Elementarteilchen mit Detektoren aus dem 3D-Drucker nachweisbar machen

Die Frage um die Entstehung unseres Universums ist wohl eine der größten Rätsel der Menschheit. Mithilfe von Teilchendetektoren aus der additiven Fertigung kommen Wissenschaftler:innen der Hochenergie- und Teilchenphysik der Antwort näher.

Gastbeitrag von David Lakatos, Chief Product Officer bei Formlabs

Der Mensch hat ein grundlegendes Interesse daran zu wissen, woher das Universum und somit das Leben selbst kommt. Mitte des 20. Jahrhunderts entstand die Urknall-Theorie. Diese ist bis heute wissenschaftlich anerkannt. Dennoch weiß noch immer niemand genau, warum das Universum zu existieren begann. Die Hochenergie- und Teilchenphysik beschäftigt sich mit fundamentalen Fragen der Menschheit: Wie ist unser Universum und die Materie darin entstanden und wie wird es sich weiterentwickeln?

Um solche Fragen zu beantworten, untersuchen Wissenschaftler:innen die kleinsten Bestandteile des Universums – die Elementarteilchen. Mithilfe von Teilchenkollisionen in Teilchenbeschleunigern wollen Physiker:innen herausfinden, wie die Materie entstanden ist. Dafür rekonstruieren sie die Bedingungen des Urknalls. Um die Energie dessen nachzubilden, beschleunigt ein Teilchenbeschleuniger geladene Teilchen durch elektromagnetische Kraft. In Abhängigkeit von der Art der Teilchen und der Bauart des Beschleunigers können die Teilchen dann an einen Kreisbeschleuniger wie ein Synchrotron weitergegeben werden. Stärkere Magnete lenken die Teilchen in die richtige Bahn. Sie können den Kreisbeschleuniger mehrmals durchlaufen und so über längere Zeit annähernd Lichtgeschwindigkeit erreichen. Sobald die Teilchen die gewünschte Geschwindigkeit erreicht haben, können sie zu den einzelnen Experimentierstationen geleitet werden, wo sie mit hoher kinetischer Energie auf andere Teilchen (die sogenannten Targets) geschossen werden. Das simuliert den Urknall, den Ursprung des Universums.

Für die Experimente an einem Teilchenbeschleuniger braucht es sogenannte Teilchendetektoren. Bevor diese aber konstruiert, montiert und anschließend im Teilchenbeschleuniger installiert werden können, müssen zunächst Prototypen sowie spezielle Werkzeuge und Formen entwickelt werden. Diese kommen bei der Montage und beim Testen der Detektoren zum Einsatz. Hierbei machen sich die Maschinenbauingenieur:innen des CERN die additive Fertigung zunutze.

Die Entstehung unseres Universums erforschen

Die Europäische Organisation für Kernforschung, auch als CERN bekannt, ist ein Forschungszentrum für Hochenergiephysik. Das Unternehmen beherbergt den größten und leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, den Large Hadron Collider (LHC). Large steht dabei für die Größe. Der Teilchenbeschleuniger besteht aus einem 27 Kilometer langen Ring aus verschiedenen Beschleunigungsstrukturen, die die Energie der Teilchen erhöhen. Hadron ist im Namen vorhanden, da der LHC Protonen oder Ionen beschleunigt, welche Hadronen sind. Collider beschreibt das Zusammentreffen der zwei Strahlen, welche diese Teilchen bilden. Diese Strahlen bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen und kollidieren an vier Punkten. Der LHC erzeugt eine Energiedichte und Temperatur, die den Bedingungen ähneln, die wenige Augenblicke nach dem Urknall herrschten. Die Teilchen erreichen nahezu Lichtgeschwindigkeit. So werden dann die Flugbahnen der bei den Kollisionen entstandenen Teilchen rekonstruiert, woraus sich wiederum Rückschlüsse auf die Eigenschaften der kollidierten sowie der neu entstandenen Teilchen ziehen lassen.

