PhYsik und Industrie - Felix Wuersten

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ZUSAMMENARBEIT KONKRET Die Suche nach dem «Gott-Teilchen» Mit einem neuen Teilchenbeschleuniger suchen Physiker des CERN und der ETH Zürich nach den Grundbausteinen der Materie. Am Grossprojekt sind Firmen aus der ganzen Welt beteiligt. Die Partnerschaft zwischen Wissenschaft und Industrie ist eine Erfolgsgeschichte. Im Superlativ soll man nicht schreiben. Das wird an jeder Journalistenschule gelehrt. Wer sich mit Teilchenphysik befasst, braucht ihn aber oft, den Superlativ. Zwar sind die Teilchenphysiker den Grundbausteinen der Materie auf der Spur, die nicht unbedingt der Steigerungsform bedürfen. Die Anlagen aber, mit denen die Physiker arbeiten, sind riesig – und entsprechend teuer. Der Bau eines Teilchenbeschleunigers verschlingt so viel Geld, dass sich mehrere Länder die Kosten aufteilen müssen. Am Europäischen Labor für Teilchenphysik (CERN) bei Genf zum Beispiel beteiligen sich zwanzig Länder an den laufenden Kosten von rund 1,3 Mrd. Franken pro Jahr. Auch der «Large Hadron Collider» (LHC), der grösste Teilchenbeschleuniger, der bisher gebaut wurde und 3,1 Mrd. Franken kosten wird, übertrifft so manches andere Projekt. Mit dem LHC wollen die Forscher tief in die Materie eindringen, Protonen mit Protonen kollidieren lassen und dann die Teilchen beobachten, die entstehen. Unter anderem hoffen die Physiker, dass sie dabei das Higgs- Boson nachweisen können. Das in den Medien auch schon als «Gott-Teilchen» bezeichnete Boson ist für die Masse der Materie verantwortlich und wichtiger Bestandteil im Standardmodell der Teilchenphysik. Führende Rolle der ETH Zürich Für die Beobachtung und wissenschaftliche Auswertung benötigt man am LHC riesige Detektoren. Einer davon ist der CMS-Detektor (Compact Muon Solenoid), der von Physikern und Ingenieuren der ETH Zürich und Industriepartnern mitentwickelt wurde. Unter anderem sind Mitarbeiter der ETH für den supraleitenden Magneten, das Kristall-Kalorimeter und Teile der Elektronik verantwortlich. «Unser Institut war bis 1991 im Rahmen einer Kollaboration am Protonenbeschleuniger SSC in Dallas tätig. Aufgrund der politischen Entwicklung am SSC zog sich die Kollaboration zurück und arbeitete einen Vorschlag für den LHC am CERN aus», blickt der ETH-Ingenieur Istvan Horvath zurück. «Für dieses Projekt war die Entwicklung eines supraleitenden, aluminium-stabilisierten und mechanisch verstärkten Leiters notwendig. Auf Anregung des CERN hat das Institut für Hochenergiephysik der ETH unter der Leitung von Prof. Hofer diese Entwicklung an die Hand genommen.» Supraleitender Grossmagnet Horvath war damals als Projektleiter für die Entwicklung des Supraleiters verantwortlich. «Im Januar 1993 haben wir Firmen aus der Schweiz zu einer Tagung an die ETH eingeladen», erinnert er sich. «Zuerst informierten wir die Firmen über den Stand des Projekts, und anschliessend zeigten diese, welche Erfahrungen sie einbringen können.» Schliesslich kam es zur Zusammenarbeit, die eines erneuten Superlativs bedarf: Innert kurzer Zeit entwickelten die Industriepartner aus dem Inund Ausland neue Techniken für die Herstellung eines supraleitenden Magneten, der mit einer Magnetfeldstärke von 4 Tesla eine gespeicherte Energie von 2,7 Giga-Joule aufweist und 220 Tonnen wiegt. Doch der Reihe nach. Das finnische Unternehmen Outokumpu lieferte den technisch besten und finanziell günstigsten Draht für den Supraleiter – insgesamt 1947 Kilometer einer Niob-Titan-Legierung mit einem Durchmesser von nur 1,280 Millimetern. In Espoo ist man auf den Auftrag sehr stolz und verweist auf die beiden Auszeichnungen, die Outokumpu-Manager Ari Ingman vom CERN für die geleistete Arbeit entgegennehmen durfte. (Auch die im Folgenden angeführten Unternehmen wurden mit einem «CMS Award» ausgezeichnet.) Die Drähte wurden anschliessend bei Brugg Cables in der Schweiz weiterverarbeitet. Das Unternehmen hat bereits seit den achtziger Jahren Erfahrungen