalischen Gesetze“.  Wie Röntgenstrahlen können Neutronen zur Untersuchung von Materialien und biologischen Systemen eingesetzt werden. Jedoch interagieren sie mit Materialien auf andere Weise als die Photonen in hochenergetischen Röntgenstrahlen und liefern daher andere Arten von Informationen über ihre Ziele. 

So können Neutronenstrahlen beispielsweise etwas über die innere Dynamik von Lithium-Ionen-Batterien aussagen, verborgene Details von antiken Artefakten aufdecken oder die Mechanismen der Antibiotikaresistenz bei Bakterien klären. Sie können auch zur Erforschung der Grundlagen der Physik eingesetzt werden. Es erscheint fast ein wenig wie „Was können sie eigentlich nicht?“. 

Neutronenbeschuss 

Im Rahmen des von der EU finanzierten und teilweise von Andersen koordinierten Projekts BrightnESS-2 wurden die für die ESS entwickelten Technologien mit der Industrie in Europa geteilt, damit die Gesellschaft insgesamt davon profitiert. Einige der für die ESS-Beamlines entwickelten Energiesysteme könnten zum Beispiel für erneuerbare Energietechnologien wie Windturbinen nützlich sein. 

Vor kurzem wurde die ESS von einem europäischen Halbleiterhersteller kontaktiert, der sich für die Strahlungsfelder interessiert, die die Neutronenquelle erzeugen kann. Die Welt, in der wir leben, wird ständig mit Neutronen beschossen. Diese entstehen, wenn hochenergetische Teilchen aus dem Weltraum, wie z.B. kosmische Strahlen von der Sonne, mit der Erdatmosphäre kollidieren. Im Laufe der Zeit kann diese Belastung elektrische Bauteile beschädigen. 

Die ESS kann diesen Neutronenbeschuss nachahmen, allerdings auf einer viel schnelleren Zeitskala, so dass dieser eingesetzt werden kann zur Prüfung der Haltbarkeit kritischer elektrischer Komponenten, wie sie in Flugzeugen, Windturbinen und Raumfahrzeugen verwendet werden. 

Derzeit arbeitet die ESS mit anderen Forschungsinstituten und Unternehmen zusammen, um herauszufinden, wie eine Einrichtung wie die ESS in Zukunft genutzt werden kann, um solche spezifischen Bedürfnisse der Industrie zu erfüllen. 

ESS 2.0 

Obwohl sich die ESS noch im Bau befindet, arbeiten Wissenschaftler bereits an einem Upgrade der Anlage. Bei der Eröffnung der ESS wird es nur einen Moderator geben, aber das von der EU finanzierte HighNESS-Projekt entwickelt ein zweites Moderatorsystem. Die Moderatoren werden die Neutronen, die während des Spallationsprozesses entstehen, auf ein Energieniveau abbremsen, das die wissenschaftlichen Instrumente nutzen können. 

„Die Neutronenenergie ist in einer Neutronenanlage sehr wichtig, denn je nach Neutronenenergie kann man verschiedene Arten von Physik betreiben“, erklärt Valentina Santoro, Koordinatorin des HighNESS-Projekts. Während der erste Moderator einen sehr hellen, d.h. sehr fokussierten Neutronenstrahl liefert, wird die im Rahmen des HighNESS-Projekts entwickelte Quelle eine hohe Intensität, d.h. eine große Anzahl von Neutronen, liefern. 

Die beiden Moderatoren werden es Wissenschaftlern ermöglichen, verschiedene Aspekte der Dynamik und Struktur von Materialien wie Polymeren, Biomolekülen, flüssigen Metallen und Batterien zu erforschen. 

Ein grundlegendes Rätsel 

Der zweite Moderator wird auch die Erforschung der fundamentalen Physik ermöglichen, um zu sehen, wie ein Neutron zum ersten Mal zu einem Antineutron wird. „Das ist sehr interessant, weil man ein Phänomen beobachtet, bei dem Materie zu Antimaterie wird“, sagt Santoro, der Teilchenphysiker an der ESS ist. „Wenn man so etwas beobachtet, kann man eines der größten ungelösten Rätsel verstehen: Warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.“ 

Dieses Experiment kann nur an der ESS durchgeführt werden, erklärt Santoro, weil es eine riesige Anzahl von Neutronen benötigt und die ESS über die höchste Anzahl der Welt verfügen wird. „Dazu braucht man nur ein Neutron, das zu einem Antineutron wird, und schon hat man den Prozess gefunden, bei dem Materie zu Antimaterie wird“, fügt Santoro ergänzend zu. 

Weitere Infos 

• BrightnESS-2 
• HighNESS 
• Forschungsinfrastruktur 

Artikel von Michael Allen