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Mit Supermikroskopen können Materialien zerstörungsfrei durchleuchtet und charakterisiert werden. Über GEMS


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Funktionale Werkstoffsysteme

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Der Blick ins Innere

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Die Probe wird in den Messplatz an der Röntgenquelle PETRA III eingesetzt. Foto: HZG/Christian Schmid

Um einen neuen Werkstoff zielgerichtet entwickeln zu können, müssen die Wissenschaftler möglichst viel über seinen inneren Aufbau in Erfahrung bringen: Wie sind die Atome und Kristallite im Material angeordnet, und finden sich störende Risse oder Poren? Aufschlüsse geben moderne Analyseverfahren, bei denen die Materialien mit starkem Röntgenlicht oder mit Neutronen bestrahlt werden. Zu diesem Zweck betreibt das Helmholtz-Zentrum Geesthacht Außenstellen an zwei renommierten Großgeräten – der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III am Forschungszentrum DESY in Hamburg sowie dem Forschungsreaktor FRM II in Garching bei München, einer der leistungsfähigsten Neutronenquellen Europas.

Um die Arbeit dort möglichst effektiv zu gestalten, hat das HZG ein Kompetenzzentrum eingerichtet – das „German Engineering Materials Science Center“ (GEMS). Es bietet nicht nur den Forschern aus Geesthacht, sondern Wissenschaftlern aus der ganzen Welt einen einfachen Zugang zu den Forschungsinstrumenten. Sowohl am FRM II als auch bei PETRA III hat das HZG mehrere Messplätze aufgebaut, die spezialisiert sind auf ingenieurwissenschaftliche Materialforschung.

Messplätze für externe Fachleute

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Die Proben können auch automatisiert geprüft werden. Foto: HZG/Christian Schmid

Am Speicherring PETRA III können die Experten beispielsweise live verfolgen, wie eine Schweißnaht entsteht. Möglich macht das eine eigens entwickelte Apparatur, bei der ein ferngesteuerter Roboter Metallplatten zusammenschweißt, während der Röntgenstrahl aus dem Beschleuniger den Prozess durchleuchtet und sichtbar macht, was im mikroskopischen Detail geschieht. Auch mit Neutronen lassen sich Werkstücke und Materialien detailliert unter die Lupe nehmen. Anders als mit Röntgenstrahlung machen die Neutronen vor allem die leichten Atomsorten sichtbar, insbesondere Wasserstoff. Damit bilden Neutronen ein hocheffektives Werkzeug, um neue Wasserstoffspeicher auf Basis von Metallhydriden zu entwickeln.

Das Kompetenzzentrum GEMS macht seine Messplätze externen Fachleuten zugänglich: Mehr als die Hälfte der Nutzer kommen von Universitäten, anderen Forschungsinstituten sowie der Industrie. Die Nachfrage ist hoch, die Anlagen sind regelmäßig ausgebucht. Nun will GEMS seine Aktivitäten weiter ausbauen: Auf dem DESY-Gelände in Hamburg soll ein neues Gebäude mit Vorbereitungslabors und Büroarbeitsplätzen entstehen. An der „Europäischen Spallationsquelle“ (ESS), die derzeit in Lund in Schweden gebaut wird und ab dem Jahr 2020 hochintensive Neutronenpulse erzeugen soll, wird sich das HZG an den Messinstrumenten beteiligen.

Synchrotronstrahlung: Extrem helles Röntgenlicht

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Die aufwendigen Untersuchungen erfordern Teamarbeit. Foto: HZG/Christian Schmid

Synchrotronstrahlung entsteht, wenn schnelle Elektronen in Magnetfeldern abgelenkt werden. Dabei verlieren die Teilchen Energie in Form eines starken, gebündelten Röntgenstrahls. Mit dessen Hilfe lassen sich nanometerfeine Strukturen in einer Materialprobe erkennen – zum Teil sogar jene Atome, aus denen sich der Werkstoff zusammensetzt. Mit Synchrotronstrahlung können die Fachleute die unterschiedlichsten Materialien unter die Lupe nehmen: Metalle ebenso wie Halbleiter, Kunststoff e und Biomoleküle. Eine der weltweit stärksten Röntgenquellen steht am Forschungszentrum DESY in Hamburg – der Speicherring PETRA III.

Neutronen: Spione für den Mikrokosmos

Neutronen sind winzige Kernteilchen, gemeinsam mit den Protonen bauen sie die Atomkerne auf. Neutronen lassen sich aber auch als Sonden für Werkstoffe nutzen: Da sie elektrisch neutral sind, können sie tief in ein Material eindringen. Aus den Messdaten lässt sich schließen, wie der Werkstoff aufgebaut ist und welche Prozesse sich in ihm abspielen. Neutronen können auch größere Werkstücke durchdringen, z. B. Turbinenschaufeln. Zudem können sie effi zient Wasserstoff sichtbar machen – wichtig für die Entwicklung neuer Wasserstoff speicher. Erzeugt werden Neutronen an Forschungsreaktoren. Einer der leistungsfähigsten der Welt ist der FRM II in Garching bei München.