European Spallation Source ESS

Zwischenbericht zum Bau einer Kälteanlage für das Neutronenmikroskop

Im südschwedischen Lund baut ein Zusammenschluss europäischer Staaten eine der weltweit grössten Forschungseinrichtungen: die Europäische Spallationsquelle (ESS). Die stärkste Neutronenquelle der Welt macht die ESS zum gigantischen Labor, in dem Wissenschaftler aus Bereichen wie den Material- und Energiewissenschaften, Gesundheit und Umwelt forschen werden. Ohne ausgeklügelte und leistungsfähige Kühlsysteme könnte die Spallationsquelle nicht funktionieren. Linde Kryotechnik hat die notwendigen kryogenen Teile, wie zum Beispiel zwei einzigartige Coldboxen.

Es beginnt mit Protonen

Für die experimentelle Infrastruktur von Teilchenbeschleunigern sind zuverlässige Kühlsysteme elementar. Der Grund hierfür ist der Beschleunigungsprozess. „Um Neutronenstrahlen für die Wissenschaftler zu erhalten, müssen wir zunächst einen starken Strahl elektrisch geladener Teilchen erzeugen, in unserem Fall Protonen“, so Julia Öberg, Pressesprecherin der ESS. Elektrisch geladene Teilchen beschleunigen in elektromagnetischen Feldern. Neutronen allerdings sind, wie der Name schon sagt, elektrisch neutral und lassen sich daher nicht durch elektromagnetische Felder beeinflussen. „Die Aufgabe des ESS-Beschleunigers besteht also darin, einen starken Protonenstrahl zu erzeugen und ihn gegen eine rotierende Zielscheibe mit Steinen aus Wolfram zu schiessen“, erklärt Öberg. „Das neutronenreiche Schwermetall Wolfram setzt Neutronen frei, sobald die Protonen auf das Ziel treffen. Dieser Prozess wird dann als Spallation bezeichnet.“ Die Neutronenstrahlen sind für Wissenschaftler äusserst nützlich, da sie die Untersuchung von Materialien ermöglichen, die andere Informationen liefern als Experimente mit Elektronen- oder Synchrotronstrahlung.

Die Beschleunigung der Protonen auf die für den Spallationsprozess erforderliche Geschwindigkeit – etwa 96 Prozent der Lichtgeschwindigkeit – bedarf starker elektromagnetischer Felder. Diese werden von supraleitenden Hohlraumresonatoren erzeugt. Supraleitung bedeutet, dass der elektrische Widerstand durch extreme Kälte verschwindet. Dafür müssen die Hohlraumresonatoren mit suprafluidem Helium gekühlt werden, das dann eine Temperatur von 2 Kelvin, also minus 271 Grad Celsius haben muss. Genau hierfür benötigen die Ingenieure die erste Coldbox von Linde Kryotechnik: Die Accelerator Cryogenic Plant (ACCP), die bereits Anfang August 2017 auf der Baustelle in Lund ankam.

Seit September 2018 steht die zweite Coldbox TMCP, neben ihrer grossen Schwester ACCP. Auch wenn sich die zwei Kühlanlagen auf den ersten Blick ähneln, erfüllen sie beide komplett andere Aufgaben. Die ACCP kühlt den Beschleuniger, damit dieser die Protonen besser beschleunigen kann und diese mit einer höheren Geschwindigkeit auf ihr Ziel treffen. Durch das Auftreffen auf das Wolfram auf der „Zielscheibe“ werden dann die Neutronen freigesetzt. „Um diese Neutronen für die Wissenschaft nutzbar zu machen, werden sie durch die ausgeklügelten Wasserstoffmoderatoren der ESS verlangsamt. Diese Moderatoren werden durch die zweite Coldbox, die Target Moderator Cryogenic Plant (TMCP), gekühlt“, erklärt Öberg. Je kälter die Teilchen werden, desto langsamer passieren sie die Moderatoren.

Enge Zusammenarbeit und Austausch von Wissen

Selbst für ein hochspezialisiertes Technologieunternehmen wie Linde ist die Konzeption eines Kühlsystems für ein so komplexes Projekt kein Alltag. „Man kann eine solche Coldbox nicht einfach so bestellen“, sagt Philipp Arnold, Leiter für die Kryotechnik der ESS. Daher war Linde Kryotechnik bereits frühzeitig in der Konzeptionsphase eingebunden. Lars Blum, Head of Sales & Business Development bei Linde Kryotechnik, beschreibt die Zusammenarbeit mit Ingenieuren und Wissenschaftlern von ESS als „eine enge Partnerschaft mit einem kontinuierlichen Informations- und Wissensaustausch“.

Die enge Partnerschaft ist enorm wichtig, wenn es um anspruchsvolle Details und Sonderwünsche geht. „Eine besondere Herausforderung war es, eine hohe Effizienz auf verschiedenen Leistungsstufen und Expansionsphasen zu erreichen“, erklärt Blum. Eine zusätzliche Hürde stellt der Abstand zwischen der TMCP und dem Ziel dar. Da sie 300 Meter voneinander entfernt sind, brauchen die Gasmoleküle mehrere Minuten für den Weg vom Zielort zur Coldbox. Um schnell auf Veränderungen von Druck, Durchfluss oder Temperatur an der Zielstation reagieren zu können, haben die Ingenieure von Linde und ESS ein spezielles Steuerungskonzept entwickelt. So können sie mit der verzögerten Reaktion des Systems umgehen.

Die Hälfte ist geschafft

Mit der Ankunft der zweiten Coldbox in Lund ist die Arbeit von Linde noch lange nicht vorbei. „Es dauert mehrere Monate, wenn nicht sogar ein Jahr, bis wir das Kühlsystem komplett installiert haben”, sagt Arnold. Hierzu müssen die Ingenieure und Techniker unter anderem ein komplexes Gewirr aus Rohrleitungen und Ventilen fachgerecht anbringen. Deshalb bleibt eine kleine Gruppe von Linde-Ingenieuren während der Installation, Inbetriebnahme und Prüfung vor Ort.

Nach über einem Tag Arbeit erreicht die TMCP ihren Platz in der Halle neben ihrer Schwester der Beschleuniger-Kryoanlage (Accelerator Cryogenic Plant ACCP). Die Installation und Einrichtung des gesamten Kühlsystems wird noch Monate bis zu einem Jahr dauern. (Credit: Ole Øystein Bakke/ESS)

Nach über einem Tag Arbeit erreicht die TMCP ihren Platz in der Halle neben ihrer Schwester der Beschleuniger-Kryoanlage (Accelerator Cryogenic Plant ACCP). Die Installation und Einrichtung des gesamten Kühlsystems wird noch Monate bis zu einem Jahr dauern. (Credit: Ole Øystein Bakke/ESS)

Doch nicht nur am Kühlsystem laufen die Arbeiten, sondern auch das gesamte ESS-Gelände ist noch eine riesige Baustelle. „Bislang haben wir 52 Prozent der Baumassnahmen abgeschlossen”, sagt Julia Öberg.

Für das Jahr 2019 stehen die Installation und Inbetriebnahme des technischen Equipments in verschiedenen Teilen der Anlage auf dem Plan. 2023 sollen die ersten Wissenschaftler mit ihren Forschungsarbeiten an der ESS beginnen. Dann sind die optimalen Rahmenbedingungen für multidisziplinäre Forschung und wissenschaftliche Durchbrüche gegeben – gekühlt von Linde Kryotechnik.