European Spallation Source

Europäische Spallations-Quelle

Gespräch mit Profs. Dieter Richter und Richard Wagner, Forschungszentrum Jülich, über Perspektiven der Neutronenforschung mit der geplanten Europäischen Spallationsquelle ESS

GW: Wie wird bei der geplanten Europäischen Spallationsquelle für Neutronen ESS die relative Bedeutung der Forschungsgebiete aussehen - Biologie, Physik, Chemie, Materialwissenschaften?

D Richter: Eine solche Vorhersage ist nicht ganz leicht zu machen, weil wir die Dinge nur auf der Basis der bereits bestehenden Nutzungen sehen. Vielleicht sollten wir dazu das Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble ansehen, das die derzeit stärkste Neutronenquelle hat. Dort ist etwa 10 Prozent Biologie mit wachsender Tendenz, 35 Prozent Physik - dabei sind Materialwissenschaften und Physik oft nicht ganz leicht voneinander zu trennen -, 20 Prozent Materialwissenschaften, der Rest verteilt sich auf Ingenieurwissenschaften, Chemie und Earth Sciences wie Geologie. Berücksichtigt man auf europäischer Ebene alle bereits bestehenden Neutronenquellen, auch die schwächeren, wird die Verteilung etwas anders: Biologie beispielsweise ist dann nicht so stark vertreten, weil das mit den heutigen Quellen noch nicht so gut geht. Bei der ESS werden sich sicher komplexe Forschungsbereiche entwickeln, die heute noch nich angegangen werden können.

GW: Welches sind die interessantesten Fragestellungen der Grundlagenforschung mit Neutronen?

D Richter: Die sind in vielerlei Bereichen zu finden. Wenn wir mit der Festkörperphysik anfangen, geht es dort heute beispielsweise um sogenannte Quanten-Phasenübergänge, die nicht durch Temperaturfluktuationen, sondern durch Quantenfluktuation ausgelöst werden: ein sehr abstraktes Gebiet, aber Sie haben mich ja nach Grundlagen gefragt. In der Chemie will man beispielsweise den Ablauf von Reaktionen verstehen, in der Biologie ausgewählte Wasserstoff-Positionen finden, etwa katalytische Wasserstoff-Positionen in Enzymen - was für die Entwicklung von Pharmazeutika wichtig ist. In den Erdwissenschaften muss man zu genügend hohen Temperaturen und Drücken kommen, um Magma und Mineralien unter den Bedingungen des Erdmantels zu verstehen; auch hier hat man heute Grenzen erreicht, die man mit der ESS überwinden möchte.

R Wagner: In den Materialwissenschaften möchte man diffusionskontrollierte Phasenübergänge in Echtzeit verfolgen können; das kann man bis heute nicht. In den Ingenieurswissenschaften will man Eigenspannungs-Gradienten in sehr kleinen Volumina untersuchen - auch dafür reichen bis heute die Neutronenintensitäten nicht aus. In der Nanotechnologie brauchen wir eine immer bessere räumliche Auflösung.

GW: Wie verteilen sich die Nutzer auf Universitäten, Forschungseinrichtungen und die Industrie?

R Wagner: Normalerweise hat die Industrie keine Expertise im Umgang mit Neutronen, sie ist auf die Hilfe von Experten aus Forschungseinrichtungen oder Universitäten angewiesen und nutzt die Neutronen mit diesen in gemeinsamen Projekten. Mehr als siebzig Prozent der Strahlzeit wird an Nutzer aus Universitäten und Forschungseinrichtungen ohne Industriebeteiligung vergeben werden..

GW: Bei der Spallationsquelle arbeiten Sie mit gepulster Neutronenstrahlung; Neutronen aus Forschungsreaktoren bilden einen kontinuierlichen Strahl. Was sind die Vorteile des gepulsten Strahls?

D Richter: Zunächst gibt es wohl fast nichts, was man mit gepulsten Neutronen nicht besser machen kann als mit kontinuierlichen. Das liegt daran, dass im hellen "Blitz" der gepulsten Strahlung fast alle Wellenlängen der Neutronen versammelt sind und sich über die Zeit, die sie bis zum Detektor brauchen, die verschiedenen Wellenlängen voneinander unterscheiden lassen, so dass die gesamte Intensität genutzt werden kann. Beim kontinuierlichen Strahl müssen Sie dagegen in der Regel eine Wellenlänge auswählen und den ganzen Rest wegwerfen, so dass die gepulste Quelle dem Reaktor prinzipiell überlegen ist.

R Wagner: Auch bei Reaktoren lässt sich der weisse Strahl mit mechanischen sog. Choppern zerhacken. Dort werfen wir jedoch etwa 99 Prozent der Intensität weg. Bei der Spallation pulsen wir dagegen die Quelle mit der richtigen Taktfrequenz und packen auf diese Weise fast 100 Prozent der Leistung in den Neutronenpuls.

