FCC – Mit Lichtgeschwindigkeit ins Schwarze Loch

FCC: Bis in die Unendlichkeit und noch viel weiter wollen die CFCC oder Future Circular Collider (Foto: flashmovie / Adobe Stock)
FCC: Bis in die Unendlichkeit und noch viel weiter wollen die CERN-Physiker mit dem neuen Future Circular Collider vordringen. (Foto: flashmovie / Adobe Stock)

In der Schweiz tüftelt am CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) eine ganze Generation von internationalen Wissenschaftlern. Ihr Ziel ist, salopp gesagt,die Erforschung der Welt und das, was sie im Innersten zusammen hält. Dazu dient der dort arbeitende Protonenbeschleuniger „Large Hadron Collider“. Dieser stößt allerdings, trotz Upgrades bis 2022 an seine Grenzen für den Erkenntnisgewinn. Daher liegt die Zukunft in einer neuen „Weltmaschine“, dem Future Circular Collider, FCC. Mit über 100 km Durchmesser  soll der neue Teilchenbeschleuniger alles bisher Dagewesene in den Schatten stellen. Kritiker befürchten jedoch, dass hier nun auch mit Schwarzen Löchern experimentiert werden soll. Wie auch immer: Der Neubau erfordert auch eine noch nie dagewesene, generalstabsmäßige Logistik. Hierfür bewirbt sich das Fraunhofer Institut für Materialfluss und Logistik, IML, in Dortmund als Lösungslieferant. (Ein Bericht von Klaus Koch und CR HaJo Schlobach)

Nach dem Large Hadron Collider (LHC), mit dem der Nachweis des Higgs-Bosons gelang, soll ab 2055 ein noch stärkerer und gigantischerer Teilchenbeschleuniger in neue Gravitations-Zusammenhänge vordringen: der Future Circular Collider (FCC). Das galaktische Physik-Monster soll 100 Kilometer lang werden, geht es nach der Konzeptstudie, welche Anfang des Jahres 2019 vom Österreicher Prof. Michael Benedikt und seinem Physikerteam vorgestellt wurde.

Bis zur Lichtgeschwindigkeit. Damit sollen atomare Teilchen bei bis zu 100 Teraelektronenvolt zur Kollision gebracht werden. Das ist nahezu Lichtgeschwindigkeit. Zum Vergleich: Beim 27 Kilometer langen Large Hadron Collider liegt das Maximum bei 14 Teraelektronenvolt, das durch ein Upgrade bis 2021 erreicht werden soll. Dabei wird der FCC mit seinen zwei Röhren, die teilweise unter dem Genfer See verlaufen, mit rund 5.400 Cryo-Magneten bestückt sein. Ziel ist es zu ergründen, was die Welt, also das gesamte Universum, im innersten zusammen hält. Dabei gehen die Forscher davon aus, dass die Simulation des Urknalls auf Atomebene zu Erkenntnissen führt, welche für das gesamte Weltall Gültigkeit haben. „Das Projekt lässt sich gut im Genfer Becken realisieren“, sagt M. Benedikt gegenüber den Medien. Dabei spricht für CERN, dass die bestehenden Anlagen für den FCC genutzt werden könnten, etwa als Vorbeschleuniger. Allerdings ist der neue Protonenbeschleuniger nur einer von mehreren Möglichkeiten, welche im Zuge der europäischen Strategie für die Teilchenphysikforschung weltweit bewertet wird.

Rein in Schwarze Loch

Das Projekt ist allerdings nicht ganz unumstritten. Kritiker befürchten nämlich, dass hier künftig auch mit Schwarzen Löchern experimentiertwerden soll, mit unabsehbaren Folgen für die Menschheit.

Und in der Tat: Beim Zusammenprall der atomaren Teilchen werden für einen Bruchteil von Nanosekunden immense Kräfte frei, welche zu einer Singularität führen könnten, die Raum und Zeit außer Kraft setzen könnten. Mit anderen Worten: Es könnte tatsächlich für den Bruchteil einer Nanosekunde ein Schwarzes Loch in dem gigantischen Beschleuniger entstehen. Die Wahrscheinlichkeit dieses Szenarios tangiert allerdings in der Unendlichkeit des Universums gegen Null. Darauf weist auch M. Benedikt hin. Doch selbst Astrophysiker Stephen Hawking wollte die Wahrscheinlichkeit nicht zu 100 Prozent ausschließen.

