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Schneller, höher und heißer messen: 13 Millionen Euro für die Forschung mit Neutronen und Positronen

05.08.2019

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert 16 Projekte am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) mit rund 13 Millionen Euro. Im Rahmen der sogenannten Verbundforschung stehen die Fördermittel zum Auf- und Ausbau von Messgeräten zur Neutronen- und Positronenforschung für einen Zeitraum von drei Jahren zur Verfügung.


Das Instrument RESEDA wird so umgebaut, dass es Proben auch bei kleinen Winkeln messen kann. © Tobias Hase

Künftig wird der Roboter am Instrument STRESS-SPEC 80 % aller Messaufgaben erledigen können. © HZG

Die Projekte haben die Technische Universität München (TUM) und zehn weitere deutsche Hochschulen beantragt. So wird Dr. Michael Schulz (TUM) bei „NeutroSense“ etwa gemeinsam mit der Universität Freiburg einen hochauflösenden Detektor entwickeln, der den Wassertransport in Brennstoffzellen untersuchen kann (1,7 Mio. €). „Mit dem neuen Detektor werden wir im Bereich von einem Mikrometer messen können. Das ist zehn Mal besser als derzeit“, erklärt der TUM-Wissenschaftler. Die hohe Auflösung ist nötig, da die Membranen in den Brennstoffzellen nur wenige Mikrometer dick sind. Mit den Fördermitteln finanziert Schulz zwei Stellen, einen Postdoktoranden und einen Softwarespezialisten, sowie die Materialkosten für den Detektor.

Upgrade für Messgeräte

Andere Instrumente erweitern ebenfalls ihre Messmöglichkeiten: so zum Beispiel das Jülicher Dreiachsenspektrometer PANDA, für das die TU Dresden ein neues Multidetektorsystem namens BAMBUS entwickelt (0,7 Mio. €). Die Prompte Gamma Aktivierungsanalyse wird für die Option der Neutronentiefenprofilanalyse über TUM-Professor Dr. Bastian Märkisch eine zeitaufgelöste Isotopenanalyse erhalten (0,6 Mio. €). Dr. Christian Franz (TUM) erweitert den Messbereich der sogenannten MIEZE-Option (Modulation of IntEnsity by Zero Effort) am Resonanz-Spin-Echo-Spektrometer RESEDA derart, dass sie Proben auch bei kleinen Winkeln misst (0,9 Mio. €). Prof. Dr. Peter Böni (TUM) baut ebenfalls die MIEZE-Möglichkeit am Dreiachsenspektrometer MIRA aus, um kleinste Proben mit höherer zeitlicher und räumlicher Auflösung zu untersuchen (0,5 Mio. €). Ein kombiniertes in-situ Infrarotspektrometer für Neutronenkleinwinkelstreuanlagen konstruiert die RWTH Aachen gemeinsam mit Dr. Tobias Schrader vom Forschungszentrum Jülich. Es soll zeitaufgelöst zum Beispiel die Proteinfaltung oder die Formation von Fibrillen untersuchen, die bei Alzheimer eine Rolle spielen (0,8 Mio. €).

Legierungen heizen, ziehen, drücken

Eine Prüfmaschine, die neue Superlegierungen für Gasturbinen unter Hitze und Zug oder Druck testet und Rissbildungen untersuchen kann, entwickelt Dr. Ralph Gilles (TUM) gemeinsam mit der Universität Erlangen-Nürnberg (0,8 Mio. €). Dr. Robert Georgii (TUM) und ein Kollege der Neutronenquelle ISIS in Großbritannien erstellen gemeinsam mit einem Doktoranden ein Konzept für ein neuartiges Kristallflugzeitspektrometer (0,2 Mio. €), das Strukturen und Bewegungen von Materie auf atomarer Größenskala zeit- und ortsaufgelöst messen kann.

