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Online-Jahresbericht 2011

Highlights aus der Wissenschaft


Jahresbericht 2011 des HZDR: an der LIMMCAST-Anlage wird erforscht, wie man metallische Strömungen durch Magnetfelder beeinflussen kann.Bessere Qualität im Stahlguss

Magnetische Felder können elektrisch leitfähige Flüssigkeiten beeinflussen – eine Tatsache, die bei der industriellen Stahlproduktion seit langem eingesetzt wird, um die Qualität des Stahls zu erhöhen. Allerdings haben solche magnetischen Bremsen nicht immer den gewünschten Effekt: anstatt sich zu verbessern, wird die Güte des Stahls mitunter sogar schlechter. Dr. Sven Eckert und Klaus Timmel vom Institut für Fluiddynamik haben an der einzigartigen LIMMCAST-Anlage zur Simulation von Stahlguss untersucht, warum die Magnetfelder nicht immer so wirken wie erwartet.

Um zu erforschen, wie flüssiger Stahl strömt, sind Wassermodelle weit verbreitet. Sie lassen sich zwar einfacher aufbauen, können die Wechselwirkungen zwischen Magnetfeldern und flüssigen Metallströmungen aber nicht nachbilden. Schließlich leitet Wasser elektrischen Strom im Vergleich zu Metall nur schlecht. Außerdem beruhten die Annahmen zur Wirkung von magnetischen Feldern bisher auf den vereinfachten Vorstellungen einer Rohrströmung. Deshalb wurde am HZDR die LIMMCAST-Anlage aufgebaut. Sie simuliert auch den entscheidenden Moment, in dem der flüssige Stahl aus dem Tauchrohr austritt und sich in die Kokille ergießt, wo er zu einem Strang geformt wird. Dort kann der flüssige Stahl dem Magnetfeld ausweichen, so die Forscher, und die Funktion der Bremsen geht verloren.

Das Magnetfeld beeinflusst zwar die Bewegung der Schmelze, sie kann aber punktuell sogar schneller werden und wird aufgewirbelt, statt sich zu beruhigen. Die Erkenntnisse helfen, die Wechselwirkungen zwischen Magnetfeldern und flüssigen Metallströmungen gründlicher zu verstehen, und führen auch zu einer Verbesserung numerischer Modelle für die Simulation des Stranggusses von Stahl. Sie sind außerdem eine wesentliche Voraussetzung, um die bisher eingesetzten Magnetsysteme zu optimieren und dadurch die Qualität des Stahls weiter zu verbessern.


Arbeiten an einer HandschuhboxKorrosion hält radioaktive Stoffe in Endlagern zurück

Um die Umwelt vor Radionukliden aus Endlagern für hochradioaktiven Abfall zu schützen, sind mehrere technische, geotechnische und geologische Barrieren vorgesehen, die den Abfall nach dem Zwiebelschalen-Prinzip umgeben. Stahlbehälter gehören zum innersten Teil dieser Struktur. In den geologisch langen Zeiträumen, in denen die Abfälle sicher verwahrt werden müssen, rostet selbst der beste Stahl durch und könnte daher seine Barrierefunktion verlieren. Wissenschaftler am Institut für Ressourcenökologie haben deshalb die Wechselwirkungen der Eisenminerale, aus denen Rost besteht, mit Plutonium-242, einem der langlebigsten und giftigsten Radionuklide, untersucht.

Eine große Herausforderung bestand darin, die Experimente unter den atmosphärischen Bedingungen von Endlagern durchzuführen: sie werden tief im Untergrund geplant, wo es fast keinen Sauerstoff gibt. Dieser Zustand musste über die ganze Kette der experimentellen Untersuchungen aufrechterhalten werden. Hinzu kamen die strengen Sicherheitsvorkehrungen im Umgang mit Plutonium. Die Eisenminerale wurden an der Universität von Grenoble vorbereitet und in einer speziellen, am Karlsruher Institut für Technologie entwickelten Handschuhbox zur Reaktion gebracht. Anschließend wurden sie in einem extra dafür am Paul Scherrer Institut entworfenen Container nach Grenoble zurücktransportiert, um an der Rossendorf Beamline ROBL mit dem Synchrotronlicht der ESRF untersucht zu werden. Das Ergebnis: Plutonium reichert sich an der Oberfläche der Rostminerale an oder wird in Form einer äußert gering löslichen Mineralverbindung ausgefällt. Auch wenn die Stahlbehälter durchrosten, wird das Plutonium daher zurückgehalten. Solche Untersuchungen unter Endlager ähnlichen Bedingungen sind wichtig, um die Sicherheit von künftigen Endlagern bewerten zu können.


Simulation der Gegenstrombegrenzung in einem Modell eines HeißstrangesNeues Modell zur Simulation der Gegenstrombegrenzung

Wissenschaftler am Institut für Fluiddynamik haben gemeinsam mit dem Softwarehersteller ANSYS ein neues Modell entwickelt, das die Wechselwirkungen zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit in einem Kanal beschreibt. Damit lässt sich beispielsweise die sogenannte Gegenstrombegrenzung vorhersagen. Sie spielt besonders bei Prozessen in der Energietechnik eine Rolle. Das neue Modell ist deshalb für Sicherheitsanalysen von Kernkraftwerken oder zur Auslegung von Brennstoffzellen besonders gefragt.