GW: Weltweit sind bereits einige Spallationsquellen in Betrieb - so ISIS am Rutherford-Laboratorium in England-, einige sind im Bau - wie SNS in Oak Ridge (USA), und es gibt viele laufende Forschungsreaktoren wie den Höchstflussreaktor am ILL. Ist die Neutronenforscher-Community in der Lage, ein weiteres großes Projekt wie ESS personell zu tragen?

D Richter: In Europa haben wir ungefähr 4-5000 Neutronennutzer, und ihre Anzahl ist im wesentlichen durch das Angebot beschränkt. Unserer Erfahrung nach stellt sich bei einem Gerät zur Neutronenforschung ein Überbuchungsfaktor von zwei bis drei ein, aber niemals höher: ein Professor, der Doktoranden zum Abschluss bringen möchte, kann sich nicht auf eine Lotterie einlassen und muss deshalb Gebiete auswählen, wo er mit einer gewissen Sicherheit auch zum Zuge kommt. Nehmen Sie das Beispiel England: Bevor die ISIS-Quelle gebaut wurde, gab es dort einige hundert Neutronennutzer, nach Fertigstellung hat sich ihre Anzahl auf 1200 bis 1300 Nutzer verdreifacht. Ich glaube deshalb, dass es keine Schwierigkeit geben wird, die ESS auszunutzen. Dazu kommt ein anderer Punkt: Es ist nicht so sehr die Erhöhung der Quantität, sondern die Erhöhung der Qualität, auf die es ankommt. Sie können mit der gepulsten Strahlung Experimente machen, an die Sie heute gar nicht denken können, weil Intensität oder Auflösung nicht ausreichen.

R Wagner: ISIS hat im Moment 156 Kilowatt Leistung, im Vergleich zu 5 Megawatt für jede Targetstation bei ESS. Hier liegen also Welten dazwischen, es ist ein Faktor 30 im Spiel. Bei Neutronenquellen hat man abgesehen vom Münchner Projekt FRM-II in den letzten Jahren nicht nachgerüstet. Ganz anders bei Synchrotronquellen, von denen zahlreiche gebaut wurden und weitere geplant sind.

GW: Bei Forschungsreaktoren hat es aus verschiedenen Gründen sehr kontroverse Diskussionen gegeben, vor allem wegen der Proliferationsproblematik bei FRM-II. Diese Probleme entfallen bei Spallationsquellen, weil Sie hier mit einem Beschleuniger statt mit einem Reaktor arbeiten. Auch insofern haben Spallationsquellen also einen großen Vorteil gegenüber Forschungsreaktoren. Würden Sie dennoch dafür plädieren, beide Entwicklungsrichtungen auch in Zukunft weiter zu verfolgen?

D Richter: Ich meine, dass wir unbedingt den Münchner Reaktor in Betrieb nehmen müssen. Er wird die Basis für die deutsche Neutronenforschung in den nächsten zehn Jahren sein, und er wird auch dann eine Rolle spielen, wenn die ESS da ist - um Experimente zu machen, die nicht unbedingt den Spitzenfluss brauchen. Sie benötigen immer eine Hierarchie von Quellen mit verschiedenen Qualitätsstufen für ein vernünftiges Angebot. Bei Neutronen gibt es ja keine Laborquellen. Das ist bei den Röntgenleuten anders: Dort gibt es im Labor eine Röntgenröhre, und anschliessend können Sie zur Synchrotronquelle gehen. Eine Neutronenquelle wie die ESS alleine liesse sich gar nicht betreiben, weil das know-how auf breiter Basis nicht gebildet werden könnte, um eine solche Quelle zu nutzen. Auch die Amerikaner bauen nicht nur die SNS, sondern bauen gleichzeitig ihre kleineren Quellen aus.

R Wagner: Um auf Ihre Frage zurückzukommen: Bisher gab es noch nie einen Unfall in Forschungsreaktoren, obwohl sie jetzt seit mehr als 40 Jahren betrieben werden. Dennoch glaube ich, dass die Technologie der Zukunft in der Neutronenforschung auf dem Spallationsprinzip beruhen wird und ich glaube nicht, dass nach dem Münchner Reaktor noch irgendein Forschungsreaktor in Europa gebaut wird.

D Richter: Sie sehen das an der Evaluierung durch die OECD. Sie hat sich in den neunziger Jahren sehr ausführlich mit der Frage der Neutronenversorgung in der Welt befasst und sich Reaktoren und Spallationsquellen angesehen. Die Empfehlung war ganz eindeutig: Baut in jeder Weltregion eine große Spallationsquelle. Sie haben nicht empfohlen, noch einen Reaktor zu bauen.

