Pictures of the Future    Herbst 2007

Größter Kühlschrank der Welt

Um einige der ungelösten Rätsel des Universums zu lösen, wird am europäischen Forschungszentrum CERN der neue Teilchenbeschleuniger LHC gebaut. Siemens hat spezielle Bauteile geliefert, die entscheidend für die Kühlung der supraleitenden Magneten und damit für die präzise Funktion des gigantischen Beschleunigers sind.

Wenn Teilchenphysiker auf die Jagd gehen, brauchen sie Riesenflinten mit winzigen Geschossen. Im Frühjahr 2008 eröffnen sie unter der Erde bei Genf an der schweizerisch-französischen Grenze eine Jagdsaison, wie es sie noch nie gegeben hat: In einem 27 km langen Tunnelring schießen sie Partikel mit bisher unerreichten Energien aufeinander, um einige der großen Rätsel des Universums zu lösen. Darunter: Warum haben Teilchen eigentlich eine Masse? Und ist dafür das so genannte Higgs-Boson verantwortlich, wie das Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorhersagt?

100 m unter der Erdoberfläche, bei einem der Versorgungsschächte: Wissenschaftler arbeiten noch am Large Hadron Collider (LHC). Den Tunnel beherrscht ein 1,20 m dickes Stahlrohr mit supraleitenden Magneten, das in der Ferne eine Biegung macht. Ungezählte Kabel und kleinere Rohre sind an der Wand befestigt; im Nebentunnel stehen zahllose Schaltschränke für Hochspannungselektronik neben Steuerungssystemen für die beständig surrende Ventilation. Im Zentrum des Stahlrohrs verlaufen parallel zwei armdicke Röhren. Darin werden jeweils Protonen oder Blei-Ionen auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. An vier Stellen können die haardünnen Partikelstrahlen ineinander gelenkt werden. Durch die Kollisionen – bis zu 600 Millionen Mal pro Sekunde – erzeugt der LHC Bedingungen, wie weniger als eine Milliardstel Sekunde nach dem Urknall.

Im Gegensatz zum früheren Beschleuniger LEP wird das neue Forschungsinstrument der CERN-Teilchenphysiker deutlich höhere Energien erzeugen können und einen 100-mal dichteren Teilchenstrom. Diese hohe "Luminosität" ist besonders wichtig, weil sie trotz der geringen Größe der Partikel eine hohe Wahrscheinlichkeit von Kollisionen bietet – und damit eine hohe Wahrscheinlichkeit, das Higgs-Boson zu finden, das mindestens hundertmal schwerer sein muss als ein Proton. Die entstehende Materie und den Teilchenschauer registrieren vier große Detektoren an den Kreuzungspunkten; die Datenmenge von 15 Mio. Gbyte pro Jahr wird dann in einem eigens neu aufgebauten Computernetz analysiert und von den Forschern interpretiert. Sie erhoffen sich neben der Entdeckung des Higgs-Bosons völlig neue Erkenntnisse – beispielsweise über die bislang unbekannte dunkle Materie, aus der rund ein Viertel unseres Universums bestehen soll.

Der LHC arbeitet mit supraleitenden Magneten, die den Teilchenstrahl exakt auf Kurs halten. Dazu sind sie mit suprafluidem Helium auf -271 °C gekühlt. "Würden wir keine supraleitenden Magneten verwenden, müsste die Anlage einen Umfang von 120 km haben und würde 30-mal mehr Energie verbrauchen", sagt Laurent Tavian, der für die Kryotechnik verantwortliche CERN-Ingenieur. Während herkömmliche Magneten eine Feldstärke von etwa 2 T erreichen, schaffen die supraleitenden Spulen 8 T und können daher den Strahl stärker krümmen. Mehr als 1 600 superkalte Magnete braucht es dennoch dafür. "Wir bauen hier den größten Kühlschrank der Welt", witzelt Tavian und klopft mit dem Fingerknöchel auf eine der 1,20 m dicken Metallröhren im Tunnel. "Und Siemens hat daran einen bedeutenden Anteil."

Die bisher größte Anlage benötigte 3 .600 l suprafluides Helium. Hier sind es etwa 600 000 l. Erstmals muss so eine große Menge ultrakalte Flüssigkeit über die Entfernungen entlang des Rings transportiert und dazu extrem gut isoliert werden. Der Temperaturunterschied im gesamten Kühlsystem darf nur 0,1 ° betragen. Die Bedingungen stellen härteste Anforderungen an das Material. Die 15 m langen Magneteinheiten, die aneinandergefügt sind, schrumpfen durch die Kühlung um jeweils 4,5 cm. Spezielle Puffer halten das System absolut dicht. Ist die Kühlung einmal erfolgt, muss sie über mehrere Monate aufrechterhalten werden.

