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Das immer raschere Umsetzen wissenschaftlicher Erkenntnisse in Verfahren und Produkte des täglichen Lebens prägt unsere Zivilisation und ist Motor des Fortschritts. Dass dabei Neutronen als einzigartige und für viele Fragestellungen unverzichtbare Sonden zur Untersuchung von Materialien eine wichtige Rolle spielen, ist nicht überraschend, und es ist klar zu sehen, dass ihre Bedeutung mit dem Vordringen wissenschaftlicher Methoden in immer mehr Bereiche des täglichen Lebens noch zunehmen wird. Die Forschung mit Neutronen strahlt schon jetzt auf viele unterschiedliche Gebiete des täglichen Lebens aus. Neutronen dienen dabei nicht nur zur Analyse von Materialeigenschaften, sondern – über Kernreaktionen – auch zur Materialmodifi kation. Einige Beispiele aus den Gebieten Kommunikation und Informationstechnologie, Mobilität, Energie und Umwelt, Gesundheit sowie kulturelles Erbe sollen diese Bedeutung der Neutronenforschung belegen. Kommunikation und Informationstechnologie Überall im täglichen Leben begegnen uns magnetische Medien zur Datenspeicherung. Die enormen Fortschritte in Speicherdichte und Geschwindigkeit beim Aufzeichnen und Auslesen und die damit verbundene Miniaturisierung der Speichermedien wären ohne intensive Grundlagenforschung nicht möglich gewesen. Neutronen als kleine „Elementarmagnete“ sind die idealen Sonden zur Erforschung magnetischer Eigenschaften von Materialien auf mikroskopischer Skala. Nahezu alles, was wir heute über Ordnung und Dynamik der magnetischen Momente in Materialien und die Änderung magnetischer Strukturen durch äußere Einfl üsse sicher wissen, beruht auf Ergebnissen von Neutronenstreuexperimenten. Spintronik Welche Entwicklungen in der Informationstechnologie wurden in der letzten Zeit durch Grundlagenforschung ermöglicht Die Entdeckung des GMR-Effektes (Riesenmagnetowiderstand) durch Grünberg et al. und Fert et al. im Jahre 1988 hat das Gebiet der Spintronik begründet. Speicherung, Transport und Verarbeitung von Information unter Ausnutzung der Abhängigkeit elektrischer Transporteigenschaften vom Elektronenspin ermöglicht erheblich schnellere, leistungseffi zientere und kleinere Bauelemente. Bei der Entdeckung dieses Effekts hat die Neutronenstreuung zwar keine Rolle gespielt. Jedoch war umfangreiche Grundlagenforschung zur technischen Realisierung der Bauelemente, die auf diesem Effekt basieren, unabdingbar, und hier haben Neutronen entscheidende Beiträge geliefert. Zur Optimierung von Bauteilen müssen die magnetischen Eigenschaften unterschiedlichster Materialien und Materialkombinationen im Detail untersucht und verstanden werden. Bei den Paketen aus dünnen Schichten – typische Bauelemente der Spintronik - sind es insbesondere auch strukturelle und magnetische Rauigkeiten in den Grenzschichten, die das Verhalten der Bauelemente stark beeinfl ussen können. Sehr bald nach seiner Entdeckung wurde der GMR-Effekt zusammen mit dem Exchange-Bias-Effekt, einem weiteren an Dünnschichtpaketen zu beobachtenden Effekt, zum Bau empfi ndlicher Festplattenleseköpfe ausgenutzt. Durch den Einsatz dieser neuen Leseköpfe ließen sich die nutzbaren Speicherdichten von Festplatten in kurzer Zeit um den Faktor 10 steigern. Magnetische Speicher Noch am Anfang steht eine Entwicklung hin zu noch dichteren Magnetspeichern, bei denen die Magnetisierung des Materials nicht mit einem äußeren Magnetfeld, sondern mit anderen Mitteln, beeinfl usst wird. Ergebnisse der Grundlagenforschung mit Neutronen erlauben erste Einblicke, wie erfolgversprechende Systeme funktionieren könnten. Eine aussichtsreiche Materialklasse stellen die ferromagnetischen Ferroelektrika (Multiferroika) dar, in denen durch ein äußeres elektrisches Feld reversibel ferromagnetische Ordnung in einem Kristall an- und abgeschaltet werden kann. Vor kurzem wurde mit Neutronenstreuung am System HoMnO 3 im Detail der dafür verantwortliche Mechanismus aufgeklärt. Silizium Bei all diesen Entwicklungen auf dem Gebiet der magnetischen Speichermedien soll nicht vergessen werden, dass Neutronen auch bei der Herstellung homogen dotierten Siliziums – eines Grundstoffs für elektronische Bausteine – eine wichtige Rolle spielen. Dazu werden Blöcke von einkristallinem Silizium in Reaktoren mit Neutronen bestrahlt, wobei über eine Kernreaktion etwa eines von 1 Million Siliziumatomen in ein Phosphoratom umgewandelt wird. Die große industrielle Bedeutung dieser als Transmutationsdotierung bezeichneten Methode ist in der exzellenten Homogenität begründet, die damit erreicht wird. So werden wesentlich höhere Leistungsdichten bei Transistoren und Thyristoren, wie sie zum Beispiel in der Bahntechnik eingesetzt werden, möglich. CoFe – frei drehbar Oxid-Barriere CoFe - festgehalten Abb. 3.1. Der magnetoelektrische GMR-Effekt. Der elektrische Widerstand dieses Schichtpakets ändert sich, je nachdem ob die Magnetisierungsrichtungen in den beiden ferromagnetischen Schichten parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sind. Er ist gering bei paralleler Orientierung und groß bei antiparalleler Orientierung. Ein magnetisches Signal (Richtung der Magnetisierung) wird so in ein Stromsignal (elektrischer Widerstand) übersetzt. Abb. 3.2. Der Exchange-Bias-Effekt. Eine antiferromagnetische Schicht fixiert die Magnetisierungsrichtung der angrenzenden ferromagnetischen Schicht. Sogenannte „Spinvalve“-Bauelemente, bei denen eine zweite ferromagnetische Schicht durch ein externes Feld gedreht werden kann, wirken über den Magnetwiderstand als Sensoren. Abb. 3.3. Schema eines sog. MRAM-Speichers als Beispiel eines lateral strukturierten magnetischen Schichtsystems. Abb. 3.4. Neutronenstreuung konnte in HoMnO 3 den Mechanismus bestimmen, der zu multiferroischem Verhalten (Kombination von ferroelektrischem und ferromagnetischem Verhalten) führt. Derartige Multiferroika könnten sich als entscheidend für die Entwicklung magnetischer Speicher erweisen. 50 Kommunikation 51
Mobilität Personen- und Güterverkehr bestimmen unser tägliches Leben in einem Ausmaß, das früher undenkbar erschien. Grundlage dieser Entwicklung sind enorme Ingenieur-Leistungen, die zu immer schnelleren und zuverlässigeren Transportmitteln führten - man denke nur an die Entwicklung des Luftverkehrs. Möglich wurde dies durch den Einsatz immer besserer Materialien, wobei deren Potential immer häufi ger bis an die Grenzen ausgereizt wird. Die Verkehrstechnik ist deshalb nicht nur auf die Entwicklung neuer Materialien angewiesen, sondern auch auf Methoden, die es erlauben, ganze Bauteile zuverlässig unter realen Bedingungen - auch unter Grenzbelastungen - zu testen. Insbesondere müssen verlässliche experimentelle Daten gewonnen werden, die zur Validierung von mathematischen Modellierungen von Bauteilen, z. B. Finite-Elemente-Rechnungen, herangezogen werden können. Damit können dann belastbare Standzeiten für Maschinen festgelegt werden. Eigenspannungsanalyse Insbesondere aufgrund ihrer Fähigkeit, tief in Metalle einzudringen, wurden Neutronen in den letzten Jahren für Ingenieure ein immer wichtigeres Werkzeug. Diese Eigenschaft erlaubt zum Beispiel, Spannungszustände auch im Inneren eines massiven metallischen Bauteils quantitativ zu bestimmen. Ungünstige Verteilungen solcher Spannungen sind häufi g Auslöser eines fatalen Materialversagens. ICE-Radbruch wäre vermeidbar gewesen Ein Beispiel aus