Abkühlung für das riesige Neutronenmikroskop

• Im südschwedischen Lund baut ein Zusammenschluss europäischer Staaten eine der weltweit größten Forschungseinrichtungen: die Europäische Spallationsquelle (ESS).
• Die stärkste Neutronenquelle der Welt macht die ESS zum gigantischen Labor, in dem Wissenschaftler aus Bereichen wie den Material- und Energiewissenschaften, Gesundheit und Umwelt forschen werden.
• Ohne ausgeklügelte und leistungsfähige Kühlsysteme könnte die Spallationsquelle nicht funktionieren. Linde Kryotechnik hat die notwendigen kryogenen Teile, wie zum Beispiel zwei, jeweils einzigartige, Coldboxen.

Die zwei Kälteanlagen, die Linde Kryotechnik für die ESS entwickelt und gebaut hat, sind einzigartige, komplexe Maschinen.

Langsam rollt der schwere Tieflader über die riesige Baustelle in Lund, ihn erwarten bereits zwei Fahrzeugkräne mit langen Teleskoparmen. Die wertvolle Fracht des Tiefladers sieht aus wie ein weißer Zeppelin, 10 Meter lang und 3,5 Meter im Durchmesser. Es ist eine Coldbox, eine Kühlkammer, in deren unspektakulärer Hülle eine Menge ausgeklügelter Technik steckt. Sie kühlt Teile der leistungsstärksten Neutronenquelle der Welt auf Temperaturen um die 16 Kelvin herunter, das sind minus 257 Grad Celsius. Entwickelt wurde das komplexe Einzelstück bei Linde Kryotechnik im Schweizerischen Pfungen. Nach einer langen Reise durch Europa ist die 40 Tonnen schwere Coldbox im September 2018 an ihrem Ziel angekommen, auf der Baustelle der Europäischen Spallationsquelle (ESS).

Die Target Moderator Kryoanlage erreicht ihr Ziel, die riesige Baustelle der ESS in Lund, auf dem Rücken eines Tiefladers. (Credit: Roger Eriksson/ESS)

Die ESS ist ein europaweites Wissenschaftsprojekt und gehört zu den weltweit größten Forschungseinrichtungen, die sich gegenwärtig im Bau befinden. Tausende von Wissenschaftlern werden hier Experimente durchführen, um aktuellen und zukünftigen Fragen unterschiedlichster Disziplinen auf atomarer oder molekularer Ebene auf den Grund zu gehen. Die Forschungsbereiche umfassen Material- und Energiewissenschaften, Medizin und Umweltforschung. Linde Kryotechnik, der führende Anbieter von kryogenen Systemen für Forschungseinrichtungen wie CERN und Fermilab, hat die beiden großen kryogenen Systeme für das komplexe Kühlsystem der ESS geliefert. „Insgesamt haben wir drei verschiedene Helium-Coldboxen”, sagt Philipp Arnold, Leiter für die Kryotechnik der ESS, „zwei für den Betrieb der Neutronenquelle und eine Testanlage für die Prüfung von Geräten und die Bereitstellung von flüssigem Helium für die Neutroneninstrumente.“ Nicht nur die zwei Coldboxes für den Betrieb stammen von Linde Kryotechnik, auch das dazugehörige Kühlsystem – einschließlich Kompressoren, Ölabscheidesystem (ORA), Gasmanagement-Konsole und mehr – wurde vom Schweizer Engineering-Spezialisten entwickelt und geliefert. Gemäß ihren unterschiedlichen Aufgaben sind die Coldboxen Einzelstücke, individuell entwickelt und gefertigt. Die ESS arbeitet in zwei Stufen, die jeweils eine maßgeschneiderte Kühlanlage benötigen: eine für die Beschleunigung der Protonen und eine für das Abbremsen (Moderieren) von Neutronen. Dementsprechend heißen sie ACCP (Accelerator Cryogenic Plant) und TMCP (Target Moderator Cryogenic Plant). 