Aus wie vielen Dimensionen die Welt besteht

Transfer-Tische  (Foto: CERN)
FCC: Transfer-Tische bringen die Cryo-Einheiten vor Ort in Montageposition. (Foto: CERN)

Ungeachtet dessen wollen die Forscherteams spannenden Fragen nachgehen und mit dem neuen Beschleuniger beantworten, so die Hoffnung: Gibt es die dunkle Materie wirklich und wenn ja, was ist sie? In welcher Wechselbeziehung steht sie zur bestehenden Materie? Bislang entzieht sich dunkle Materie unserer Wahrnehmung, man weiß jedoch irgendwie, dass sie den größten Teil unseres Universums ausmacht.

Neutrinos, die unbekannten Wesen. Oder wozu gibt es Neutrinos, die Sterne, Planeten und auch uns ungestreift durchdringen, und scheinbar jeder Wechselwirkung widerstehen?

Wie viele Dimensionen es gibt. Bewegen wir uns in einer dreidimensionalen Welt oder ist sie doch mehrdimensional. Mathematisch ist die Existenz von mindestens einem halben Dutzend Dimensionen erwiesen, aber warum erkennen wir sie nicht? Physikergenie Stephen Hawking sagt in seiner sogenannten „Stringtheorie“, dass wir diese Dimensionen nur deshalb nicht wahrnehmen, weil sie so winzig aufgerollt sind, dass sie sich unseren Sinnen entziehen.

Was es mit der Zeit auf sich hat. Doch welche Rolle spielt in diesem „Schöpfungskrimi“ die Gravitation? Und was hat es mit der Zeit auf sich? – Zwar ist seit Albert Einstein mit seiner Relativitätstheorie und seiner Formel E=MC² bekannt, dass die Zeit sich verändert, je schneller man sich bewegt in Relation der jeweiligen Betrachter. Dennoch gibt es nahezu unerschöpflich Fragen rund um das Thema „Zeit“, die auf ihre Beantwortung warten und viel Raum für Spekulationen lassen.

Über das Internet in die Zeit

A. Nettsträter, Leiter des IML-Teams (Foto: Klaus Koch / RS Media World)
FCC: A. Nettsträter, Leiter des IML-Teams, das die Supply Chain für den Future Circular Collider in Genf erarbeitet hat (Foto: Klaus Koch / RS Media World)

Genau das ist der Stoff, aus dem Hollywood seine Science Fiction-Streifen macht, wie etwa in dem vom US-Forscher und Sachbuchautor Carl Sagan sowie Stanley Kubricks und Arthur C. Clarkes „Odyssee 2001“ beeinflussten Hollywoodstreifen „Contact“. Hier arbeitet eine ganze Menschheitsgeneration an einer Zeitmaschine gigantischen Ausmaßes, deren Konstruktionsplan – durch ein verschlüsselt gepulstes Radiosignal von Ausserirdischen übermittelt – eine Reise  zu den Absendern ermöglichen soll. Hier vermischen sich Fiktion und Realität, wenn es um die Grenzen der menschlichen Wahrnehmungsfähigkeit geht.

Vorbild CERN. Im Fall der gigantischen Maschinerie im Hollywood-Schinken steht das Vorbild in Genf: CERN. Hier sind seit Jahrzehnten über 11.000 Wissenschaftler aus 85 Nationen mit der Auswertung endloser Datenberge beschäftigt, dies sich mit den oben auszugsweise gestellten Fragen der Menschheit befassen. Was für die meisten Menschen der Welt im Hintergrund passiert, hat für sie allerdings etwas konkret Brauchbares hervor gebracht: das Internet. Es diente und dient den CERN-Forschern für den Austausch von Daten, Dokumenten usw. in Lichtgeschwindigkeit rund um die Welt. Das Internet wurde also im CERN bei Genf geboren, dem größten Zentrum der Welt für physikalische Grundlagenforschung.

