Physik-Exkursion „Follow the energy“ – Besuch bei Research Instruments
Am 21.12.2022 hatten wir, die Schülerinnen und Schüler der EF aus dem Physik-Grundkurs von Frau Langenbach, die einmalige Gelegenheit, im Rahmen einer Exkursion einen Teilchenbeschleuniger zu besichtigen – und das nur drei Bushaltestellen von unserem Gymnasium entfernt.
„Research Instruments“ – kurz „RI“ – heißt das Unternehmen, welches seinen Sitz im Technologiepark in Bensberg hat. Hierbei handelt es sich um einen wichtigen Hersteller für die Naturwissenschaften und die Industrie. Die Firma bekam im Oktober 2019 den Großauftrag – ein Großprojekt namens LightHouse, einen Teilchenbeschleuniger für eine Firma in Belgien herzustellen. Dieses wird jedoch leider nicht umgesetzt werden, da das Projekt von seitens des Auftraggebers gescheitert ist. Im eigenen Firmensitz hat das Unternehmen jedoch seit April 2022 einen „kleinen Teil“ des Endproduktes montiert, um die Funktionsweise zu testen und Experimente durchführen zu können. Hierzu muss man sagen, dass das fertige Endprodukt eine Gesamtlänge von rund 100 Metern und eine Breite von ca. 30 Metern haben sollte. Zum Vergleich: Der weltgrößte Teilchenbeschleuniger am Cern (LHC – Large Hadron Collider) hat eine Gesamtlänge von ca. 26km. Er befindet sich in der Schweiz. Wir hatten aufgrund der Tatsache, dass nur ein kleiner Teil montiert wurde die Gelegenheit, den Teilchenbeschleuniger hautnah „unter die Lupe zu nehmen“ – wir gewannen ebenfalls einen exklusiven Einblick in die Fertigungshalle und haben uns einzelne Bestandteile eines Teilchenbeschleunigers angesehen.
Zu Beginn der Exkursion haben wir anhand eines einfachen Versuchsaufbau die Energieumwandlung bei einem Beschleunigungsprozess unter Betrachtung des Trägheitsgesetzes und des Aktionsprinzips (1. und 2. Newtonsches Gesetz) vertieft. Das Trägheitsgesetz sagt aus, dass ein Körper, auf den keine äußeren Kräfte (wie z.B. die Windkraft) wirken, in seinem Zustand der Ruhe oder der Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit bleibt. Das Aktionsprinzip sagt aus, dass ein Körper (z.B. eine Murmel) in Richtung einer auf ihn wirkenden Kraft (z.B. der Windkraft) beschleunigt wird. Einfach gesagt: Die Murmel bewegt sich, wenn der Wind weht, in Richtung seiner Kraft.
Bei Teilchenbeschleunigern werden geladene Teilchen (in diesem Fall Elektronen) auf „große Geschwindigkeiten“ gebracht und als Geschosse genutzt – daher auch das Motto unserer Exkursion „Follow the Energy“.
Die Energie ist bei Teilchenbeschleunigern ein wichtiger Faktor – und sie spielt in fast allen Prozessen eine entscheidende Rolle. Teilchenbeschleuniger werden in erster Linie zur Untersuchung der Struktur der Materie eingesetzt – so kann man beispielsweise aus der Streuung der energiereichen Geschosse Rückschlüsse über den mikroskopischen Aufbau einer Materie gewinnen. Mit möglichst energiereichen Geschossen lassen sich ebenfalls immer kleinere Strukturen untersuchen.
Auch in der Medizin sind Teilchenbeschleuniger von immer größerer Relevanz, da spezielle Beschleuniger zur Bestrahlung von Tumoren eingesetzt werden. Insofern sind Teilchenbeschleuniger auch ein wichtiger Bestandteil der Strahlentherapie. Bei dem Teilchenbeschleuniger von Research Instruments geschieht die Beschleunigung der Elektronen durch eine sogenannte DC Gleichspannung, die zwischen Photokathode und Anode angelegt wird. Da eine hohe Spannung erzeugt werden muss, ist ein 350kV Netzgerät in großen „Tanks“ auf dem oberen Gerüst installiert.
Bei einem Teilchenbeschleuniger ist Strahlung unvermeidbar, da diese bei der Beschleunigung und dem Zusammenstoß von Teilchen entsteht. Bei dem Teilchenbeschleuniger von „RI“ besteht jedoch keine Gefahr, da dieser von mehreren Schichten Beton und einem Außenzelt in einer Lagerhalle von der Außenwelt abgeschirmt wird – die Strahlung wird auf diesem Wege absorbiert. Die Strahlung ist hierdurch identisch zu der Strahlung außerhalb, insofern besteht keine Gefahr. Bei Teilchenbeschleunigern wie dem LHC (am Cern) befindet sich der kilometerlange Tunnel so tief unter der Erde, dass Streustrahlung während des Betriebs an der Erdoberfläche nicht einmal gemessen werden kann.
Es war eine insgesamt sehr informative und faszinierende Exkursion!
Zudem war es eine einmalige Gelegenheit, die Physik in dieser Form „hautnah“ erleben zu können. Unser großer Dank geht an Herrn Dr. Christoph Quitmann (Projektleiter LightHouse), Herrn Krämer und dem restlichen Team.
Thies Schönemann (EF)
