Zusammenfassung:
CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung, entwickelt eine neue Generation supraleitender Magnete für die nächste Runde der Modernisierung des Large Hadron Collider (LHC). Diese Magnete, die neue Materialien und Herstellungsverfahren nutzen, haben in Tests eine Magnetfeldstärke von 11,3 Tesla erreicht und werden ein wichtiger Bestandteil des künftigen hochhellen Large Hadron Collider sein.
Der Large Hadron Collider nutzt extrem starke Magnetfelder zur Steuerung von Teilchenstrahlen, sodass sich Teilchen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und kollidieren können, was Wissenschaftlern dabei hilft, die grundlegende Zusammensetzung der Materie zu untersuchen. Derzeit kann der LHC in einem einzigen Experiment etwa 40 Millionen Kollisionen pro Sekunde durchführen, wobei die Anzahl der an jeder Kollision beteiligten Teilchen etwa 60 beträgt. Durch die kontinuierliche Erhöhung der Kollisionshäufigkeit und der Anzahl der Teilchen können Wissenschaftler effektiver nach seltenen Teilchen und bisher unbeobachteten physikalischen Phänomenen suchen.
Die nächste Phase des Upgrade-Projekts, das das CERN vorantreibt, heißt High-Luminosity Large Hadron Collider (High-Luminosity LHC), mit dem voraussichtlich nach 2030 eine neue Runde von Experimenten gestartet wird. Das Ziel nach dem Upgrade besteht darin, die Anzahl der an jeder Kollision beteiligten Teilchen auf 140 bis 200 zu erhöhen und gleichzeitig eine Kollisionsfrequenz von etwa 40 Millionen Mal pro Sekunde beizubehalten. Die sogenannte „hohe Helligkeit“ bezieht sich auf die Tatsache, dass pro Zeiteinheit mehr Teilchenkollisionen auftreten können und dadurch die Chance erhöht wird, seltene physikalische Phänomene zu entdecken.
Um dies zu erreichen, benötigt der Collider kompakte, zuverlässige Magnete mit stärkeren Magnetfeldern. Herkömmliche LHC-Dipolmagnete verwenden supraleitende Spulen aus Niob-Titan (NbTi), und die Magnetfeldstärke kann 8,3 Tesla erreichen, was etwa dem 166.000-fachen der Erdmagnetfeldstärke entspricht. Da die Leistung des Niob-Titan-Materials jedoch nahe an der Obergrenze der erreichbaren Magnetfeldstärke liegt, begann eine neue Generation von Quadrupolmagneten mit der Verwendung supraleitender Niob-Zinn-Materialien (Nb₃Sn) mit einer Zielmagnetfeldstärke nahe 12 Tesla.
Eine der Hauptschwierigkeiten bei diesem Technologie-Upgrade besteht darin, dass Niob-Zinn-Materialien völlig andere mechanische Eigenschaften haben als herkömmliche Niob-Titan-Materialien. Niob-Titan hat eine gute Duktilität und kann nach der Bildung eines supraleitenden Materials gebogen und gewickelt werden; Niob-Zinn ist sehr zerbrechlich und kann den großen mechanischen Belastungen, die während des Spulenwickelprozesses entstehen, sobald die supraleitende Phase gebildet ist, nicht standhalten.
Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher einen Herstellungsprozess namens „Wind-and-React“ eingeführt. Vereinfacht ausgedrückt wird das Material, das noch nicht die endgültige supraleitende Phase gebildet hat, zu einer Spule gewickelt, und dann reagieren Niob und Zinn durch Hochtemperatur-Wärmebehandlung, und schließlich entsteht das supraleitende Niob-Zinn-Material.
Während des spezifischen Herstellungsprozesses verwendete das Forschungsteam zunächst ein 760 Meter langes supraleitendes Kabel und wickelte es um den zentralen Rahmen, um einen Spulensatz mit einer Länge von etwa 7,2 Metern und Öffnungen von 150 Millimetern zu bilden. Anschließend werden die Spulen für eine streng kontrollierte Wärmebehandlung in eine Inertgasumgebung gebracht.