Die Materie aus dem Nichts. Gott und die „Schöpfung“ sowie eine göttliche Ordnung sind Wissenschaftlern fremd und sie werden täglich darin bestätigt. Bislang erreichte die internationale Forschergemeinschaft nämlich noch kein göttlicher Fingerzeig von extraterrestrischer Güte. Das ist gut so, denn sonst hätten CERN und die Milliarden Euro-Investitionen in Future Circular Collider überhaupt keinen Sinn. Jedes Phänomen in der Natur ist wissenschaftlich erklärbar. Man muss es nur entdecken, erforschen und die Zusammenhänge verstehen lernen. Darum ist auch alles, was bislang verbucht werden konnte, hart erarbeitete Erkenntnisse, die der irdischen Spezies heute zur Verfügung stehen. Und das Wissen vermehrt sich explosionsartig, auch in der Physik. In Relation zur Menschheit gesehen, wird dieses Wissen mit bescheidenen Mitteln erreicht, selbst wenn der Large Hodron Collider bis heute Milliarden Euro in Summe kostete und der Future Circular Collider ein Zigfaches davon kosten wird. Immerhin kommen wir damit der Erkenntnis nahe, was die Welt im Innersten zusammen hält und noch viel, viel mehr.

Im Kreis durch die Zeit

Für Einige ist der bestehende Teilchenbeschleuniger, also der Large Hodron Collider, der mit gigantischen Magneten bestückt auf einer 27 Kilometer langen Kreisbahn in 100 Meter Tiefe unter der Erde zwischen Genf und den Ausläufern des Jura verläuft, bereits die „Weltmaschine“ schlechthin. Tonnenschwere Magnete bringen die kleinsten Teilchen in der kreisförmigen Röhre auf beinahe Lichtgeschwindigkeit. An vorbestimmten Stationen, die mit hausgroßen Detektoren bestückt sind, werden sie aus dem Kreisverkehr ausgeschleust, um das Experiment  der „Frontal-Kollision“ zu inszenieren. Das ist so etwas wie die Super-GAE (Super Größte Anzunehmende Explosion), die am Anfang unseres Universums stand, im Kleinen.

Auf Faustus‘ Spuren

Future Circular Collider, FCC (Foto: Cern / RS Media World)
FCC: Im Rahmen der FCC Week 2018 in Amsterdam stellte das Fraunhofer IML in Dortmund seine Logistikkonzept-Studie für das gigantische Projekt vor. (Foto: Cern / RS Media World)

Für sich allein genommen ist das, was dabei herauskommt, noch nicht von so prominenter Bedeutung. Bedeutsam werden sie erst im Kontext mit der Unendlichkeit des Universums. Die Wissenschaftler sagen nämlich, dass die Zusammenhänge zwischen der Welt im allergrößten, dem Universum, und der Welt des allerkleinsten, den Elementarteilchen, immer deutlicher werden. Ferne Galaxien, sagen sie, müssten letztendlich aus denselben Elementen bestehen und denselben Gesetzen gehorchen, wie die Welt, die uns direkt umgibt. Umgekehrt müssten Phänomene, die in fernen Galaxien auftauchen, demnach auch Hinweise darauf geben, was die Menschheit auf ihrem eigenen Planeten bisher noch nicht versteht. Auch davon gibt es schließlich einiges. Und je mehr die Menschheit, oder besser die CERN-Wissenschaftler wissen, umso mehr wird ihnen bewusst, wie wenig sie eigentlich wissen. Es ist der Teufelskreis der Erkenntnis, in der schon Goethes Faust steckte und für den CERN-Beschleunigerring durchaus als Symbol herhalten kann.

Mit Lichtgeschwindigkeit auf dem Wege zur Erkenntnis. Auf seinem Rundkurs kreisen die Teilchen schon jetzt in zwei getrennten Röhren mehr als 11 000 Mal pro Sekunde, die einen mit, die anderen gegen den Uhrzeigersinn. Und dem wird jetzt noch eins „obendrauf“ gesetzt. Nachdem es 2012 gelang, bei einem Energiezustand von 126 Gigaelektronenvolt den Nachweis für die Existenz des Higgs-Bosons zu erbringen, soll ab 2035 der „Future Circular Collider“ (FCC) die Tore zu weiteren Erkenntnissen aufstoßen. Das Higgs-Boson ist ein zentraler Bestandteil zur Erklärung von „Masse“ und „Schwarzen Löchern“. FCC soll in Zukunft jedoch mit noch gewaltigeren Energien den Nachweis weiterer Elementarteilchen erlauben, die laut Theorie existieren müssten, um die Welt zusammenzuhalten. Auch hier wird den Nationen, so sie bis dahin in internationaler Kooperationen noch willens sind in der Grundlagenforschung zusammenzuhalten, nichts geschenkt.

