Teilchenphysik Kernfusion im Keller unter Dresden

Was passiert eigentlich in der Sonne und den anderen Sternen des Universums? Woher nimmt die Sonne ihre Energie? Welche Prozesse laufen in den Sternen ab? Das wollen Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und der TU Dresden ganz genau wissen. In Deutschlands erstem Untertage-Teilchenbeschleuniger in Dresden lassen sie Wasserstoffatome aufeinanderprallen und stellen Kernreaktionen aus dem Inneren der Sonne nach.

von Hartmut Schade und Katrin Tominski

Die Adresse klingt harmlos und absolut nicht nach Sonne. Dabei schaut in diesen Tagen die weltweite Forschergemeinde auf den Ionenteilchenbeschleuniger, der "Am Eiswurmlager" am Plauenschen Grund im Südwesten Dresdens residiert. Das neueste Labor des Helmholtz-Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und der TU Dresden, das am 4. Juli 2019 in Betrieb geht, befindet sich in einem früheren Eislager der Felsenkellerbrauerei. Mitten in der Erde - abgeschirmt von einer 45 Meter dicken Felsdecke - stellen die Forscher die Kernreaktionen aus dem Inneren der Sonne nach. Das Dresdner Labor ist erst das zweite dieser Art in Europa und das dritte weltweit.

Wir sind jetzt hier in der Lage, fundamentale Prozesse, die in allen Sternen ablaufen, zu simulieren.

Dr. Daniel Bemmerer Astrophysiker und Technischer Leiter des Felsenkeller-Labors vom HZDR

Labor 45 Meter tief im Felsen

Die Gebäude auf dem Gelände "Am Eiswurmlager" strömen mit ihren braunen Bruchsteinen und roten Ziegeln jenen leicht morbiden Charme aus, der bei Start-Ups gefragt ist. Über 200 Firmen residieren auf dem unübersichtlichen und verwinkelten Gelände. Das neue Labor liegt in den Stollen 8 und 9 - natürlich dürfen diese nur mit einem Helm betreten werden. Im Inneren des Felsen herrschen zwar konstant kühle 15 Grad, aber die High-Techgeräte verlangen nach trockener Luft. Vorbei an großen Teilen der Klimaanlage geht es etwa 45 Meter in den Fels hinein. Dann beginnt der Laborbereich.

Sterne sind gewaltige Kraftwerke

Die Sonne und auch die unzähligen anderen Sterne, die am Nachthimmel leuchten, sind gewaltige Kraftwerke. Sie gewinnen ihre Energie, indem sie in ihrem Inneren Atomkerne miteinander verschmelzen lassen. Die Sonne beispielsweise ist in ihrem Kern bis zu 16 Millionen Grad Celsius heiß und fusioniert Wasserstoff zu Helium.

Wir versuchen grundlegend zu verstehen, wie die Sonne aufgebaut ist. Sie ist der Modellstern für alle Sternen-Modelle. Dieses Sonnenmodell zu verfeinern und auf Herz und Nieren zu prüfen, ist Teil der Forschungsanstrengungen unsere Labors.

Dr. Daniel Bemmerer Astrophysiker und Technischer Leiter des Felsenkeller-Labors vom HZDR

Modell der Sonne verbessern

Physiker bemühen sich weltweit, das Modell der Sonne zu verbessern, um präzisere Voraussagen über die Zahl der von der Sonne ausgesendeten Elementarteilchen (Neutrinos) zu erhalten. Der Dresdner Ionenbeschleuniger bietet dafür jetzt ideale Bedingungen. Doch nicht nur deswegen blickt die Forschergemeinde gespannt nach Dresden, sondern auch weil man sich die Lösung eines Rätsels erhofft. Die bisherigen Berechnungen zu den Vorgängen im Sonneninneren basieren auf zwei verschiedenen Messansätzen und kommen zu widersprüchlichen Lösungen.

Neutrinos - Computergrafik
Neutrinos werden u.a. von der Sonne ausgesendet. Doch wie viele davon eigentlich? Das wollen viele Forscher wissen. Bildrechte: IMAGO

"Also man kann das Sonnenmodell entweder so rechnen, dass die erste oder das die zweite Art von Messungen stimmt, aber nicht beides. Unsere Forschung kann vielleicht einen Beitrag zu einer dritten, unabhängigen Überprüfung des Sonnenmodells leisten und dann kann man vielleicht auch rausfinden, wo die Wurzel für die Diskrepanz ist, die wir momentan haben", sagte Bemmerer.

