Wissenschaftler setzen die Kraft von Neutronen frei, um das Verständnis alltäglicher Materialien zu verbessern und grundlegende Fragen der Physik zu beantworten.
Abgesehen von Rückblenden, die die erfolgreiche Netflix-Serie „Breaking Bad“ heraufbeschworen haben mag, haben die meisten von uns wahrscheinlich glücklich vergessen, was wir in der Schule im Chemieunterricht gelernt haben.
Hier also eine kurze Zusammenfassung: Die Chemie befasst sich mit den Bausteinen unserer physischen Welt, wie zum Beispiel Atomen, und den Veränderungen, denen sie unterliegen. Ein Atom besteht aus einem Kern aus Protonen und Neutronen, der von einer Elektronenwolke umgeben ist.
Befreie die Neutronen
Nun zu etwas, was uns die Chemie an der High School vielleicht nicht beigebracht hat: Das bescheidene Neutron, das im Kern jedes Atoms außer Wasserstoff vorkommt, kann – wenn es richtig manipuliert wird – Licht auf alles werfen, von der Klimakrise und Energie bis hin zu Gesundheit und Quanten-Computing.
Ein solcher Weg ist ein ziemlich spektakulärer Prozess, der als Spallation bekannt ist. Dabei destabilisieren hochenergetische Teilchen den Atomkern, wodurch wiederum einige der dort vorhandenen Neutronen freigesetzt werden.
Wenn diese neu freigesetzten Neutronen genutzt werden, können sie wie Röntgenstrahlen verwendet werden, um die innere Struktur von Materialien abzubilden.
Die derzeit im schwedischen Lund im Bau befindliche Europäische Spallationsquelle (ESS) soll 2027 ans Netz gehen. Sobald sie ihre vollständigen Spezifikationen erreicht, wird sie aufgrund ihres beispiellosen Flusses und Spektralbereichs zur leistungsstärksten und vielseitigsten Neutronenquelle für die Wissenschaft in der Welt.
Der Zweck der Anlage, sagte Jimmy Binderup Andersen, Leiter Innovation und Industrie bei der ESS, „ist die Erzeugung von Neutronen, einem Neutronenstrahl, der für wissenschaftliche Zwecke verwendet werden soll.“
Sobald die Anlage in Betrieb ist, können Wissenschaftler aus ganz Europa und dem Rest der Welt ihre 15 verschiedenen Strahllinien für Grundlagenforschung nutzen.
Nicht Röntgen
Laut Andersen ist ein Neutronenstrahl „nicht dasselbe wie ein Röntgenstrahl, aber er ist komplementär und nutzt einige der gleichen physikalischen Gesetze.“
Neutronen können wie Röntgenstrahlen zur Untersuchung von Materialien und biologischen Systemen eingesetzt werden. Allerdings interagieren sie mit Materialien auf andere Weise als die Photonen in hochenergetischen Röntgenstrahlen und liefern daher unterschiedliche Arten von Informationen über ihre Ziele.
Neutronenstrahlen können beispielsweise etwas über die innere Dynamik von Lithium-Ionen-Batterien aussagen, verborgene Details antiker Artefakte enthüllen oder die Mechanismen der Antibiotikaresistenz bei Bakterien aufklären. Sie können auch zur Erforschung grundlegender Physik verwendet werden. Es scheint fast so, als würde man fragen: „Was können sie nicht?“
Neutronenbeschuss
Im Rahmen des teilweise von Andersen koordinierten BrightnESS-2-Projekts wurden für das ESS entwickelte Technologien mit der Industrie in Europa geteilt, um der Gesellschaft insgesamt zu helfen. Beispielsweise könnten einige der für die ESS-Strahllinien entwickelten Energiesysteme für erneuerbare Energietechnologien wie Windkraftanlagen nützlich sein.
Kürzlich wurde die ESS von einem europäischen Halbleiterhersteller kontaktiert, der an den Strahlungsfeldern interessiert war, die die Neutronenquelle erzeugen kann. Die Welt, in der wir leben, wird ständig mit Neutronen bombardiert, die entstehen, wenn hochenergetische Teilchen aus dem Weltraum, wie zum Beispiel kosmische Strahlen der Sonne, mit der Erdatmosphäre kollidieren. Im Laufe der Zeit kann diese Belastung elektrische Komponenten beschädigen.
Das ESS kann diesen Neutronenbeschuss nachahmen, jedoch in einem viel schnelleren Zeitmaßstab, sodass es zum Testen der Haltbarkeit kritischer elektrischer Komponenten verwendet werden kann, wie sie beispielsweise in Flugzeugen, Windkraftanlagen und Raumfahrzeugen verwendet werden.
Jetzt arbeitet ESS mit anderen Forschungsinstituten und Unternehmen zusammen, um eine mögliche zukünftige Nutzung einer Einrichtung wie ESS zu finden, um solchen spezifischen Branchenanforderungen gerecht zu werden.
ESS 2.0
Obwohl sich die ESS noch im Bau befindet, arbeiten Wissenschaftler bereits an einer Modernisierung der Anlage.
Wenn das ESS zum ersten Mal eröffnet wird, wird es einen Moderator haben, aber das HighNESS-Projekt entwickelt ein zweites Moderatorsystem. Die Moderatoren verlangsamen die beim Spallationsprozess erzeugten Neutronen auf ein Energieniveau, das die wissenschaftlichen Instrumente nutzen können.
„Die Neutronenenergie ist in einer Neutronenanlage wirklich wichtig, denn abhängig von der Neutronenenergie kann man verschiedene Arten von Physik betreiben“, sagte Valentina Santoro, Koordinatorin des HighNESS-Projekts.
Während der erste Moderator einen hochhellen, also sehr fokussierten Neutronenstrahl liefern wird, wird die im Rahmen des HighNESS-Projekts entwickelte Quelle eine hohe Intensität, also eine große Anzahl von Neutronen, liefern.
Die beiden Moderatoren ermöglichen es Wissenschaftlern, verschiedene Aspekte der Dynamik und Struktur von Materialien wie Polymeren, Biomolekülen, Flüssigmetallen und Batterien zu untersuchen.
Ein grundlegendes Mysterium
Der zweite Moderator ermöglicht außerdem Erkundungen der Grundlagenphysik, um erstmals zu sehen, wie aus einem Neutron ein Antineutron wird.
„Das ist sehr interessant, weil man ein Phänomen beobachtet, bei dem Materie zu Antimaterie wird“, sagte Santoro, Teilchenphysiker am ESS. „Wenn man so etwas beobachtet, kann man eines der größten ungelösten Rätsel verstehen: Warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.“
Dieses Experiment könne nur an der ESS durchgeführt werden, sagte Santoro, da es eine große Anzahl von Neutronen benötige und die ESS die höchste Anzahl der Welt haben werde.
„Man braucht nur ein Neutron, das zu einem Antineutron wird, und das ist alles. Sie haben diesen Prozess gefunden, bei dem Materie zu Antimaterie wird“, sagte Santoro.