Teilchenbeschleuniger LHC Überhitzter Magnet zwingt Forscher zum Abschalten

Zum zweiten Mal in dieser Woche wurde der gewaltige Teilchenbeschleuniger nahe Genf abgeschaltet. Einer der mächtigen Elektromagneten, die den Teilchenstrahl im Zaum halten sollen, überhitzte sich, eine Tonne Helium trat in den Tunnel aus. Die Reparatur könnte Wochen dauern.

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Genf - Die Mitteilung auf einer der zahlreichen Web-Seiten des Beschleuniger-Experimentes ist dürr: "Während der Inbetriebnahme des letzten LHC Sektors (…), trat heute um 12.05 Uhr ein Vorfall auf, durch den eine große Menge Helium in den Tunnel austrat. Weitere Details sind noch nicht bekannt." Zunächst hatte nur ein Cern-Wissenschaftler in seinem Blog über den Vorfall berichtet, und auf eine für Laien unverständliche Status-Webseite des Large Hadron Colliders (LHC) verwiesen. Nun ist klar: Der LHC ist seit Freítag abgeschaltet, zum zweiten Mal in dieser Woche.

Kompressoren zur Kühlung des LHC: Minus 271 Grad für Supraleiter
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Kompressoren zur Kühlung des LHC: Minus 271 Grad für Supraleiter

Inzwischen hat Cern den Vorfall bestätigt. Cern-Kommunikationschef James Gillies sagte der "Times", der Vorfall sei aufgetreten, als man dabei war, den letzten verbliebenen Sektor des ringförmigen Tunnels in Betrieb zu nehmen. "Eine Menge Helium" sei in den Tunnel ausgetreten. Bei der BBC ist von einer Tonne die Rede. "Wir untersuchen das jetzt und sollten übers Wochenende ein klareres Bild von der Lage haben", sagte Gillies. Eine Reperatur könne sehr schnell gehen "oder aber viele Wochen dauern". Er wolle nicht spekulieren. Mindestens die kommende Woche jedoch "werden wir sicher keine Kollisionen haben".

BBC und "Times" zufolge wurde die Feuerwehr auf das Cern-Gelände gerufen. Menschen waren durch den Vorfall jedoch nicht in Gefahr. Helium ist nicht brennbar, und im Tunnel dürfen sich ohnehin keine Menschen aufhalten, während die gigantische Maschine in Betrieb ist. Der Teilchenstrahl ist eine tödliche Waffe, käme er vom Kurs ab, würde er sich viele Meter in den Untergrund 100 Meter unter der Erdoberfläche bohren.

Der LHC ist derzeit abgeschaltet - bereits das zweite Mal in kurzer Zeit. Bereits eine Woche nach dem offiziellen Start, am vergangenen Mittwoch, musste der Teilchenbeschleuniger wegen eines Problems mit der Stromversorgung außer Betrieb gesetzt werden. Das nun aufgetretene Problem könnte ersten Einschätzungen zufolge allerdings deutlich schwerer wiegen. Es handelt sich um ein Phänomen, das die Wissenschaftler "Quench" nennen, das plötzliche Überhitzen eines der gewaltigen, supraleitenden Magneten, die den Partikelstrahl in der Beschleunigerröhre auf Kurs halten sollen.

Diese Magneten werden mit flüssigem Helium auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt, um ordnungsgemäß funktionieren zu können. Erhitzt sich auch nur ein kleiner Teilbereich der aus sehr dünnen Drähten zusammengesetzten Elektromagneten, kann das katastrophale Folgen haben. Wenn die Drähte nicht mehr supraleitend sind, entwickeln sie plötzlich einen viel höheren elektrischen Widerstand - und heizen sich dadurch noch stärker auf. Die empfindlichen Magneten können durch einen solchen Vorfall sogar zerstört werden.

Ein "Quench" kann auch entstehen, wenn der Teilchenstrahl selbst außer Kontrolle gerät: Der ultradünne Strahl transportiert eine Energie, die der einer Lokomotive entspricht, die mit 200 Kilometern pro Stunde unterwegs ist. Trifft der Strahl auf die Tunnelwand, kann sich ein winziger Abschnitt des Magneten unter Umständen innerhalb von Sekundenbruchteilen von -271 auf +700 Grad Celsius aufheizen.

Wenn ein solcher Vorfall auftritt, werden die Partikelstrahlen und die Stromzufuhr zu dem betroffenen Magneten sofort abgeschaltet. Dann wird ein zunächst paradox anmutendes Rettungsmanöver eingeleitet: Der Magnet wird von außen gleichmäßig aufgeheizt, um die plötzlich auftretende Energie gleichmäßig zu verteilen.

Durch den aktuellen Zwischenfall seien die Temperaturen in insgesamt 100 der Magneten im letzten Sektor des LHC um über 100 Grad Celsius angestiegen, so "Times" und BBC unter Berufung auf Cern-Quellen. Im Normalbetrieb muss ihre Temperatur bei 1,9 Grad Kelvin liegen, also unterhalb von -270 Grad Celsius.

Der überhitzte Magnet verwandelte das flüssige Helium, das ihn kühlen soll, im aktuellen Fall offenbar in Gas, das dann in den Tunnel austrat. "BBC News" zitiert aus einem LHC-internen Logbuch, demzufolge auch die Vakuum-Bedingungen im Beschleuniger selbst dem Vorfall zum Opfer fielen - die rasenden Protonen im Beschleuniger brauchen luftleeren Raum, um auf ein Tempo knapp unterhalb der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt zu werden.

Ein "Quench", wie er im LHC nun offenbar aufgetreten ist, ist in einem Teilchenbeschleuniger an sich nicht ungewöhnlich. Solche Vorfälle werden bei der Konstruktion einkalkuliert, entsprechende Sicherungs-Mechanismen eingebaut. Laut einem Bericht der Teilchenphysik-Fachpublikation "Symmetry" sind wowohl im Tevatron des Fermi National Accelerator in den USA als auch im Hera-Beschleuniger in der Hamburger Forschungseinrichtung Desy bereits ähnliche Probleme aufgetreten.

Die Wissenschaftler sind also auf derartige Probleme vorbereitet - wie lange es jedoch dauern wird, die entstandenen Schäden zu beheben, ist unklar. Sicher ist, dass perfekt funktionierende Supermagneten, die den Partikelstrahl im Zaum halten, das Herzstück des LHC sind - denn wenn der Strahl außer Kontrolle gerät "könnte er ein Loch in einen oder zwei Magneten bohren", sagte Rüdiger Schmidt, der beim LHC für die Sicherheit der Maschine zuständig ist, im Gespräch mit "Symmetry".

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