TUMKolleg: Besuch des PhotonLabs und des Forschungsreaktors am 21.12.2022

Einen Meter und 80 Zentimeter misst die Außenwand des Forschungsreaktors München II (FRM II). Natürlich, würde man meinen, will man damit verhindern, dass gefährliche Strahlung nach außen dringt.

Und ja, es dient zum Strahlenschutz. Tatsächlich soll dadurch jedoch verhindert werden, dass ein Flugzeug bei einem „Kontakt“ die Wand zu stark beschädigt – Schuld an dieser Konstruktion hat also eigentlich der nahegelegene Flughafen, nicht der Reaktor an sich.
Doch wie gefährlich war der Besuch des FRM mit all seinen Sicherheitsvorkehrungen, Kontrollen und Vorschriften? Ein Dosimeter trugen wir während der gesamten Führung mit uns – es zeigte am Ende einen Wert von unter 0,1 Mikrosievert. Den Flieger von München nach New York verlässt man mit 150 Mikrosievert.

Überhaupt war der Termin des TUMKollegs 22-24 am 21.12.2022 im FRM II und dem PhotonLab des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik ein wahres Highlight des Studiums Generale. Bereits die Trennung der Gruppen des WHGs und des OvTGs war ungewöhnlich und geschah, um die Vorschriften des FRM mit einer erlaubten Besucherzahl von maximal 18 Personen einzuhalten.
Zunächst aber weg vom Reaktor: Im Max-Planck-Institut für Quantenoptik drehte sich alles um Laser. Den ersten Laser baute einst Theodore Maiman – heute steht er in Garching. Er war das Erste, was wir zu Gesicht bekamen, aufbereitet mit einer kurzen Einführung in das Themengebiet und der Erklärung der Funktionsweise eines Lasers.

Heutige Laser sind natürlich deutlich leistungsstärker – so leistungsstark, dass uns ins wissenschaftliche Labor ohne die aufwendige Schutzkleidung nur ein kurzer Blick vergönnt war, um unnötige Risiken durch das höchst energiereiche Licht zu vermeiden.
Die folgende Stunde verbrachten wir mit Experimenten und liefen im Schülerlabor der TU, dem PhotonLab, von Versuchsaufbau zu Versuchsaufbau.

Auch die Lehrkraft ließ es sich nicht nehmen, an den verschiedenen Versuchen zu arbeiten. Welches Experiment am meisten in Erinnerung bleibt? Wohl der rote Luftballon, der mit einem grünen Laser zum Platzen gebracht wurde. Reflektiert nämlich ein Farbstoff rotes Licht, muss er grünes Licht aus dem sichtbaren Bereich absorbieren. Der Luftballon nimmt durch die Absorption also Energie auf, wird an dieser Stelle so heiß, dass sich ein Loch ins Gummi frisst, und er platzt.

Eine Stunde voller Erfahrungen und Erkenntnissen, unterhaltsam aufbereitet – dass es der FRM II im Heinz Maier-Leibnitz-Zentrum schaffte, das zweifelsohne zu toppen, zeigt schon welch einen Eindruck diese Forschungseinrichtung hinterlassen konnte. Im Reaktor durften keine Fotos gemacht und natürlich keine gefährlichen Gegenstände mitgenommen werden – aber selbst Teebeutel wurden vorher abgenommen. In drei kleinen Gruppen ging es dann durch die Experimentierhalle, die Neutronenleiterhalle und zum „Fenster“.

Die Neutronenleiterhalle ist hundert Meter vom eigentlichen Reaktor entfernt – deswegen der Name, die Neutronen die bei der Kernspaltung entstehen, müssen erst in diese Halle geleitet werden. Ein großer runder Aufbau in der Mitte der Halle fiel schnell auf, das PGAA: Stoffe geben spezifische Gamma-Strahlung ab, anhand derer sie anschließend identifiziert werden können. So wurde hier beispielsweise das Gehirn eines Menschen, der Antidepressiva nahm, untersucht, um herauszufinden, in welchen Bereichen sich das im Medikament enthaltene Lithium ablagert.