Gesplittete Regler. Die Verteilung des Heliums regeln Spezialventile für tiefste Temperaturen. Das System benötigt mehr als 1 000 Elemente mit Zu- und Abflüssen zur Kontrolle der Kühlung der Magneten und anderer Teile. Die Ventile werden von druckluftbetriebenen Antrieben bewegt, deren Position von Siemens-Stellungsreglern geregelt wird. "Direkt am Ring können wir die normalen Sipart-PS2-Regler nicht einsetzen", sagt Produktmanager Klaus-Peter Heer von Automation and Drives (A&D) in Karlsruhe. "Dort entsteht im Betrieb eine hohe Strahlenbelastung, die die empfindliche Elektronik beeinträchtigen oder zerstören würde".

Daher haben die A&D-Entwickler eine Split-Version der Sipart-PS2-Stellungsregler ersonnen, bei der alle Mikroprozessoren mit ihren Bedienfeldern in einem strahlengeschützten Nebentunnel untergebracht sind. "Vor der Auslieferung haben wir die Anordnung so praxis-nah wie möglich auf Herz und Nieren getestet", berichtet Heer. Die maximale Entfernung zwischen den Prozessorplatinen und den Stellungsreglern am Ring beträgt etwa 1 km. "Diese Komponenten sind entscheidend für die Kontrolle der Kühlung", sagt der CERN-Kryotechniker Tavian. "Wenn ein Regler ausfällt, könnten zwar in einigen Fällen andere vorübergehend dessen Funktion übernehmen, aber bei den meisten steht nach einem Ausfall über kurz oder lang die gesamte Maschine."

Szenenwechsel: Am Zugangspunkt eins endet ein schmaler, hell erleuchteter Gang an einer blauen Stahltür. Dahinter steht der ATLAS-Detektor, eine fast 50 m lange und 25 m hohe Maschine – hoch wie ein fünfstöckiges Haus. An der Wand der 53.000 m³ großen Kaverne sind Metallplattformen übereinander angeordnet, über die die Techniker Zugang zu den einzelnen Ebenen des Detektors haben. Er besteht aus mehreren Millionen Komponenten und wiegt viele tausend Tonnen. Und dennoch: Die Einzelteile müssen mit einer Präzision von einem hundertstel Millimeter ineinander passen. Allein in der innersten Zone befinden sich etwa zehn Milliarden Transistoren. Der ATLAS-Detektor ist die größte experimentelle Anordnung, die Teilchenphysiker je erschaffen haben. Im Prinzip sind es drei Detektorsysteme, die unabhängig voneinander verschiedene Eigenschaften der entstehenden Partikel messen. Auch hier werden acht supraleitende gekühlte Magnete benötigt. "Hier werden ebenfalls 130 unserer Stellungsregler in der Split-Version im Einsatz sein", sagt Produktmanager Heer. Insgesamt hat Siemens 1 400 Sipart-Regler in der Split-Version und etwa 400 herkömmliche geliefert.

Doch die komplexen Regler sind nicht der einzige Beitrag von Siemens zum LHC oder zum CERN. In den vergangenen zehn Jahren hat das Unternehmen zahlreiche Produkte geliefert, darunter Simatic-Steuerungen, Komponenten zur Stromversorgung oder auch Computer und Laptops. Weitere Zulieferer setzen auf Komponenten von Siemens, etwa mobile Bedienpanels oder meist unsichtbare Steuerungselektronik. Allein Siemens bekam Aufträge im Gesamtwert von 50 Mio. CHF (30 Mio. €) – ein Bruchteil der 6 Mrd. €, die der LHC und die Detektoren nach 15 Jahren Vorbereitung und Bauzeit kosten werden. Nun fiebern wie Laurent Tavian tausende Wissenschaftler auf der ganzen Welt dem Tag im Mai 2008 entgegen, an dem die Maschine eingeschaltet wird. "Wenn es das Higgs-Teilchen gibt, werden wir es sehr rasch aufspüren", sagt Tavian. Und wenn nicht? "Dann wird es erst recht spannend! Denn dann finden wir etwas ganz Unerwartetes, was die Teilchenphysik auf den Kopf stellen kann."
                                                                                                Norbert Aschenbrenner