Eine acht Meter lange Röhre

Tief im Felsen beginnt das Labor. Das Herzstück des Dresdner Beschleunigers ist eine übermannsgroße acht Meter lange und zehn Tonnen schwere Röhre – der Ionenbeschleuniger. Hier werden Bedingungen ähnlich wie in der Sonne erzeugt. "Hier werden die Ionen auf Energien beschleunigt, wie wir sie für unsere astrophysikalischen Experimente brauchen", erklärte Bemmerer. Haben die Ionen die richtige Geschwindigkeit werde der beschleunigte Strahl auf ein festes Ziel (Target) gelenkt und zur Kollision gebracht. "Da finden Kernreaktionen statt, wie wir sie auch in der Sonne haben“, sagte Bemmerer. Mit fünf Millionen Volt feuert der Beschleuniger die geladenen Atomteilchen also fast mit Lichtgeschwindigkeit auf andere Atome.

Teilchenphysik Kernfusion im Keller unter Dresden

Die Geheimnisse der Sonne ergründen - das wollen Forscher ausgerechnet unter der Erde in Dresden. Im ehemaligen Eiskeller August des Starken wurde gestern Deutschlands erster Teilchenbeschleuniger in Betrieb genommen.

Dr. Tamás Szücs, wissenschaftlicher Mitarbeiter am HZDR-Institut für Strahlenphysik.
Nach zwei Jahren Bauzeit wurde am 4. Juli das gemeinsam von Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und TU Dresden errichtete Felsenkellerlabor eröffnet. Hier präsentiert Dr. Tamás Szücs, wissenschaftlicher Mitarbeiter am HZDR-Institut für Strahlenphysik den Teilchenbeschleuniger. Bildrechte: HZDR / A. Wirsig
Dr. Tamás Szücs, wissenschaftlicher Mitarbeiter am HZDR-Institut für Strahlenphysik.
Nach zwei Jahren Bauzeit wurde am 4. Juli das gemeinsam von Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und TU Dresden errichtete Felsenkellerlabor eröffnet. Hier präsentiert Dr. Tamás Szücs, wissenschaftlicher Mitarbeiter am HZDR-Institut für Strahlenphysik den Teilchenbeschleuniger. Bildrechte: HZDR / A. Wirsig
Nobelpreisträger Prof. Takaaki Kajita, Universität Tokio
Des Physik-Nobelpreisträgers Professor Takaaki Kajita von der Universität Tokio eröffnete die besondere Forschungsstätte, gelegen am südwestlichen Stadtrand von Dresden in einem ehemaligen Lager der Felsenkeller-Brauerei - 45 Meter tief im Felsen. Bildrechte: HZDR / A. Wirsig
(v.l.) Prof. Kai Zuber, TU Dresden und wissenschaftlicher Leiter Felsenkeller-Labor; Nobelpreisträger Prof. Takaaki Kajita, Universität Tokio; Prof. Gerhard Rödel, Prorektor Forschung TU Dresden.
„Der Untertage-Beschleuniger im Felsenkeller wird ein entscheidendes Instrument sein, um die Entstehung der Elemente im Universum zu verstehen und bessere Vorhersagen über den Neutrinofluss von der Sonne zu treffen. Da diese Maschine Wissenschaftlern aus aller Welt offen steht, kann die gesamte Gemeinschaft der nuklearen Astrophysik von ihr profitieren. Als Neutrino- und Gravitationswellenphysiker freue ich mich daher sehr auf neue Daten aus dem Felsenkeller Untergrund-Teilchenbeschleuniger“, erklärte Kajita (mitte) zur Eröffnung des unter einer 45 Meter dicken Felsdecke gelegenen Ionenbeschleunigers. Professor Kai Zuber, TU Dresden und wissenschaftlicher Leiter Felsenkeller-Labor (li), Nobelpreisträger Kajita und der Prorektor der TU Dresden Professor Gerhard Rödel. Bildrechte: HZDR / A. Wirsig
Dr. Tamás Szücs, wissenschaftlicher Mitarbeiter am HZDR-Institut für Strahlenphysik.
Das Dresdner Labor ist erst das zweite dieser Art in Europa und das dritte weltweit. Dr. Tamás Szücs, wissenschaftlicher Mitarbeiter am HZDR-Institut für Strahlenphysik zeigt hier den Ionenbeschleuniger. Bildrechte: HZDR / A. Wirsig
(v.l.) Prof. Kai Zuber, TU Dresden und wissenschaftlicher Leiter Felsenkeller-Labor; Dr. Daniel Bemmerer, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und technischer Leiter Felsenkeller-Labor; Nobelpreisträger Prof. Takaaki Kajita, Universität Tokio
„Wir sind damit in der Lage, fundamentale Prozesse, die in allen Sternen ablaufen, zu simulieren“, ergänzte Dr. Daniel Bemmerer (mitte) vom HZDR, technischer Leiter des Felsenkeller-Labors. (li: Laborleitrer Professor Kai Zuber, re: Nobelpreisträger Professor Takaaki Kajita, Universität Tokio) Bildrechte: HZDR / A. Wirsig
(im Vordergrund) Dr. Daniel Bemmerer, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und technischer Leiter Felsenkeller-Labor; Nobelpreisträger Prof. Takaaki Kajita, Universität Tokio.
Mit der Eröffnung schließt sich ein Kreis. Zum Richtfest des Felsenkellerlabors vor fast genau zwei Jahren, am 28. Juni 2017, hielt der ebenfalls 2015 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnete Prof. Arthur B. McDonald aus Kanada den Festvortrag. Kajita und McDonald waren für ihre Entdeckung, dass durch Reaktionen im Inneren der Sonne freigesetzte, winzige Elementarteilchen sich auf ihrem Weg zur Erde in eine andere Teilchenfamilie umwandeln, die sogenannte Neutrino-Flavour-Oszillation, ausgezeichnet worden. Dr. Daniel Bemmerer (li.) hier im Gespräch mit Nobelpreisträger Professor Takaaki Kajita, Universität Tokio. Bildrechte: HZDR / A. Wirsig
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In der Sonne entsteht auch Kohlenstoff

