Dem Universum auf der Spur

Werkstoffe

Kunststoffe – In einem Tank laufen Messungen zum neutrinolosen Doppelbetazerfall, mit denen die Forscher das Universum besser verstehen wollen. Zur Thermoisolation ruht der Tank auf Auflagern aus Torlon.

09. April 2010

Unserem Universum konnten die Generationen von Forschern bis heute nur einen winzigen Bruchteil seiner Geheimnisse entlocken. Aber während der Astronom Nikolaus Kopernikus im 15. Jahrhundert noch auf mathematische Berechnungen zurückgreifen konnte, braucht es heutzutage für bahnbrechende Forschungen nicht nur kluge Köpfe und intelligente Experimente, sondern auch die dazu notwendige Ausrüstung. Eine im wahrsten Sinne des Wortes tragende Rolle bei einem Forschungsprojekt des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik spielen Aufleger aus dem Hochleistungskunststoff Torlon 4503, die der Spezialist für Industriekomponenten Angst + Pfister gefertigt hat. Doch der Reihe nach: Neutrinos spielen eine fundamentale Rolle beim Verständnis unseres Universums.

Projekt GERDA

Um sie besser zu verstehen, erforscht das Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg im Rahmen des Forschungsprojekts »GERDA«, der Name setzt sich aus den Anfangsbuchstaben der Wörter Germanium Detector Array zusammen, den sogenannten neutrinolosen Doppelbetazerfall von Germanium-76. Vereinfacht lässt sich das Projekt so beschreiben: Beim Betazerfall, einer bestimmten Art des radioaktiven Zerfalls, entsteht ein Elementarteilchen, genannt Neutrino. Der theoretisch bekannte neutrinolose Doppelbetazerfall ließe sich so erklären, dass das entstandene Neutrino zur gleichen Zeit in einem zweiten Betazerfall wieder absorbiert wird. Dies würde voraussetzen, dass das Neutrino zugleich sein eigenes Antiteilchen ist. Falls die Wissenschaftler dies experimentell nachweisen, können sie die Neutrinos, und damit auch das Universum, besser verstehen. Die ersten Versuche laufen zurzeit in einem Untergrundlabor in den italienischen Abruzzen.

Acht Torlon-Auflager

Für die anspruchsvollen Experimente nutzen die Wissenschaftler an den Laboratori Nazionali del Gran Sasso hochempfindliche Messeinrichtungen. Denn sie müssen mit hoher Präzision und unter Ausschaltung störender radioaktiver und kosmischer Strahlung messen. Dazu werden die Germaniumdetektoren in einen mit dem Edelgas Argon befüllten doppelwandigen Tank eingeführt, der einen Durchmesser von vier Metern hat. Der Zwischenraum zwischen den Wänden ist zur thermischen Isolation evakuiert und mit mehreren Lagen reflektierender Folie ausgelegt und wird auf rund -190 Grad Celsius gekühlt. Den mit Argon befüllten Tank wiederum umschließt ein Wassertank mit einem Durchmesser von etwa zehn Metern. Beide Hüllen zusammen schirmen die Störstrahlung ab. Der Argontank stützt sich auf acht rohrförmigen Auflagern aus dem Hochleistungskunststoff Torlon 4503 ab. Diese Torlon-Auflager dienen als Distanzhalter und als thermische Isolation zwischen der inneren und äußeren Wand des Tanks. In der Wandung der Auflager herrscht ein Temperaturgefälle von ca. -190 bis circa +20 Grad Celsius. Die Rohre haben einen Außendurchmesser von 174,6 Millimetern, einen Innendurchmesser von 101,6 Millimetern und sind 100 Millimeter lang. Acht Wägezellen sorgten während der Montage dafür, dass sich die Gesamtlast mittels Tellerfedern gleichmäßig auf die Lager aus Torlon verteilt. Gemeinsam mit den Projektverantwortlichen des MPI definierten die Ingenieure von Angst + Pfister die Anforderungen an den Werkstoff und die Halbzeuggeometrie: Die Auflager sollten bis –196 Grad Celsius temperaturbeständig sein, hohe Lasten aufnehmen können und sich dabei nur gering deformieren.

Keine Versprödung

Im Zeitstandsverhalten sollten sie eine geringe Kriechneigung aufweisen, nicht verspröden und die Schlagzähigkeit weitestgehend beibehalten. Außerdem sollten sie eine geringe Wärmeleitfähigkeit zeigen und nicht oder höchstens äußerst gering radioaktiv strahlen. Um jedes Risiko auszuschließen, beauftragte das MPI den TÜV Nord mit Tieftemperatur-Druckversuchen an geeigneten Probekörpern. Dabei belasteten die Tester die Proben bei Temperaturen bis -190 Grad Celsius mit 10 Kilonewton – einem Vielfachen der in der Anwendung zu erwartenden Last. Die Testergebnisse entsprachen den Erwartungen: Der Werkstoff Torlon 4503 PAI, ein Polyamidimid mit Titandioxid (TiO2) und Polytetrafluorethylen (PTFE), zeigte sowohl im Hoch- als auch im Tiefsttemperaturbereich exzellente Grenzwerte, versprödete kaum und nach Entlastung stellte sich die Verformung der Proben zurück. Und bezogen auf die Parameter der Anwendung und die Standzeit war das Preis-Leistungs-Verhältnis nicht zu übertreffen. »Wir von Angst + Pfister sind jedenfalls stolz, dass wir einen kleinen Beitrag zu diesem bedeutenden Forschungsprojekt leisten durften«, fasst Geschäftsführer Günter Barlo zusammen.

Thomas Blum, Angst+Pfister/aru

Erschienen in Ausgabe: 02/2010