70 Teams für den FCC

Der Large Hadron Collider ist seit September 2008 in Betrieb, das Ende seiner Laufzeit ist zwischen 2035 und 2040 vorgesehen. Derzeit laufen Wartungsarbeiten am LHC. Über 70 Teams weltweit sind nun an den Planungen für den Future Circular Collider beteiligt, der ihm nachfolgen soll. Wo das Ding allerdings gebaut werden soll, ist noch nicht sicher. Genf ist ein Standort von mehreren weltweit.

Das Fraunhofer IML liefert vielleicht die Logistikkonzepte. Würde die Wahl auf die Schweiz fallen, wäre auch das Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik (IML) in Dortmund mit an Bord. Es ist eines von insgesamt 69 deutschen Instituten, das sich vom autonomen Fahren über Bahntechniksimulationen bis hin zu Computersicherung um die Umsetzung von Ergebnissen aus der Grundlagenforschung in praktische Anwendungen kümmert. Und es ist mit seinen Koryphäen wie Prof. Michael ten Hompel, Prof. Michael Henke, Prof. Uwe Clausen sowie  Ulrike Beissert, Konstantin Horstmann, Gerd Kuhlmann, Andreas Nettsträter, Christian Prasse und Andreas Wohlfahrt das europäische Flaggschiff der angewandten Logistikwissenschaft.

Eine Logistikkonzept-Studie, die es in sich hat

Klaus Koch, li. (Foto: Klaus Koch / RS Media World)
FCC: Klaus Koch (li.) lässt sich von Ingo Rühl (CERN) die Funktionsweise des FCC genau erklären (Foto: Klaus Koch / RS Media World)

Deren Knowhow würde es auch brauchen, denn der Bau des neuen Beschleuniger-Giganten stellt die Verantwortlichen vor galaktische Logistik-Herausforderungen. Im Frühjahr 2018 stellte das IML-Team im Rahmen der FCC Week sein Logistikkonzept in einer Vorstudie in Amsterdam vor. Und die hat es in sich, denn sie umfasst nicht nur die weltweit umfassende Supply Chain für den neuen Beschleuniger, sondern beinhaltet auch bis ins kleinste Detail geplante Notfallpläne dafür, dass irgendetwas schief geht. Und schief geht immer irgendetwas bei so einem gigantischen Projekt. 

Es geht um Mikrometer-Genauigkeit. So misst schon alleine die Röhre mit dem Teilchen-Katapult und den tiefgekühlten Magneten über 100 km im Umfang. Die muss erst einmal gebohrt werden. Und selbst, wenn das gelingt, bleibt noch die Frage, wie die empfindliche Technik tief unter der Erde mikrometergenau installiert werden soll. Allein dafür, so hat sich herausgestellt, ist schon ein wissenschaftlicher Ansatz vonnöten.

Ein Hauch von g-Kraft. Die Konzeptstudie brachte außerdem zutage, dass die einzelnen Bauteile bei Beschleunigungswerten von nicht mal 0,1 g-Kraft bereits Schaden nehmen können. Das entspricht einem Zehntel der einfachen Erdanziehungskraft oder einem Stoß, wie er bei der Fahrt eines Einkaufswagens im Supermarkt über eine  Schwelle im Boden entsteht. Egal mit welchen Transportmitteln die Bauteile transportiert werden, 0,1 g-Kraft hat man schnell beieinander.

Eine Welt-umspannende SupplyChain

Die Bauteile für den Future Collider, weltweit gefertigt, müssen außerdem innerhalb von ein bis zwei Jahren an die Baustelle geliefert werden. 2016 kamen die CERN-Verantwortlichen auf das IML zu, weil sie nach einem geeigneten Transportkonzept suchten. Es erfordert dabei nicht nur einen straffen Zeitplan, sondern auch Bergungsmöglichkeiten, falls eine der Cryo-Einheiten unvorhergesehen zu Boden gehen sollte. Es bedarf zudem Maßnahmen zur Transportsicherung, an die die Physiker eher weniger denken (es ist ja auch nicht ihr Job), um empfindliche Komponenten und Magnet-Aufhängungen während des Verschubs in gesicherter Position zu fixieren.

Harte Arbeit für das Fraunhofer-Team

Draufsicht auf das CERN in Genf  (Foto: CERN / RS Media World Archiv)
Draufsicht auf das CERN in Genf und wie der FCC künftig verlaufen soll. (Foto: CERN / RS Media World Archiv)

„Das Konzept dafür bereitzustellen war, wenngleich hochinteressant, nicht einfach“, sagt A. Nettsträter. Der Diplom-Informatiker ist am Institut zuständig für „strategische Initiativen“. Das klingt harmlos, denn das CERN-Projekt ist mit keinem anderen Projekt, mit dem das Institut bislang konfrontiert war, zu vergleichen.

