Ein effektiverer Ansatz für die Entwicklung von Teilchenbeschleunigern
Teilchenbeschleuniger sind nicht nur von entscheidender Bedeutung für die Fähigkeit Europas, sich an der Spitze der Forschung zu behaupten, sondern auch für medizinische Anwendungen und andere Branchen. Von der Strahlentherapie über die Analyse von Kunstwerken bis hin zu Materialprüfungen – Teilchenbeschleuniger sind der Schlüssel zu unserer Innovationsfähigkeit in verschiedenen Bereichen. Und wir haben nicht genug davon: es werden immer mehr Anwendungsmöglichkeiten(öffnet in neuem Fenster) erkannt, und der technologische Zugang ist hart umkämpft. Die gemeinsame Entwicklung eines Portfolios fortschrittlicher Teilchenbeschleunigertechnologien ist Forschungsgegenstand von Projekt I.FAST(öffnet in neuem Fenster). „Wir wollten die Entwicklung effektiverer und erschwinglicherer Technologien mit geringerem Umweltfußabdruck fördern“, erklärt Maurizio Vretenar, Koordinator von I.FAST an der Europäischen Organisation für Kernforschung(öffnet in neuem Fenster) (CERN) in der Schweiz. Das Projekt wurde ins Leben gerufen, um ein günstiges Umfeld für die Entwicklung der nächsten Generation von Teilchenbeschleunigen schaffen, indem Hand in Hand mit der Industrie der Weg für die langfristige Entwicklung von Beschleunigertechnologien in Europa geebnet wird. Vretenar erklärt hierzu: „Obwohl Industrie und Forschung bei solchen Herausforderungen schon früher eng zusammengearbeitet haben, hat I.FAST entscheidend dazu beigetragen, eine Kultur des Vertrauens und der gegenseitigen Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie zu fördern, die weitere Innovationen bei Teilchenbeschleunigertechnologien ermöglichen wird.“
Die Anwendung plattformübergreifender innovativer Beschleunigerverfahren maximieren
Die Zusammenarbeit ermöglichte ein optimiertes Entwicklungsverfahren, die Vermeidung von Doppelarbeit und die Förderung von Innovationen in der Teilchenbeschleunigergemeinschaft. „Wir haben die Entwicklung gängiger bahnbrechender Technologien für mehrere Beschleunigerplattformen kartiert und gefördert“, so Vretenar. Knapp 50 Partnerorganisationen, darunter 17 Unternehmen, die sich an gemeinsamen Innovationen beteiligten, arbeiteten zusammen, um neue Beschleunigerkonzepte und fortgeschrittene Prototypen von Schlüsseltechnologien zu erforschen. Zu diesen Technologien zählen neue Beschleunigerdesigns und -konzepte. „Wir haben auch fortschrittliche supraleitende Technologien für Magnete und Hohlräume sowie neue Techniken zur Steigerung der Helligkeit von Synchrotronlichtquellen ermöglicht“, fügt Vretenar hinzu. Es wurden supraleitende Dünnschichten auf verschiedenen Substraten abgeschieden und erprobt, um die Leistung zu verbessern und den Stromverbrauch von Beschleunigungssystemen zu senken. Das Projekt entwickelte Strategien und Technologien zur Verbesserung der Energieeffizienz sowie neue gesellschaftliche Beschleunigeranwendungen. Es wurden neue Technologien für künftige Beschleuniger erforscht, insbesondere das maschinelle Lernen zur Verbesserung der Leistung.
3D-Druck für revolutionäre Beschleuniger in der Produktion und Reparatur
Einen Durchbruch stellte der Einsatz von additiver Fertigung (AM), also 3D-Druck, dar. Bei der Anwendung werden 3D-Objekte aus digitalen Entwürfen über ein transformatives, schichtweise Verfahren erstellt. Dies steht im Gegensatz zu traditionellen, subtraktiven oder formgebenden Verfahren und ermöglicht eine noch nie dagewesene geometrische Komplexität, weniger Materialabfall sowie ein schnelles Prototyping. Das Projekt nutzte die AM zur Herstellung einer Reihe von Prototypen von Hochfrequenz-Quadrupol-Beschleunigungsstrukturen (RFQ) aus reinem Kupfer. Dabei handelt es sich um spezielle, kompakte Beschleuniger von etwas mehr als einem Meter Länge, die unmittelbar nach der Teilchenquelle eingesetzt werden, um den Strahl zu verdichten und die Energieanregung zu initiieren. RFQs werden als Injektoren für große Beschleuniger und für Anwendungen in der Medizin und der Kunstwerkanalyse eingesetzt. „Dadurch können wir sowohl die Kosten senken als auch komplexere Geometrien anwenden, was zu einer besseren Leistung führt. Diese Innovation könnte den Weg zu neuen Anwendungen für die Herstellung medizinischer Isotope oder zu neuen Spitzenlösungen für die Material- und Oberflächenanalyse ebnen“, erklärt Vretenar. Dieses weltweite Novum war Gegenstand mehrerer Veröffentlichungen und wurde auf Konferenzen und Industriemessen vorgestellt. Die weitere Optimierung und Charakterisierung der Prototypen ist derzeit im Gange. Zusätzliche AM-Anwendungen wurden auf dem Gebiet von Ionenquellen identifiziert – kleine und komplexe Strukturen, von denen die Qualität des Teilchenstrahls und die Reparatur defekter Beschleunigerkomponenten abhängen. I.FAST baute 13 Prototypen auf hohem Niveau, um neue Beschleunigertechnologien zu erproben, und erstellte acht Berichte, in denen Fahrpläne für die Weiterentwicklung kritischer Beschleunigertechnologien definiert wurden. „Der Erfolg des Projekts gründet auf verstärkter Zusammenarbeit, insbesondere mit der Industrie, in einem offenen Innovationsumfeld. Hinter jeder Technologie stehen Menschen, und unser Erfolg ist größtenteils auf unser multidisziplinäres Team und unsere aufgebauten Beziehungen zurückzuführen.“