Der elektromagnetische Isotopentrenner (EMIS) des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) schrieb 2018 Geschichte, als er 500 Milligramm des seltenen Isotops Ruthenium-96 produzierte, das nirgendwo sonst auf der Welt erhältlich ist.
Und die EMIS-Technologie wird immer besser, sagte Brian Egle, der die Abteilung für Forschung, Entwicklung und Produktion stabiler Isotope der Enrichment Science and Engineering Division leitet.
„Es ist im Wesentlichen in der Lage, das gesamte Periodensystem zu trennen“, sagte er.
In einem EMIS werden Elemente in Gasform gebracht und elektrisch positiv geladen. Anschließend werden sie einem Magnetfeld ausgesetzt, das sie nach Masse trennt. Jedes Isotop hat ein anderes Gewicht und bewegt sich in einem leicht unterschiedlichen Radius durch das Feld, sodass die verschiedenen Isotope getrennt gesammelt werden können.
Die Technologie wurde entwickelt, um eine Lücke zu schließen, die durch die Schließung der Calutron-Anlage aus der Zeit des Manhattan-Projekts am Y-12 im Jahr 1998 entstand, die den inzwischen schwindenden US-Vorrat an stabilen Isotopen produzierte. Die EMIS-Entwicklung soll die Abhängigkeit der USA von ausländischen Lieferanten für seltene, schwer herzustellende stabile Isotope verringern. EMIS kann nun die Qualität der an den Calutrons erzeugten Isotope erreichen oder sogar übertreffen.
Egle kam 2010 zum ORNL, um an der ersten Generation von EMIS zu arbeiten, die noch immer im Labor verwendet wird. Seitdem hat er an EMIS der zweiten und dritten Generation gearbeitet – jedes besser als das andere, sagte er.
Während das ursprüngliche EMIS Isotope jedes Elements mit angemessener Auflösung trennen konnte, ist die Maschine der dritten Generation für die Trennung von Elementen am schwereren Ende des Periodensystems optimiert, wie beispielsweise Ytterbium, dessen Isotop Yb-176 in der Nuklearmedizin und Radiographie verwendet wird.
Darüber hinaus kann es alle Isotope von Ytterbium gleichzeitig trennen, während die Calutrons eine Reihe von Trennungen durchliefen und nur jedes andere Isotop – gerade oder ungerade Zahlen – einfangen konnten.
Andere Isotope von Ytterbium würden beispielsweise im Quantenspeicher verwendet, sagte Egle. EMIS-3 kann sie alle produzieren. Das ist wichtig, da bestimmte Isotope, deren Verwendung bisher nicht bekannt war, in Zukunft von entscheidender Bedeutung sein könnten.
„Dinge, die vor 40 Jahren nicht das Zielisotop waren, das wir in unserem Bestand haben, können plötzlich zum Wegbereiter für die zukünftige Wissenschaft werden“, sagte Egle. „Wir werfen auf keinen Fall Isotope weg, wenn wir es vermeiden können.“
Im Gegensatz zu den Calutrons sind EMIS automatisiert, sodass die damit verbundenen Arbeitskosten voraussichtlich niedriger sein werden. Und während die Calutrons miteinander verbunden waren, kann jedes EMIS unabhängig voneinander betrieben werden, sodass mehrere Isotope gleichzeitig erzeugt werden können – zum Beispiel ein medizinisches Isotop neben einem nationalen Sicherheitsisotop wie Nickel-63, das zum Aufspüren von Sprengstoffen auf Flughäfen verwendet wird.
„Nach dem Ermessen des DOE könnten wir drei Maschinen haben, die Ytterbium betreiben, drei, die Nickel betreiben, und eine, die eine kleine Menge eines seltenen Isotops betreibt, das für die Forschung benötigt wird“, sagte Egle. „Es sind alles unabhängige Maschinen, die gleichzeitig unabhängige Missionen in derselben Einrichtung durchführen können.“
EMIS spielt eine wichtige Rolle in den Plänen für das Stable Isotope Production and Research Center (SIPRC), eine neue Anlage, die sich derzeit im Bau befindet und voraussichtlich bis 2030 in Betrieb gehen wird. Aufgrund ihrer Flexibilität ist sie eine perfekte Ergänzung zum Gaseous Centrifuge Isotope Separator (GCIS), dem Labor entwickelt sich für mehrere Isotope. Autarkes GCIS, das auch in SIPRC zum Einsatz kommt, kann große Mengen an Isotopen zu geringen Kosten produzieren. Aber die Umstellung von GCIS von einem Isotop auf ein anderes ist ein Prozess, der Jahre dauern kann, während EMIS innerhalb weniger Wochen von der Produktion eines Isotops auf ein anderes umstellen kann.
„Das EMIS füllt einen Boutique-Nischenmarkt: Milligramm-zu-Gramm-Maßstab bei sehr hohen Anreicherungen, mit hoher Flexibilität, sodass wir relativ schnell über das gesamte Periodensystem wechseln können“, sagte Egle.
Die Entwicklung von EMIS-3 verlief reibungslos, sagte Egle, aufgrund ausreichender Finanzierung – einschließlich der Renovierung einer Anlage speziell für seine Produktion – und aufgrund des Fachwissens und der qualifizierten Arbeitskräfte, die ORNL während der Entwicklung der ersten beiden Generationen wuchs.
„Wir haben das nicht einfach aus einem Buch kopiert“, sagte er. „Das ist Wissen, das wir aufgebaut haben, und eine Wissensbasis, die auf die nächste Stufe gebracht werden kann, egal welche Stufe die nächste ist.“
Das Labor hat außerdem Beziehungen zu Anbietern aufgebaut, um die von ORNL entworfenen Komponenten für EMIS-3 herzustellen. Egle sagte, Teile für die Technologie kämen von einem kleinen, familiengeführten Elektronikunternehmen im nahegelegenen Blount County und sogar von einer Elektromagnetanlage in Neuseeland. Anbieter schicken vollständig integrierte Module an ORNL, um sie zu einer kompletten Maschine zusammenzubauen.
„Das Schöne an EMIS-3 ist, dass es eine sehr solide Plattform für die weitere Entwicklung ist“, sagte Egle. „Es ist extrem modular aufgebaut, und das gibt dem Design viel Flexibilität. Wenn man das gesamte Periodensystem betrachtet, ist Flexibilität sehr wichtig. Wenn wir zusätzliche sicherheitstechnische Kontrollen für verschiedene Toxizitäten oder Gefahren hinzufügen müssen, ist das einfach.“ “
Egle ist begeistert vom Potenzial zukünftiger EMIS-Generationen – und im Übrigen auch vom stabilen Isotopenprogramm des ORNL im Allgemeinen.
„Das Programm für stabile Isotope ist absolut faszinierend; es ermöglicht so viele verschiedene Dinge“, sagte er. „Man kommt zur Arbeit und sagt: ‚Möchte ich an der Heilung von Krebs, der Grundlagenforschung, der nationalen Sicherheit … arbeiten?‘ Im Laufe eines Tages im Stabilisotopenprogramm kann man so ziemlich alles anfassen. Das kann man an unseren Mitarbeitern sehen. Die Leute sagen: „Wow, ihr seid sehr begeistert von dem, was ihr tut.“ Es ist leicht, sich für einen solchen Missionsraum zu begeistern.“