jüngster Vergangenheit stellt die Erforschung der Ursachen eines Radbruchs an einem ICE-Waggon dar. Dieser Radbruch führte zu einem der schwersten Unglücke in der Geschichte der deutschen Eisenbahn. Nach dem Unglück wurde der Radring des ICE-Rades mit Neutronendiffraktometrie untersucht; eine Zugspannung (blaue Zone in Abb. 3.5) wurde als Ursache des Materialversagens identifiziert. Finite- Elemente-Rechnungen hatten während der Entwicklungsphase diese Gefahr nicht erkennen lassen. Eine frühzeitige Untersuchung mit Neutronen während der Testphase dieses Typs von Radreifen hätte den Unfall aber verhindern können. Diesel auch im tiefsten Winter Ein interessantes Beispiel für die Bedeutung der Forschung mit Neutronen für das tägliche Leben in einer mobilen Gesellschaft ist die Entwicklung von speziellen organischen Substanzen – Additiven – für Dieseltreibstoffe (Abb. 3.6). Diese sorgen dafür, dass sich bei winterlichen Temperaturen keine größeren Wachskristalle bilden, die die Treibstofffi lter verstopfen können. Zusatz von Polymeren fördert die Bildung vieler Kristallkeime und verhindert so die Entstehung großer Aggregate. Die Aufklärung dieses Wirkungsmechanismus und parallel dazu die Optimierung der Additiv-„Rezeptur“ wurden ganz wesentlich durch Neutronenstreuexperimente vorangetrieben. In nur vier Jahren wurde Grundlagenforschung in ein marktreifes Produkt umgesetzt! Heutzutage fi nden sich diese Additive während der kalten Jahreszeit in allen gängigen Dieseltreibstoffen. Bildgebende Verfahren Das hohe Durchdringungsvermögen gepaart mit besonderer Empfi ndlichkeit für einzelne chemische Elemente prädestiniert die Neutronen für tomographische und radiographische Untersuchungen. Dies gilt insbesondere für das zerstörungsfreie Sichtbarmachen von Materialien, die leichte Elemente wie Wasserstoff, Lithium oder Bor enthalten und sich im Inneren metallischer Objekte befi nden. Ein Beispiel ist in Abb. 3.7 dargestellt. Es zeigt die Abgasleitung eines Flugzeugtriebwerkes, in dem Öl- und Treibstoffreste gefährliche Ablagerungen bildeten. Eine komplette Verstopfung könnte zur Zerstörung des Triebwerks mit katastrophalen Folgen führen. Die Ablagerungen konnten mit Neutronentomographie detailliert abgebildet werden, ohne die Abgasleitung aufschneiden zu müssen. Unterschiedliche Farben in der Darstellung entsprechen dabei unterschiedlichen Dichten. Über eine genaue Analyse der Dichteunterschiede können Rückschlüsse auf die Entstehungsgeschichte der Ablagerungen gemacht werden, was wiederum für die Ursachenforschung erheblich ist. Diese Untersuchungen wurden von der britischen Flugunfallbehörde und der Flugzeugindustrie in Auftrag gegeben. a) Große Wachskristalle in Dieselöl verstopfen die Düsen. b) Zusatz von Polymer-Aggregaten. Abb. 3.5. Eigenspannungsuntersuchungen an ICE-Rad. Mit Neutronendiffraktometrie wurde nach dem verheerenden Eisenbahnunglück von Eschede im Jahre 1998, das durch einen Radbruch ausgelöst worden war, der Radring des ICE-Rades untersucht. Die Zugspannung (blaue Zone) wurde als Ursache des katastrophalen Materialversagens identifiziert. c) Die Polymer-Aggregate fungieren als Nukleationszentren. Abb. 3.6. Wirkungsweise der Dieselöl-Additive, deren Entwicklung durch Neutronenstreuexperimente möglich gemacht wurde. d) Viele kleinste Kriställchen ohne Verstopfungsgefahr. Abb. 3.7. Öl- und Treibstoffablagerungen in der Abgasleitung eines Flugzeugtriebwerkes. Die Ablagerungen im Inneren der Abgasleitung konnten durch Neutronentomographie zerstörungsfrei abgebildet werden. Unterschiedliche Farben in der Darstellung entsprechen dabei unterschiedlichen Dichten. 52 Mobilität 53
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