Montag, 6. Oktober 2014

KIT: Wann kommt Katrin?

Im früheren Kernforschungszentrum Karlsruhe, das im August 2006 von einem ehemaligen Geschäftsführer (Popp) der Universität Karlsruhe - unter Umgehung wichtiger interner Gremien - zum KIT angedient wurde ("wir wollen heiraten"), gab es eine große Anzahl von Projekten, die entweder von dem KfK selbst, oder unter seiner maßgeblichen Mitwirkung, angegangen wurden. Stellvertretend dafür seien Folgende genannt: FR 2, MZFR, KKN, HDR, WAK, KNK I, KNK II, SNEAK, Beta, HZ, SNR 300, EFR, KASCADE, GALLEX, KARMEN, Pierre Auger, CREST, Edelweiß, GERDA, Cast, Lopes, AMS, H.E.S.S., MAGIC, Virgo, GLAST, AMANDA, ANTARES etc .etc. Sie bewegten sich allesamt im finanziellen Bereich von Millionen bis sogar Milliarden. Viele kleinere Vorhaben, deren Wertigkeit und Wichtigkeit ich keinesfalls gering schätzen möchte, sind in dieser Aufzählung noch gar nicht vorhanden.


Demgegenüber gibt es nunmehr in diesem Leopoldshafener Areal - KIT Campus Nord genannt - praktisch nur noch zwei Großprojekte: bioliq und KATRIN. Beide befinden sich, finanziell und terminlich gesehen, in beträchtlicher Schieflage. Über bioliq wurde bereits in einem früheren Blog berichtet. Auch bei KATRIN, dem Bereich der Astrophysik zugehörend, scheint es allerhand Probleme zu geben. Was diese beiden Projekte von den meisten oben genannten kerntechnischen Projekten unterscheidet ist, dass die Einflussnahme der Genehmigungsbehörden gering ist und, dass sie unter dem Wohlwollen der Bevölkerung abgewickelt werden können. Dementsprechend wären sie eigentlich viel einfacher abzuwickeln.










Das Hauptspektrometer für KATRIN beim Transport durch Leopoldshafen









Ein winziges Teilchen

Das "Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment" - KATRIN - hat die direkte Bestimmung der Masse des sogenannten Elektron-Neutrino zum Ziel. Im Standardmodell der Elementarteilchenphysik wurden die drei bekannten Neutrino-Arten zunächst als masselos angenommen. Verschiedene frühere Experimente, wie Gallex und Super-Kamiokande, ließen jedoch vermuten, dass die Neutrino-Ruhemasse von Null verschieden sein könnte. Dem will man im KATRIN-Experiment nachgehen. KATRIN ist also, etwas platt gesprochen, eine Waage für ein wichtiges Kernteilchen.


Die beim Urknall erzeugten Neutrinos sind die häufigsten massebehafteten Teilchen im Universum: jeder Kubikzentimeter enthält (ungefähr) 336 Neutrinos. Als Teilchen der Heißen Dunklen Materie haben sie die Entstehung und Evolution großräumiger Strukturen im Universum mit beeinflusst. Eine Möglichkeit, die rätselhafte Rolle der Neutrinos in einer modellunabhängigen Weise zu bestimmen, ist die genaue Messung der Energieverteilung von Elektronen aus Betazerfällen. Beim Betazerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein elektronisches Anti-Neutrino um.

Aus Untersuchungen an atmosphärischen Neutrinos kann geschlossen werden, dass die Neutrinomasse mindestens 0,05 Elektronenvolt (eV) schwer sein muss. Dabei ist 1 eV die winzige Masse von 1,8 mal 10 hoch minus 36 Kilogramm! Denkbar ist aber auch, dass die gesuchte Masse des Neutrinos um mehrere Größenordnungen über dem genannten Wert liegt. Messungen in Mainz führten zu einer Obergrenze für die Ruhemasse des Neutrinos um 2,3 eV. Um in den kosmologisch interessanten Bereich unterhalb 1 eV vorzustoßen, ist ein neues Experiment erforderlich - eben KATRIN - das über eine hundertmal intensivere Tritiumquelle und eine fünfmal bessere Energieauflösung als die bisherigen Experimente verfügen muss.