Wenn Wissen bei Fachleuten fehlt. Es fehlten somit in einigen Bereichen schlichtweg die Grundlagen. So musste sich das Team bei der Konzeptionierung der Supply Chain als Komplettpaket erst einmal grundsätzlich mit Fragen der Bewegung, der Energie, die dabei frei wird, der Beschleunigung usw. befassen, die über weltweite Transportwege bei sämtlichen Transportwegen befassen. So ist beispielsweise schwerer Seegang für die im Beschleuniger eingesetzten, hochempfindlichen Dipolmagnete sehr problematisch. Aber auch an Bord von Flugzeugen, die durch Turbulenzen steuern, sind 3 g-Kräfte in der Vertikalen keine Seltenheit. Diese physikalischen Kräfte sind für die Magneten jedoch „tödlich“. Bei Bahntransporten tauchen beim Rangieren und Koppeln sogar 4 g als Höchstwerte auf. Zur Erinnerung: Für die hochempfindlichen Cryo-Elemente lautet die Vorgabe hingegen auf 0,1 g als Höchstwert.

Die Qual der Wahl. Zur Wahl standen schließlich der Schiffstransport nach Marseille, per Lastkahn nach Mâcon und von dort per Lkw nach Genf, sowie die Route über Rotterdam, per Rheinschifffahrt nach Basel und von dort per Lkw nach Genf zur Diskussion. Der Transport mit Spezial-Lkw, eventuell auch auf der gesamten Strecke von Rotterdam nach Basel, erschien schließlich als die sicherste Variante, da sich die Geschwindigkeit den Umständen entsprechend jeweils anpassen lässt.

Die Baustellenlogistik vor Ort. Wer nun glaubt, dass mit dem Erreichen der Baustelle in Genf alles in trockenen Tüchern sei, der irrt. Denn nun warten die unterirdischen Tunnel des FCC. Hier darf die Geschwindigkeit 10 km/h nicht übersteigen. Auch Bremswege müssen penibel eingehalten werden. Als Energieversorgung für das modulare Fahrzeugkonzept mit Schlepper sollen Lithium-Ionen-Akkus zur Anwendung kommen. Die Steuerung soll von einem autonomen Navigationssystem übernommen werden, das die Konturen des Tunnels per Scanner im Auge behält und auf ausreichende Sicherheitsabstände achtet und/oder sich auch auf die Meldungen eines vorausfahrenden Beobachtungsfahrzeuges stützt. Achsen und Drehgestelle der Trailer-Konstruktion müssen zudem Schwingungen abdämpfen und jederzeit für Bodenhaftung sorgen. Interessant sind übrigens auch die Hebetische, die mithilfe einer Hubvorrichtung die Dipol-Magnete an der jeweils vorgesehenen  Position des FCC in Montageposition heben sollen. „Im Tunnel selbst wird es manchmal  ganz schön eng“, sagt A. Nettsträter. Da ist kaum Platz für separate Hebe- oder Krantechnik.

Großer Respekt

Ob der FCC allerdings gebaut wird, steht bis dato noch nicht fest. Das müssen erst die 22 Mitgliedstaaten des CERN entscheiden. Einige Entscheider von heute werden dabei den Start der neuen Weltmaschine gar nicht mehr miterleben, auch nicht beim Fraunhofer IML. Aber das schreckt die verantwortlichen nicht. Geht es doch um Erkenntnisse in galaktischen Dimensionen und die Unendlichkeit. Was sind da schon ein paar Menschenjahre? Aber es geht auch um die Kosten. Das Projekt würde in der ersten Phase neun Milliarden Euro kosten und in der zweiten Phase noch einmal 15 Milliarden.

Die Kosten sind marginal. Bezogen auf die Unendlichkeit und ihre Physik sowie die Dauer des Projektes, sind das jedoch marginale Summen. Dennoch verlangt der Protonenbeschleuniger allen Beteiligten einen großen Respekt ab, auch den Profi-Logistikern des Fraunhofer IML in Dortmund. Aber immerhin: Die Grundlagenforscher im CERN, so A. Nettsträter, wissen zu schätzen, dass sie mit den Fraunhofer-Experten auf Augenhöhe über knifflige Fragen verhandeln können.

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