Um aus diesem Ablauf Erkenntnisse über die Materie und Entstehung unseres Universums gewinnen zu können, müssen die entstehenden Teilchen nachweisbar und bestimmbar sein. Hier kommt der Teilchendetektor ins Spiel. Er ist ein Bauteil oder Messgerät zum Nachweis freier, bewegter Moleküle, Atome oder Elementarteilchen. Der Teilchendetektor bestimmt die Interaktionen und Kräfte zwischen elementaren Objekten und damit die tiefsten Strukturen von Raum und Zeit. Somit ermöglicht er Einblicke in die Entwicklung des Universums und ist ein Ansatz, um die offenen Fragen der Teilchenphysik zu beantworten.

Belastbare Teilchendetektoren aus dem 3D-Drucker

Im LHC treffen viele Teilchen mit hoher Energie aufeinander. Bei der Teilchenkollision sind die Detektoren enorm hohen Strahlenbelastungen ausgesetzt. Deswegen müssen deren Bestandteile immer wieder getestet, verbessert und gegebenenfalls ausgetauscht werden.

Der Maschinenbauingenieur Massimo Angeletti ist beim CERN in der Abteilung für Experimentalphysik für die Entwicklung, den Bau und den Betrieb von Teilchendetektoren zuständig. Angelettis Abteilung nutzt den 3D-Druck für verschiedene Anwendungen bereits seit sechs Jahren. Vor allem in der Prototypenfertigung findet die additive Fertigung einen wichtigen Anwendungsbereich. Denn die Prototypenfertigung ist ein entscheidender Schritt in dem Entwicklungsprozess der Teilchendetektoren. Mit traditionellen Fertigungsmethoden ist dieser allerdings kaum umsetzbar. Vor dem Umstieg auf eine hausinterne additive Produktion war die Abteilung auf externe Zulieferer angewiesen und musste selbst auf die Lieferung recht einfacher 3D-Druckteile wochenlang warten.

Schnelle Teiloptimierung

Inzwischen können die Maschinenbauingenieur:innen Prototypen so schnell wie nie zuvor direkt aus CAD-Daten erstellen. Die Verbesserungen stützen sich auf Tests unter realen Bedingungen und Feedback von vorherigen Prototypen. Physische Modelle ermöglichen es Ingenieur:innen, das Nutzerfeedback in die Teiloptimierung zu integrieren. Durch das Rapid Prototyping mit 3D-Druckern konnte das Team die Entwicklungszeiten verkürzen. Denn ein 24-Stunden-Entwurfszyklus ist möglich: Der erste Entwurf wird während der Arbeitszeit erstellt. Über Nacht fertigt der 3D-Drucker dann die Prototypenteile an. Am nächsten Tag werden die Prototypen gereinigt, getestet und bei Bedarf verbessert. Dieser Zyklus kann sich beliebig oft wiederholen. Betriebsinternes Rapid Prototyping eliminiert damit die hohen Kosten und Durchlaufzeiten, die mit der Auslagerung einhergehen.

Das Forschungsteam ist dank einer Schulung in der Lage, die Drucker selbstständig und sicher zu bedienen. Die Ingenieur:innen erstellen die Designs in der CAD-Modelliersoftware und senden sie an den 3D-Drucker. Dank der Gestaltungsfreiheit der additiven Fertigung lassen sich auch komplexe dreidimensionale Formen wie die filigranen Strukturen für Teilchendetektoren herstellen. Heute kommen die 3D-gedruckten Polymermaterialien in LHC-Experimenten in immer mehr Anwendungsfällen zum Einsatz.

Anpassungsfähigkeit in der Teilchenforschung

Der 3D-Druck spielt eine transformative Rolle in der Forschung. Mit einem 3D-Drucker können komplexe dreidimensionale Formen in einem einfachen Workflow erschwinglich hergestellt werden. Außerdem ist die Forschung dank der Inhouse-Produktion nicht mehr an lange Wartezeiten von Zulieferern gebunden. Die Physiker:innen können flexibel sowie schneller agieren und sich mit dem 3D-Druck also nun der Antwort auf die Frage zur Entstehung des Universums nähern.

Der Maschinenbauingenieur Angeletti sieht die Zukunft des Detektors fast vollständig im 3D-Druck und ist daher überzeugt, dass der 3D-Drucker in der Zukunft ein alltägliches und essenzielles Werkzeug in der Forschung sein wird.