Ein riesiges Experiment

Das insgesamt 75 Meter lange Experiment KATRIN gliedert sich in vier große funktionale Einheiten: eine hochintensive molekulare Tritiumquelle, die 10 hoch 11 Betazerfälle pro Sekunde liefert, eine Tritium-Pumpstrecke, in der die Moleküle aus der Strahlführung eliminiert werden, ein System aus zwei elektrostatischen Spektrometern zur Energieanalyse sowie einem Detektor zum Zählen der transmittierten Elektronen. Wesentliche technologische Herausforderungen sind das hohe Vakuum (10 hoch minus 11 Millibar!) und die Temperaturstabilität der Quelle. Eine der Tritiumquellen ist "fensterlos", was eine gesonderte Technologie erfordert. Sie ist gewissermaßen das Arbeitspferd des Experiments, da sie erlaubt, das Tritiumspektrum mit der höchstmöglichen Energieauflösung zu untersuchen und somit eine maximale Luminosität für die Beta- Zerfallselektronen bereitstellt.

Der 200 Tonnen schwere, 24 Meter lange Vakuumtank mit einem Durchmesser von 10 Metern für das KATRIN-Hauptspektrometer wurde von der Firma MAN in Deggendorf hergestellt. Der Tank war zu groß, um über Autobahnen transportiert zu werden. Er wurde deshalb über die Donau, durch das Schwarze Meer, das Mittelmeer, den Atlantik, den Ärmelkanal, die Nordsee und über den Rhein nach Leopoldshafen bei Karlsruhe per Schiff und am 25. November 2006 auf den letzten 6,8 km per Tieflader in viereinhalb Stunden durch den Ort Leopoldshafen zum Forschungszentrum gebracht. Dieser Umweg betrug ca. 8.600 km gegenüber der kürzeren Route mit 350 km auf dem Landweg.

Die Energieanalyse der Elektronen aus dem Betazerfall erfolgt bei KATRIN in zwei Schritten: Zunächst werden in einem kleinen Spektrometer alle Elektronen mit Energien unterhalb 18,4 eV aussortiert, da sie keine Informationen über die Neutrinomasse tragen. Im großen Hauptspektrometer wird dann die Energie nahe am Endpunkt präzise bestimmt. Dafür ist das oben genannte Ultrahochvakuum erforderlich und die Stabilität der Gegenspannung von 18,6 kV darf nur um weniger als ein Millionstel schwanken. Die transmittierten Elektronen werden schließlich in einem segmentierten untergrundarmen  Siliziumzähler nachgewiesen.

Ein langer Weg zum Ziel

Da KATRIN bei KIT Campus Nord als Projekt geführt wird, kann man ihm das technische Ziel sowie den finanziellen Aufwand und die erforderliche Zeitdauer zuordnen. Als Ziel für KATRIN wurde immer wieder benannt, die Ruhemasse des elektronischen Neutrinos um mindestens eine Größenordnung genauer als die früheren Messungen, zum Beispiel in Mainz und Russland, zu bestimmen. Inwieweit das zu erreichen ist, wird die Zukunft zeigen.

Über den finanziellen Aufwand für KATRIN ist in der zugänglichen Literatur nichts zu erfahren.  Weder die F&E-Berichte noch die jährlichen Budgetansätze sind für Außenstehende (und Steuerzahler) eruierbar. Das war früher anders. In der Zentralbibliothek des Zentrums bzw. bei den Projektleitungen waren diese Zahlen einsehbar. Trotzdem: In dem sogenannten "letter of intent", der immerhin 51 Seiten umfasst und der aus dem Jahr 2001 stammt, werden die Gesamtkosten des Projekts KATRIN auf 17 Millionen Euro beziffert; darin nicht eingeschlossen sind die Gehälter der Mitarbeiter.

Bleiben die Zeitdauer des Projekts und seine wichtigsten Etappen. Im letter of intent wird im Kapitel "Outlook and Conclusion" in Aussicht gestellt, dass der Bau des KATRIN im Jahr 2005 beendet sein soll, die Inbetriebnahme sowie die ersten Versuchsmessungen sollten 2006 erledigt werden und mit der Aufnahme der "long term data" sollte noch zum Ende des gleichen Jahres begonnen werden. Aus neueren Informationen im Internet kann man entnehmen, dass der Bau der Anlage erst im Jahr 2016 vollendet sein wird und der Versuchsbetrieb erst im Jahr 2022. Das sind Verzögerungen von 11 Jahren und mehr, die sicherlich auch von erheblichen Mehrkosten begleitet worden sind.

Der Projektleiter der KATRIN, Professor Dr. Guido Drexlin, könnte im Jahr 2022 bereits in den ehrenvollen Stand des "Emeritus" getreten sein.
Trotzdem:
ad multos annos, professore!

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