Im Sonneninneren fusionieren Wasserstoffatome zu Helium. Doch die Brennprozesse in der Sonne gehen weiter: aus dem Helium entsteht Kohlenstoff, aus dem Kohlenstoff dann schwerere Elemente wie Magnesium, Natrium oder Sauerstoff. Jedes Element hat dabei eine typische Häufigkeit. Die die Wissenschaftler bei Kohlenstoff und Sauerstoff aber nicht erklären können. Bemmerer erläutert: "Mit dem Ionenbeschleuniger können die Forscher Wasserstoff, Helium und Kohlenstoff erzeugen. Wir können damit also das Wasserstoffbrennen und das Heliumbrennen, und prinzipiell auch das Kohlenstoffbrennen untersuchen."

Kernfusion
Der Ionenbeschleuniger im Dresdner Felsenkeller feuert geladene Atomteile mit Lichtgeschwindigkeit auf andere Atome. Bildrechte: MITTELDEUTSCHER RUNDFUNK

Geringe Reaktionsraten

Die Herausforderung: Die Reaktionsraten der Fusionen sind sehr gering. Zu einer wirklichen Verschmelzung und dem Entstehen eines neuen Elements kommt es trotz aller Geschwindigkeit nur selten. (Auch in den Sternen passiert das kaum. Sonst wäre die Sonne schon längst ausgeglüht.) Verschmelzen im Dresdner Felsenkellerlabor zwei Atomkerne, wird Gammastrahlung frei und die hochempfindlichen Messgeräte ringsum registrieren das. Über einen langen Zeitraum entstehen dabei wegen der geringen Redaktionen jedoch nur wenige Messsignale. Gleichzeitig gibt es jedoch jede Menge Signale, die von anderen Teilchen hervorgerufen werden, beispielsweise aus der kosmischen Höhenstrahlung.

Perfekter Schutz im Fels

Unter den fast 50 Meter dicken Felswänden des früheren Eislagers sind die Messegeräte perfekt geschützt. Das Stollen-Gestein bildet einen natürlichen Schild gegen die kosmische Höhenstrahlung, die die Erde im Sekundentakt mit Teilchen bombardiert. "Da das unsere Messungen verzerrt, können wir die Experimente nicht an der Erdoberfläche durchführen", erläutert Kai Zuber, Professor für Kernphysik an der TU Dresden und wissenschaftlicher Leiter des Labors.

Das Eislager der Felsenkeller-Brauerei - hier lagerten lange Zeit vor der Erfindung des Kühlschranks übrigens große Eisblöcke, um das frisch gebraute Bier zu konservieren - bietet also einen perfekten Schutz für die Experimente.

Kernfusion in Sachsen

Der Teilchenbeschleuniger im Dresdner Felsenkeller steht Wissenschaftlern aus der ganzen Welt zur Verfügung. Das internationale Interesse ist jetzt schon so groß, dass die Dresdner eine Kommission gegründet haben, die die interessantesten Experimentiervorschläge herausfinden soll.

Dieses Thema im Programm: MDR SACHSEN | Sachsenspiegel | 04. Juli 2019 | 19:00 Uhr

Zuletzt aktualisiert: 08. Juli 2019, 14:48 Uhr