Durch das „Fenster“ konnte man dann einen Blick auf den Reaktor werfen, der die Neutronen für die diversen Experimente liefert. Experimente darf im FRM II übrigens jeder machen, der nach Einreichung eines entsprechenden Antrags mit Erläuterung des Ziels und Zwecks angenommen wird – gratis, unter der Voraussetzung, dass die Ergebnisse anschließend veröffentlicht werden. Auch Unternehmen laborieren im Heinz Maier-Leibnitz-Zentrum, die ihre Unternehmensgeheimnisse natürlich nicht veröffentlichen wollen. Der Preis, den sie folglich zahlen müssen, entspricht dann aber exakt dem Anteil der Kosten des Reaktorbrennstoffs, den sie durch ihre Versuche beanspruchen. Mit dem Reaktor darf kein Profit gemacht werden, er dient einzig der Forschung.

Die Experimentierhalle ist genauso vollgestopft mit Versuchsaufbauten wie die Neutronenleiterhalle, wohl aber noch aufregender, da sie sich direkt neben dem Reaktor befindet. Jedes Detail war bei der Konstruktion dieser Halle wichtig: Offensichtlich ist, dass man bei der Wahl des Baumaterials besser keine strahlenden Stoffe wählt – aber auch ein glatter Boden ist wichtig, damit die schweren Gerätschaften mit Druckluft verschoben werden können. Bei einer Verschiebung über Rollen würde die Gewichtsverteilung zu unebenem Boden und somit zu Messungenauigkeiten führen.

ANTARES ist eine der hier aufgebauten Versuchsanlagen und liefert ein bildgebendes Verfahren, um metallische Gegenstände analog zur Röntgenstrahlung beim Menschen zu durchleuchten. Wieso nicht gleich Röntgenstrahlung einsetzen? Oder umgekehrt Neutronenstrahlung beim Menschen? In Metallen befinden sich mehr Elektronen als in den Kohlenwasserstoffen, die wir hauptsächlich im menschlichen Körper finden; diese interagieren mit der Röntgenstrahlung und halten diese somit auf. Neutronen hingegen „fliegen“ einfach hindurch. Mit den Stoffen, die weniger Elektronen besitzen, interagieren jedoch die Neutronen stärker, beispielhaft das Wasserstoffatom, das das Neutron sofort aufhalten wird.

Einen Bestwert hielt das Heinz Maier-Leibnitz-Zentrum auch noch bereit: Die meiste Masse an Antimaterie produziert zwar das CERN, doch die meisten Teilchen entstehen an der Quelle in Garching. Man erzeugt Positronen, die dann benutzt werden, um Oberflächen zu untersuchen. Trifft ein Positron nämlich auf ein Elektron in der Atomhülle, vernichten sich beide Teilchen gegenseitig, wodurch zwei Gammablitze erzeugt werden. Aus Abweichungen von den Erwartungswerten kann man dann auf etwaige Defekte schließen. So wurde zum Beispiel die Haltbarkeit von Gelatine – nach beispielsweise zweijähriger Lagerung – an Haribo-Gummibärchen untersucht. Anwendung findet sich dann in der Pharmazie, denn viele Medikamente besitzen ebenfalls eine Gelatine-Schicht. Löst sich diese zu früh oder zu spät auf, greift der Wirkstoff an den falschen Stellen im Organismus an.

Über zwei Stunden dauerte die Führung. Als wir dann unsere Überschuhe abstreiften, wieder unsere Rucksäcke holten und die Jacken wieder anzogen, mischte sich eine begeisterte Stimmung mit einer gewissen Erschöpfung. Nicht bloß hat dieser beeindruckende Tag viel Konzentration eingefordert, auch das ungewohnte, lange Stehen stellte eine unerwartete Herausforderung dar. Doch bei solchen Einblicken in die Forschung bleibt das keine Frage: Es hat sich gelohnt!

 

Simon Basten, Jakob Klinger und Vitus Leibnitz im Namen des TUMKollegs 22-24
Bilder von Jakob Klinger