Beschleunigungstechnologien
Seit ihren Anfängen ist die Beschleunigerforschunng bemüht nach möglichst kompakten Anlagen. In den letzten 20 Jahren gab es spektakuläre Fortschritte bei der Entwicklung neuartiger Beschleunigungsmethoden, die nicht auf den etablierten Mikrowellen-Beschleunigungsstrukturen aufbauen.
Das Ziel sind wesentlich kleinere und kostengünstigere Beschleunigeranlagen - sowohl für die Hochenergie- und Kernphysik als auch die Forschung mit Photonen. Ob dieses Versprechen eingelöst werden kann, werden die kommenden zehn Jahre werden zeigen, in denen es herausfordernde Meilensteine zu meistern gilt.
# Mikrowellen-Hohlraumbeschleuniger
In modernen Beschleunigern wie dem LHC, wie bei FAIR oder bei European XFEL erfolgt die Energieübertragung über Mikrowellen, die in das Innere evakuierter metallischer Hohlräume geleitet werden und dort resonant schwingen.
Für die metallische Hülle des Hophlraumes stehen dabei zwei grundlegende Optionen zur Auswahl: Normalleitende Metalle wie Kupfer können bei Raumtemperatur betrieben werden, verlieren im Bechleunigerbetrieb jedoch viel Energie durch elektrischen Widerstand. Aus diesem Grund können sie nur gepulst betrieben werden. Supraleiter wie Niob müssen zwar aufwendig auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, benötigen insgesamt aber weniger Energie, lassen den ungepulsten Dauerbetrieb zu ergeben zudem Teilchenstrahlen höherer Qualität, da es weniger Störeffekte mit Restfeldern gibt.
Normalleitende Mikrowellen-Hohlraumbeschleuniger verrichten seit 1948 ihren Dienst. Die supraleitende Beschleunigertechnologie wurde erst durch Fortschritte konkurrenzfähig, die in den 1990er Jahren im Rahmen der bei DESY ansässigen TESLA-Kollaboration gemacht wurden.
# Limitierender Faktor
Die Stärke der beschleunigenden Kraft lässt sich bei jedem Bechleuniger mittels des sogenanntnen Beschleunigungsgradientren beschreiben, der in der Regel in Millionen Volt pro Meter (MV/m) angegeben wird. Übersteigt dieser Werte von einigen zig Megavolt pro Meter, so kommt es zum Zusammenbruch des elektromagnetichen Feldes in Form von Blitzentladungen. Auch wenn hier in der siebzigjährigen Geschichte der Technologie immer wieder beachtliche inkrementelle Fortschritte gemacht wurden, so liegt hier der limitierende Faktor.
# Technologie-Reifegrad-Skala
Im Jahr, in dem Neil Armstrong und Crew eine Woche auf dem Mond verbrachten, dachte NASA bereits intensiv über eine ständige Residenz im Weltall nach. Dabei bewertete man die Einsatzbereitschaft der für den Bau einer Raumstation notwendigen Technologien, um den jeweiligen Entwicklungsbedarf abschätzen zu können. Dieses Instrument wurde im Laufe der Jahre zur neustufigen Technologie-Reifegrad-Skala weiterentwickelt (Technology Readiness Level, TRL), die Entwicklungstände von der Idee (Grad 1) bis zum Einsatz im Weltraum (Grad 9) erfasst. 1.
Für Horizon 2020 wurde die neun-stufige Skala von der Europäischen Komissionem mit leichten Modifikationen übernommen 2.
| Stufe | Beschreibung |
|---|---|
| TRL 1 | Grundprinzipien beobachtet |
| TRL 2 | Technologiekonzept formuliert |
| TRL 3 | Experimenteller Nachweis des Konzepts |
| TRL 4 | Konzeptprüfung im Labor |
| TRL 5 | Konzeptprüfung in relevanter Umgebung |
| TRL 6 | Konzepttest in operativer Umgebung |
| TRL 7 | Prototypentest im realen Einsatz |
| TRL 8 | System ist komplett und qualifiziert |
| TRL 9 | System operativ |