Bei der Gegenstrombegrenzung wird eine in einem Rohr fließende Wasserströmung durch einen Dampfstrom, der aus der entgegengesetzten Richtung kommt, behindert. Im Extremfall kann das Wasser vollständig zurückgehalten werden. Um zu überprüfen, ob das neue Modell der Realität standhält, wurde die Strömung an der Großanlage TOPFLOW im HZDR experimentell untersucht. Dafür wurde der Heißstrang eines Kernreaktors nachgebildet. Während aus der einen Richtung Wasser eingeleitet wurde, führten die Wissenschaftler von der anderen Seite Dampf zu. Der Dampf wurde schrittweise erhöht, bis er den Wasserstrom vollständig blockierte.

Um das Experiment am Computer zu simulieren, war ein Rechencluster, bestehend aus mehreren Prozessoren, etwa drei Monate lang beschäftigt. Besonders die genauer simulierten Wechselwirkungen an den Grenzflächen zwischen Wasser und Dampf schlugen dabei zu Buche. Die Simulationen wurden u.a. von Dr. Deendarlianto von der Gadjah-Mada-Universität in Yogyakarta/Indonesien durchgeführt, der für zwei Jahre am Institut für Fluiddynamik als Humboldt-Stipendiat arbeitete. Die Simulationsergebnisse stimmen gut mit den experimentell gewonnenen Daten überein, sodass das Modell zur Gegenstrombegrenzung nun in der Praxis eingesetzt werden kann.


Quantenpunkte aus IndiumarsenidSchnellere Prozessoren durch Quantenpunkte aus Indiumarsenid

Wissenschaftler am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung können Quantenpunkte aus Indiumarsenid auf Siliziumwafern erzeugen. Da eine Kombination dieser Materialien als sehr vielversprechend für die Mikroelektronik gilt, ist sie schon länger ein Ziel verschiedener Forschungsaktivitäten. So ermöglicht das Halbleitermaterial Indiumarsenid – auch als III-V-Halbleiter bekannt – höhere Taktfrequenzen, weil sich Elektronen darin 30-mal schneller bewegen als in einem Siliziumwafer. Transistoren auf Basis dieses Werkstoffs verbrauchen außerdem weniger Strom. Darüber hinaus gilt das Material auch als guter Kandidat für effiziente Laser, die Signale und Informationen nicht elektrisch, sondern optisch übertragen. Dadurch sind noch schnellere Übertragungsraten möglich.

Während der bisher zur Herstellung von Indiumarsenid eingesetzte Prozess nicht mit den üblichen Verfahren in der Halbleiterindustrie kompatibel war, verwenden die HZDR-Forscher eine Methode, die schon jetzt in der Halbleiterfertigung eingesetzt wird. Sie reichern Arsen- und Indium-Ionen in der Oberfläche von Silizium an. Dafür nutzen sie Ionenbeschleuniger, die auch in der Chipindustrie beim Dotieren zum Einsatz kommen. Mittels Blitzlampenausheilung lagern sich die Ionen zu winzigen Inseln zusammen, die die Form von Nanopyramiden haben. Durch Ätzung mit Kaliumhydroxid wird das Silizium anschließend von der Oberfläche abgetragen. Übrig bleiben kleine, etwa 100 Nanometer hohe Siliziumsäulen, auf denen die freigelegten Pyramiden ruhen. Die III-V-Halbleiter könnten die Miniaturisierung von Transistoren weiter vorantreiben.


Ein Techniker des Hochfeld-Magnetlabors Dresden in einer MagnetgrubeHochfeldforscher auf dem Weg zu 100 Tesla

Am Hochfeld-Magnetlabor Dresden werden höchste gepulste Magnetfelder zerstörungsfrei für die Materialwissenschaft zur Verfügung gestellt. Es ist das Ziel, ein magnetisches Feld von 100 Tesla zu erreichen, was in etwa zwei Millionen Mal so stark wäre wie das Magnetfeld der Erde. Dem sind die Wissenschaftler im vergangenen Jahr ein großes Stück näher gekommen: im Juni erzeugten sie ein Magnetfeld von 91,4 Tesla und stellten damit einen Weltrekord auf. Im Januar 2012 steigerten sie den Wert weiter auf 94,2 Tesla. Das National High Magnetic Field Laboratory im US-amerikanischen Los Alamos erzielte im März 2012 als erste Einrichtung weltweit mehr als 100 Tesla. Es setzte dabei auf einen Magneten mit einer inneren Bohrung von zehn Millimetern. Die Dresdner Rekordspulen dagegen bieten Platz für Proben mit einem Durchmesser bis zu 16 Millimetern. Mit ihrem nächsten Spulensystem wollen auch die Dresdner Forscher die 100-Tesla-Marke knacken.