Roboter erledigt Messaufgaben

In einem weiteren Projekt wird der bereits bestehende Roboter am Neutronendiffraktometer STRESS-SPEC so aufgerüstet, dass er die Proben noch genauer positionieren kann. „Das ist wichtig, wenn wir additiv gefertigte Bauteile untersuchen“, sagt der Projektleiter, Dr. Michael Hofmann. „Wir möchten die Abweichung des Roboters beim Positionieren von derzeit einem halben Millimeter auf 50 Mikrometer drücken, also um das 10-fache verbessern.“ Mit den Fördermitteln (1,1 Mio. €) stellt der TUM-Wissenschaftler einen Postdoktoranden und einen Ingenieur ein, die den Roboter entsprechend modifizieren, inklusive Ofen und Neutronenoptik. Der Projektpartner von der Universität Erlangen-Nürnberg kümmert sich dabei um die Anpassung der Steuerung des Roboters und finanziert dafür ebenfalls einen Wissenschaftler. „Der Roboter wird dann 80 Prozent aller Messaufgaben für uns erledigen können“, sagt Hofmann.

Neue Messgeräte für bessere Batterien und schnellere Stromleiter

Auch Instrumente, die völlig neu gebaut werden, fördert das BMBF: so die Hochdruckpresse SAPHIR der TUM und der Universität Bayreuth (0,5 Mio. €), das Diffraktometer ERWIN zur Untersuchung von Batterien des Karlsruher Instituts für Technologie (0,3 Mio. €) und das Hochintensitätsflugzeitdiffraktometer POWTEX des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen (1,2 Mio. €). Das kalte Dreiachsenspektrometer KOMPASS der TUM und Universität zu Köln, das 2018 den Test-Betrieb aufnahm, wird mit der Forschungsförderung weiter ausgebaut, um zum Beispiel supraleitende Materialien messen zu können.

Arbeit unter hohem Druck

Gleich mehrere Messinstrumente am MLZ profitieren von der Entwicklung eines neuen horizontalen Magneten mit 12 Tesla von Dr. Sebastian Mühlbauer, mit dem flüssige Proben untersucht werden können (0,2 Mio. €). Auch das Projekt der RWTH Aachen für eine neue Hochdruckprobenumgebung (1,1 Mio. €) kommt insgesamt vier Messgeräten zugute (HEiDi, POLI, MIRA und DNS). „Wir werden damit die Bandbreite der Untersuchungsmöglichkeiten erheblich erweitern“, sagt der Projektleiter Dr. Martin Meven. „Mit den neuen Hochdruckzellen, die speziell auf die Messgeräte zugeschnitten sind, können wir Strukturen detailliert unter Druck untersuchen.“

Und schließlich fördert das BMBF auch die Positronenforschung am MLZ: Die Universität der Bundeswehr investiert in neue Messgeräte, die die Lebensdauer des Antiteilchens der Elektronen bestimmen sollen (1,3 Mio. €).

Einzigartige Forschungsergebnisse dank Förderung

„Für das Heinz Maier-Leibnitz Zentrum ist die Verbundforschung, die nun bereits zum achten Mal in Großgeräte am FRM II und MLZ investiert, in mehrfacher Hinsicht ein Gewinn: Wir entwickeln unsere Messmöglichkeiten mit Neutronen und Positronen ständig weiter, bleiben somit attraktiv für unsere nationalen und internationalen Gastwissenschaftler und erzielen einzigartige Forschungsergebnisse, die die drängenden Fragen unserer Zeit beantworten, z.B. auf der Suche nach schnelleren Datenspeichern oder Akkus mit längeren Laufzeiten“, sagt Prof. Dr. Peter Müller-Buschbaum, Wissenschaftlicher Direktor des MLZ und der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II). „Unsere Partner an den deutschen Hochschulen, die über die Projektförderung ihre Expertise und Fachkräfte einbringen, spielen eine Schlüssel-Rolle bei der Weiterentwicklung unserer Instrumentierung.“