Selbst ohne die hölzerne Schutzkonstruktion für Ventile und Anschlüsse passt die TMCP mit ihrem Durchmesser von 3,5 Metern nicht durch das Tor – zumindest nicht auf dem Rücken des Tiefladers. (Credit: Ole Øystein Bakke/ESS)

Für die experimentelle Infrastruktur von Teilchenbeschleunigern sind zuverlässige Kühlsysteme elementar. Der Grund hierfür ist der Beschleunigungsprozess. „Um Neutronenstrahlen für die Wissenschaftler zu erhalten, müssen wir zunächst einen starken Strahl elektrisch geladener Teilchen erzeugen, in unserem Fall Protonen“, so Julia Öberg, Pressesprecherin der ESS. Elektrisch geladene Teilchen beschleunigen in elektromagnetischen Feldern. Neutronen allerdings sind, wie der Name schon sagt, elektrisch neutral und lassen sich daher nicht durch elektromagnetische Felder beeinflussen. „Die Aufgabe des ESS-Beschleunigers besteht also darin, einen starken Protonenstrahl zu erzeugen und ihn gegen eine rotierende Zielscheibe mit Steinen aus Wolfram zu schießen“, erklärt Öberg. „Das neutronenreiche Schwermetall Wolfram setzt Neutronen frei, sobald die Protonen auf das Ziel treffen. Dieser Prozess wird dann als Spallation bezeichnet.“ Die Neutronenstrahlen sind für Wissenschaftler äußerst nützlich, da sie die Untersuchung von Materialien ermöglichen, die andere Informationen liefern als Experimente mit Elektronen- oder Synchrotronstrahlung.

Die Beschleunigung der Protonen auf die für den Spallationsprozess erforderliche Geschwindigkeit – etwa 96 Prozent der Lichtgeschwindigkeit – bedarf starker elektromagnetischer Felder. Diese werden von supraleitenden Hohlraumresonatoren erzeugt. Supraleitung bedeutet, dass der elektrische Widerstand durch extreme Kälte verschwindet. Dafür müssen die Hohlraumresonatoren mit suprafluidem Helium gekühlt werden, das dann eine Temperatur von 2 Kelvin, also minus 271 Grad Celsius haben muss. Genau hierfür benötigen die Ingenieure die erste Coldbox von Linde Kryotechnik: Die Accelerator Cryogenic Plant (ACCP). Diese kam bereits Anfang August 2017 auf der Baustelle in Lund an.

Mittlerweile, ein Jahr später, hängt die zweite Coldbox, die TMCP, an zwei Kränen. Die beiden Fahrzeugkräne stehen vor dem Tor an der Seite der länglichen „Klystron Gallery“, die entlang des Beschleunigertunnels verläuft. Da die TMCP zu groß ist, um auf dem Anhänger in das Gebäude gebracht zu werden, muss sie entladen und auf kleine Rollen gelegt werden. Hierfür senken die Kranführer den 40 Tonnen schweren Zylinder langsam ab und setzen ihn vorsichtig auf die Rollen. Ob die Anlage die Prozedur unbeschadet übersteht, ist eine Frage von Zentimetern. Dank ihrer Erfahrung schaffen es die Arbeiter, den Zylinder sicher auf den Rollen abzustellen. Unterstützt von einem Gabelstapler ziehen sie die Coldbox in die Halle und durchqueren den Dschungel aus Rohrleitungen, Maschinen, Messgeräten und mehr. In diesem engen Geflecht ist das eine Frage von Millimetern. Die Arbeiter brauchen daher einen ganzen Tag, um die Coldbox an ihren Platz zu bringen, neben ihre große Schwester, die ACCP.