GW: Ausser der ESS gibt es in Deutschland noch andere große Forschungsprojekte, die nach Möglichkeit weiterverfolgt werden sollen, so den Elektron-Positron Collider TESLA bei DESY in Hamburg und ein Schwerionen-Synchrotron bei der GSI in Darmstadt. Es sieht wohl so aus, dass nicht alle drei Projekte realisiert werden können - das ist jedenfalls die Aussage des BMFT. Wie beurteilen Sie in dieser Konkurrenz die Aussichten von ESS?

R Wagner: Ich bin der Ansicht, dass Europa die ESS braucht - und in Europa wird die ESS gebaut. Wir beurteilen die Aussichten [für Deutschland] im Moment als sehr gut, sonst würden wir uns nicht so ins Zeug legen, um die Quelle nach Jülich zu bekommen. Letztendlich wird es eine wissenschafts- und forschungspolitische Entscheidung sein, welche der genannten Großgeräte in Deutschland realisiert werden sollen. Auch die Amerikaner bemühen sich um ein TESLA-ähnliches Großgerät und es kann sein, dass es in Amerika gebaut wird. In Japan wird eine Hadronen-Facility gebaut, die teilweise Experimente mit abdeckt, wie sie an der GSI vorgesehen sind. Insofern müssen die Entscheidungen auf der globalen Ebene betrachtet werden.

GW: Für ESS ist die Standortfrage noch nicht geklärt. Fünf Standorte werden derzeit diskutiert, neben Jülich auch Sachsen/Sachsen-Anhalt, zwei Standorte in England und eine Bewerbung aus Skandinavien (Lund/Schweden). Wie wird über den Standort entschieden?

D Richter: Das geschieht sicherlich im Zusammenhang mit der eigentlichen Entscheidung, die ESS zu bauen. Es ist schön, dass sich im Moment eine ganze Reihe von europäischen Regionen bewerben und lokale Unterstützung auf die Beine bringen. Es zeigt die ESS als ein Gerät, das vielerorts begehrt ist. Zum Schluss wird die große Politik, werden die Staatsoberhäupter und Regierungschefs entscheiden wo die ESS gebaut wird - leider haben wir keinen institutionalisierten Weg für derartige Entscheidungen in Europa. Die Europäische Union hat keine Kompetenz in der Entscheidung über Großgeräte, so dass zwischen den nationalen Regierungen vereinbart werden muss, wo ESS gebaut wird.

R Wagner: Ein denkbares Szenario für eine Entscheidung könnte sein, dass sich eine Regierung findet, die voranpreschen will; wir hoffen natürlich, dass es die Bundesregierung sein wird. Diese Regierung könnte dann die anderen nationalen Regierungen, die am Bau der ESS interessiert sind, einladen, man diskuiert über Standort und Kostenanteile, die über den nationalen Nutzungsanteil geregelt werden.

GW: Inwiefern ergänzen sich die Forschung mit Neutronenquellen und mit Röntgenquellen (Synchrotronstrahlung)?

D Richter: Es gibt mehr Röntgenphotonen als Neutronen - das hat ganz generell etwa für die Röntgen-Strukturanalyse von Molekülen in der Biologie große Vorteile zur Folge. Neutronen haben zwar eine ganze Reihe von Vorteilen, die sie aber nicht alle voll ausspielen können, weil es nicht genug Neutronen gibt. Neutronen "sehen" alle Atome - leichte wie Wasserstoff und schwere - mehr oder weniger gleichermaßen. Das ermöglicht etwa in der Biologie die Beobachtung der Wasserstoffatome, es erlaubt die Beobachtung von benachbarten Elementen. Neutronen sehen den Magnetismus - die (indirekte) Bestimmung magnetischer Strukturen mit Röntgenstrahlen ist dagegen sehr schwierig. Ein weiterer großer Vorteil von Neutronen ist, dass man mit ihnen nicht nur die Positionen, sondern auch die Bewegungen der Atome messen kann. Mit der Röntgenstreuung ist das nur sehr begrenzt möglich.

R Wagner: Die Proteinkristallographie wird heute fast ausschliesslich mit Synchrotronstrahlung gemacht. Das setzt aber voraus, dass Sie die Proteine kristallisieren können. Das ist nur bei höchstens 7o Prozent der Proben möglich, und hier kommen wieder die Vorteile der Neutronen ins Spiel. Wenn man sich weiter für dynamische Vorgänge in einer nativen Umgebung interessiert - beispielsweise in einer physiologischen Lösung, in der Proteine nicht kristallisieren können, kommen die Eigenschaften der Neutronen voll zum Tragen.

Illustration des Gesprächs mit Abbildungen von der ESS-Website:

ess-europe

Siehe Spektrum d. Wissenschaft 8 (2002) 12 für den gekürzten, redigierten und illustrierten Artikel

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