Der Wärmebehandlungsprozess dauert mehrere Tage und die Temperatur steigt sukzessive an, bleibt eine Zeit lang bei etwa 210 Grad Celsius und 400 Grad Celsius und erreicht schließlich etwa 650 Grad Celsius. Nach diesem Prozess reagieren Niob und Zinn im Kabel chemisch zu einer Niob-Zinn-Verbindung mit supraleitenden Eigenschaften.
Da das Niob-Zinn-Material nach der Bildung sehr zerbrechlich ist, muss bei der anschließenden Handhabung der Spule äußerste Vorsicht geboten sein. Jede übermäßige Biegung oder mechanische Verformung kann das supraleitende Material beschädigen und die elektrische Leistung und strukturelle Zuverlässigkeit des Magneten beeinträchtigen.
Nach Abschluss der Wärmebehandlung behandeln die Forscher die Spule auch mit flüssigem Epoxidharz, sodass das Harz die inneren Hohlräume, Risse und Lücken füllen und sich dann zu einer harten Polymerstruktur verfestigen kann, um die mechanische Stabilität der Spule zu verbessern.
Dieses Fertigungsprojekt wird von einem Team von etwa 60 Personen unter der Leitung der CERN-Magnetingenieurin Susana Izquierdo Bermúdez geleitet. Seit 2012 beschäftigt sie sich mit der Forschung und Entwicklung neuer Magnete. Ihre Arbeit umfasst Spulenwicklungstests, elektromagnetisches Design, mechanisches Design, Fertigung und Leistungsüberprüfung.
Laut den vom Forschungsteam in IEEE Transactions on Applied Supraconductivity veröffentlichten Forschungsergebnissen stellten sie für das LHC-Upgrade-Projekt mehr als 120 Spulen für 4,5 Meter lange Magnete und mehr als 70 Spulen für 7,2 Meter lange Magnete her. Jeder Quadrupolmagnet benötigt vier Spulen.
Das gesamte Projekt führte zur Produktion von 250 Spulen, von denen 25 die Qualitätsanforderungen aufgrund menschlicher Fehler und elektrischer oder mechanischer Leistungsmängel während des Herstellungsprozesses nicht erfüllten. Die Forscher wiesen darauf hin, dass diese Art von supraleitendem Magneten eine extrem hohe Fertigungspräzision erfordert und selbst sehr kleine Fehler dazu führen können, dass die gesamte Spule unbrauchbar wird. Es gab eine Spule, die verschrottet werden musste, da der Verdacht bestand, dass sich zwischen der Wicklung und dem Schutzbauteil ein Metallpartikel verfangen hatte, das die Betriebsleistung beeinträchtigen könnte.
Im September dieses Jahres schloss das Team die Qualitätskontrolltests des 7,2 Meter langen Magneten ab und bestätigte, dass seine maximale Magnetfeldstärke 11,3 Tesla erreichte. Die Magnete funktionieren derzeit gut und Forscher haben damit begonnen, weiterhin Ersatzspulen und Magnete herzustellen, um den Bedarf zukünftiger LHC-Upgrade-Projekte zu decken.
Diese Errungenschaft ist nicht nur das Streben nach höheren Magnetfeldstärken, sondern bedeutet, dass das CERN supraleitende Niob-Zinn-Materialien von der Laborforschung und -entwicklung bis hin zur großtechnischen Herstellungsphase mit strenger Qualitätskontrolle weiterentwickelt hat. Für den High-Brightness Large Hadron Collider wird ein stärkeres Magnetfeld den Forschern dabei helfen, Teilchenstrahlen effektiver zu steuern, sodass der Collider innerhalb eines bestimmten Raums höhere Teilchenkollisionsfähigkeiten erreichen kann und eine wichtige Infrastruktur für Teilchenphysikexperimente nach 2030 bietet.
Diese Forschung wurde am 24. September 2026 in „IEEE Transactions on Superconducting Applications“ veröffentlicht. IEEE Spectrum hat den Bericht am 10. November aktualisiert und die Anzahl der Teilchenkollisionen in jedem Experiment korrigiert.
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