mit Supraleitern gesammelt, u. a. in Zusammenarbeit mit dem damaligen Schweiz. Institut für Nuklearforschung (dem heutigen Paul Scherrer Institut) in Villigen. In Brugg wurden nun jeweils 32 Drähte zu 22 Flachkabeln verseilt. «Wir mussten zuerst den Verseilprozess erlernen und anschliessend die Werkzeuge selbst herstellen», sagt Horvath. Überwacht wurde der Prozess von der EMPA Dübendorf. Entwicklungsleiter Peter Schreiner von Brugg Cables bezeichnet den Auftrag als wichtigen Türöffner, um sich als zuverlässiger Verseilpartner im High- Tech-Bereich für Drahtlieferanten zu positionieren. Kaskade von Partnerschaften Schliesslich wurden die Flachkabel in Aluminium eingeschlossen. Dafür verwendeten die Ingenieure von Nexans Suisse hochreines Aluminium des japanischen Unternehmens Sumitomo Chemicals. «Sumitomo kam durch die Ausschreibung mit uns in Kontakt. Sie lieferten die beste Qualität zu einem günstigen Preis», lobt Horvath – was Sumitomo-Direktor Hideaki Watanabe stolz bestätigt. Auch die Arbeit von Nexans wird als exzellent beschrieben. Das Unternehmen war als einzige Firma weltweit in der Lage, die Aufgabe zu übernehmen. Zusammen mit Horvath entwickelte Nexans-Projektmanager Boris Dardel spezifische Werkzeuge für die Extrusion – die Zusammenarbeit würdigt der ETH-Ingenieur als hervorragend. 6
ZUSAMMENARBEIT KONKRET Der Extrusionsprozess wiederum wurde durch eine Ultraschall-Einrichtung überwacht, welche die EMPA und die französische Firma R/D-Tech gemeinsam entwickelten. Projektmanager Dardel blickt zufrieden zurück: «Für Nexans ist es ein Highlight, dass das Unternehmen im CMS-Projekt eine entscheidende Rolle spielte.» Weitere Schritte folgten: Die Firma Alcan steuerte Verstärkungsprofile aus einer Aluminium-Legierung bei, die beiden Schweizer Unternehmen Marti Supratec und Helbling Technik entwickelten eine spezielle Messtechnik, die französische Techmeta verband die einzelnen Komponenten des supraleitenden Kabels mittels Elektronenschweissverfahren zu einer Einheit, und die italienische Ansaldo Superconduttori fabrizierte schliesslich daraus die fünf Magnetspulen. «Für mich war es eine schöne und interessante Aufgabe, zwischen der ETH und der Industrie im In- und Ausland die Verbindung herzustellen und immer wieder zu aktivieren», sagt Istvan Horvath. «Dank der gewonnenen Erfahrung wurden wir auch von anderen Instituten – zum Beispiel dem FermiLab in den USA oder dem KEK in Japan – angefragt, ihnen bei der Lösung ähnlicher Aufgaben behilflich zu sein.» Nutzen für die Allgemeinheit Auch Felicitas Pauss, Professorin am Institut für Teilchenphysik der ETH Zürich und Projektleiterin des CMS-Detektors, betont die guten Erfahrungen, die sie in der Zusammenarbeit mit Ingenieuren und Physikern machte. «Wichtig ist, dass man bei einem so grossen Projekt den Überblick behält, Prioritäten setzt und vor allem sehr gut kommuniziert.» Und Horvath meint: «Man muss genügend Verständnis für die Anforderungen der Physiker aufbringen und darf die Industrie nicht mit unlösbaren Aufgaben überfordern.» Auch Robert Aymar, seit Januar 2004 Direktor des CERN, unterstreicht den Nutzen, den die Zusammenarbeit von Pysikerinnen und Physikern mit Industriepartnern bringt. Zum Beispiel berge die Hochtechnologie grosses Potenzial, das auch in anderen Bereichen angewendet werden könne, etwa in der Medizin. Aymar: «Ich denke, dass sich der Nutzen für die Allgemeinheit auszahlt und die Entwicklungskosten schliesslich bei weitem aufwiegt.» Alle Elemente des supraleitenden Magneten sind inzwischen erstellt und werden noch in diesem Jahr umfassend getestet. Danach werden die Spulen in den CMS-Detektor eingebaut. Der Large Hadron Collider soll 2007 in Betrieb gehen und erste Resultate liefern – vielleicht auch den Nachweis für das «Gott-Teilchen». Auf jeden Fall wird es ein Superlativ sein. Michael Breu Kontakt: Prof. Felicitas Pauss, Institut für Teilchenphysik, ETH Zürich. Web: www.ipp.phys.ethz.ch/ 7
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