Die Labore unterscheiden sich auch in anderen Aspekten: beispielsweise betreibt das Dresdner Hochfeldlabor eine einmalige Kondensatorbank. Damit kann in sehr kurzer Zeit äußerst effizient sehr viel Energie, d.h. ohne große Wärmeverluste, für die enorm starken Magnetfelder abgerufen werden. Außerdem können die Forscher dadurch deutlich kompaktere Hochleistungsspulen mit geringeren Investitionskosten einsetzen. Die Dresdner Rekordspule wird für viele verschiedene wissenschaftliche Projekte bis zu Feldern von 90 Tesla verwendet, beispielsweise um Hochtemperatur-Supraleiter und Kohlenstoff-Nanostrukturen zu untersuchen.


Untersuchung von Graphen mit dem Freie-Elektronen-Laser am HZDR; (c) AlexanderAIUS/Wikipedia und HZDRWie lange leben Elektronen in Graphen?

Bei Experimenten am Freie-Elektronen-Laser des HZDR wurde im vergangenen Jahr die „Lebensdauer“ von Elektronen in Graphen in niedrigen Energiebereichen untersucht. Damit tragen die Wissenschaftler am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung zur Erforschung der grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Graphen bei. Das Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der EU gefördert.

Den Forschern gelang es, das Verhalten der Ladungsträger in der Nähe des Punktes zu beobachten, wo sich die Energiebänder berühren. Dies ist eine der Eigenschaften, in denen sich Graphen fundamental von vielen Festkörpern unterscheidet. Normalerweise kann man bei der Energie der Elektronen klar zwischen Energiebändern und Energielücken trennen, die beschreiben, welche Energieniveaus die Elektronen annehmen können und welche nicht. Anders bei Graphen: hier berühren sich die Energiebänder, ohne dass eine Lücke auftritt. Dadurch besitzt das Material die Fähigkeit, Strahlung niedriger Energien unterhalb des sichtbaren Spektrums, wie Terahertz- und Infrarotlicht, zu absorbieren, sodass es sich sehr gut als Detektormaterial eignet.

Die Forscher stellten fest, dass die Energie der Lichtteilchen, mit denen die Elektronen stimuliert werden, und die Schwingungen des Atomgitters die Lebensdauer der Elektronen beeinflussen: wenn die Energie der Lichtteilchen größer ist als die Energie der Gitterschwingungen, ändern die Elektronen schneller ihren Energiezustand und haben eine kürzere Lebensdauer. Umgekehrt verweilen die Elektronen länger auf einem Energieniveau, wenn die Anregungsenergie kleiner ist als die der Gitterschwingungen. Die Wissenschaftler tragen damit zu einem besseren Verständnis der elektronischen und optischen Eigenschaften von Graphen bei, was wichtig für die Entwicklung neuer schneller elektronischer und optoelektronischer Bauteile ist.


The CBM Physics BookAuf der Suche nach dem Ursprung der Welt

Wissenschaftler vom Institut für Strahlenphysik arbeiten an einem großen internationalen Projekt mit, an dem mehr als 400 Forscher von 50 wissenschaftlichen Einrichtungen in 15 Ländern beteiligt sind. Gemeinsam entwickeln und bauen sie am künftigen Beschleunigerzentrum FAIR in Darmstadt das Detektorsystem CBM (Compressed Baryonic Matter). Es wird die Aufgabe haben, die Spuren der elementarsten, teilweise nicht frei vorkommenden Teilchen zu verfolgen, aus denen die Welt aufgebaut ist. Damit wollen die Wissenschaftler den Ursprung unseres Universums aus dem Urknall erforschen. Sie müssen dazu experimentell jenen, durch den Urknall beschriebenen Zustand stark verdichteter Materie herstellen, der als Quark-Gluon-Plasma bezeichnet wird.

Die gigantischen Detektoren messen die Eigenschaften der gesuchten Teilchen, die bei dem Experiment nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fortgeschleudert werden. Die HZDR-Physiker planen den Bau von zentralen Teilen des 120 Quadratmeter großen Flugzeitdetektors. Die bisher gebauten Prototypen zählen zu den besten Detektoren weltweit: die Flugzeit der Teilchen wird mit einer Genauigkeit von  100 Pikosekunden gemessen (in dieser Zeit fliegt  ein sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegendes Teilchen 30 Millimeter weit). Die hohe Flussdichte von bis zu 1 Million Teilchen pro Sekunde und pro Quadratzentimeter entspricht einem neuen Weltrekord, den die Wissenschaftler bei Test-Experimenten an der Strahlungsquelle ELBE erzielt haben.

Die Entwicklung des CBM-Experiments wird durch neue theoretische und experimentelle Erkenntnisse zum Verhalten der Elementarteilchen begleitet. Sie sind in dem 960 Seiten starken Werk „The CBM Physics Book – Compressed Baryonic Matter in Laboratory Experiments“ in der Reihe “Lecture Notes in Physics” im Springer-Verlag erschienen. Auch HZDR-Physiker waren daran beteiligt. Der Band gilt sowohl als Einführung wie auch als Wegweiser für künftige Forschungen zur Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas und der Eigenschaften von Elementarteilchen in dichter Kernmaterie.