Zwei mobile Lastkräne mit langen Teleskoparmen hieven die 40 Tonnen schwere Kälteanlage in die Luft und legen sie auf kleine Rollen. Das ist der einzige Weg, die TMCP durch das Tor zu bringen. (Credit: Ole Øystein Bakke/ESS)

Auch wenn sich die zwei Kühlanlagen auf den ersten Blick ähneln, erfüllen sie beide komplett andere Aufgaben. Die ACCP kühlt den Beschleuniger, damit dieser die Protonen besser beschleunigen kann und diese mit einer höheren Geschwindigkeit auf ihr Ziel treffen. Durch das Auftreffen auf das Wolfram auf der „Zielscheibe“ werden dann die Neutronen freigesetzt. „Um diese Neutronen für die Wissenschaft nutzbar zu machen, werden sie durch die ausgeklügelten Wasserstoffmoderatoren der ESS verlangsamt. Diese Moderatoren werden durch die zweite Coldbox, die Target Moderator Cryogenic Plant (TMCP), gekühlt“, erklärt Öberg. Je kälter die Teilchen werden, desto langsamer passieren sie die Moderatoren. 

Selbst für ein hochspezialisiertes Technologieunternehmen wie die Linde Group ist die Konzeption eines Kühlsystems für ein so komplexes Projekt kein Alltag. „Man kann eine solche Coldbox nicht einfach so bestellen“, sagt Philipp Arnold. Daher war Linde Kryotechnik bereits frühzeitig in der Konzeptionsphase eingebunden. Lars Blum, Head of Sales & Business Development bei Linde Kryotechnik, beschreibt die Zusammenarbeit mit Ingenieuren und Wissenschaftlern von ESS als „eine enge Partnerschaft mit einem kontinuierlichen Informations- und Wissensaustausch“.

Die enge Partnerschaft ist enorm wichtig, wenn es um anspruchsvolle Details und Sonderwünsche geht. „Eine besondere Herausforderung war es, eine hohe Effizienz auf verschiedenen Leistungsstufen und Expansionsphasen zu erreichen“, erklärt Blum. Eine zusätzliche Hürde stellt der Abstand zwischen der TMCP und dem Ziel dar. Da sie 300 Meter voneinander entfernt sind, brauchen die Gasmoleküle mehrere Minuten für den Weg vom Zielort zur Coldbox. Um schnell auf Veränderungen von Druck, Durchfluss oder Temperatur an der Zielstation reagieren zu können, haben die Ingenieure von Linde und ESS ein spezielles Steuerungskonzept entwickelt. So können sie mit der verzögerten Reaktion des Systems umgehen. 

Mit der Ankunft der zweiten Coldbox in Lund ist die Arbeit von Linde noch lange nicht vorbei. „Es dauert mehrere Monate, wenn nicht sogar ein Jahr, bis wir das Kühlsystem komplett installiert haben”, sagt Arnold. Hierzu müssen die Ingenieure und Techniker unter anderem ein komplexes Gewirr aus Rohrleitungen und Ventilen fachgerecht anbringen. Deshalb bleibt eine kleine Gruppe von Linde-Ingenieuren während der Installation, Inbetriebnahme und Prüfung vor Ort. 

Nach über einem Tag Arbeit erreicht die TMCP ihren Platz in der Halle neben ihrer Schwester der Beschleuniger-Kryoanlage (Accelerator Cryogenic Plant ACCP). Die Installation und Einrichtung des gesamten Kühlsystems wird noch Monate bis zu einem Jahr dauern. (Credit: Ole Øystein Bakke/ESS)

Doch nicht nur am Kühlsystem laufen die Arbeiten, sondern auch das gesamte ESS-Gelände ist noch eine riesige Baustelle. „Bislang haben wir 52 Prozent der Baumaßnahmen abgeschlossen”, sagt Julia Öberg. 

Für das Jahr 2019 stehen die Installation und Inbetriebnahme des technischen Equipments in verschiedenen Teilen der Anlage auf dem Plan. 2023 sollen die ersten Wissenschaftler mit ihren Forschungsarbeiten an der ESS beginnen. Dann sind die optimalen Rahmenbedingungen für multidisziplinäre Forschung und wissenschaftliche Durchbrüche gegeben – gekühlt von Linde.