Gütegesichert in die subatomare Welt

Naturwissenschaftlern aber auch industriellen Entwicklern werden damit völlig neue Möglichkeiten eröffnet. Das Siegel der RAL Gütegemeinschaft Rohrbefestigung spielt bei diesem Projekt eine wichtige Rolle. Denn die Kühlwasser- und Druckluft­ver­sorgung im Pumpenhaus des XFEL-Beschleunigertunnels zur Wasserkühlung der Infrastruktur wird ausschließlich mit Montagesystemen des Gütegemeinschaft-Mitglieds MEFA aus Kupferzell konstruiert und ausgeführt, die dieses Siegel tragen.

Hohe Geschwindigkeiten im Forschungszentrum

Das Forschungsspektrum ist enorm vielfältig, wie DESY-Ingenieur Frank-Reinhard Ullrich erzählt. Mit dem European-XFEL lassen sich atomare Details von Viren und Zellen entschlüsseln, eine wichtige Grundlage für die Medikamente der Zukunft. Völlig neuartige, dreidimensionale Aufnahmen aus dem Nanokosmos bieten den Einstieg in innovative technische Anwendungen.

Mit den Röntgenlaserblitzen lassen sich chemische Reaktio­nen filmen, wichtige Grundlage für viele Wissenschaftsdiszipli­nen, von der Chemie über die Biophysik bis hin zur Medizin. Sogar Vorgänge wie die im Inneren von Planeten können unter ganz neuen Bedingungen untersucht, kleine Objekte in starken Feldern beobachtet werden. Das ist nicht nur für die Grundlagen­forschung von Belang, sondern ermöglicht die Entwicklung neuer Produkte, so Frank-Reinhard Ullrich.

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY hat das Vorhaben angeschoben. Bei DESY, einem der weltweit führenden Beschleunigerzentren zur Erforschung der Materie, wurde die Idee für den Röntgenlaser entwickelt und das aufwendige Verfahren für den Bau gestartet. DESY ist auch Hauptgesellschafter der European XFEL GmbH, die mit rund 250 Mitarbeitern die Anlage betreiben wird. Insgesamt zwölf Nationen sind an dem Projekt beteiligt, das ab dem Jahr 2015 seinen Betrieb aufnehmen wird. Und auf dem Gelände von DESY in Hamburg-Bahrenfeld starten auch die Elektronen ihren über drei Kilometer langen Flug bis in den Süden der schon in Schleswig-Holstein liegenden Stadt Schenefeld. Am Anfang steht ein 1,7 km langer Teilchenbeschleuniger. Elektronen werden in Pakten auf hohe Energie und auf annähernd Lichtgeschwindigkeit gebracht, sie erreichen etwa 99,9 %. In spe­ziel­len Hohlräumen, so genannten Resonatoren, schwingen Mikro­wellen, deren Energie auf die Elektronen übertragen wird. Die Resonatoren werden aus dem Metall Niob gefertigt und sind supraleitend. Bei minus 271 °C verlieren sie ihren elektrischen Widerstand. Der Beschleuniger wird durch Klystrons mit Leistung versorgt, die gekühlt werden müssen, außerdem gibt es zusätzliche wassergekühlte Strahlführungskomponenten vor und hinter dem supraleitenden Beschleuniger.

Sicher von der Ausschreibung an

An dieser Stelle sind wieder die DESY-Ingenieure gefragt. Sie sind verantwortlich für die Konstruktion aber auch die Bauausführung der wahrhaft langen Leitungen des Kühlsystems. Ein eigenes Pumpenhaus ist für den European-XFEL vorgesehen. Noch während der laufenden Arbeiten müssen Ullrich und seine Kollegen flexibel umplanen, gemeinsam mit den Mitarbeitern der Firma Kliewe, die die eigentliche Umsetzung erledigen. Deshalb setzt Ullrich auf Halbschienen-Konstruktionen mit dem Gütesiegel der RAL Gütegemeinschaft Rohrbefestigung. Genau diese Spezifikation ist schon bei der Ausschreibung gefordert. Mit Kliewe gibt es schon eine erprobte Zusammenarbeit aus den vergangenen Jahren bei verschiedenen DESY-Projekten.

Nach dem Beschleunigungsgang rasen die Elektronen durch so genannte Undulatoren. Das sind spezielle Magnetanordnungen, in denen die Teilchen auf einen engen Slalomkurs gebracht werden. Jedes einzelne Elektron sendet sich immer weiter verstärkendes Röntgenlicht aus. Das passiert durch die Wechselwirkung von Licht und Elektronen, von denen einige beschleunigt, andere abgebremst werden. Die Teilchen ordnen sich in dünnen Scheiben an und strahlen im Gleichtakt, extrem kurze und intensive Röntgenblitze mit den Eigenschaften des Laserlichts sind die Folge. „Self-Amplified Spontaneous Emission“, selbstverstärkte spontane Emission – so nennt sich das Prinzip.

Die Scheiben benötigen eine Weile im Undulator, bevor sich der Effekt voll ausbildet. Deshalb kommen beim European-XFEL Undulatoren mit Längen von mehr als 100 m zum Einsatz. Ein Elektronenbeschleuniger kann gleich mehrere Undulatoren versorgen. Dadurch kann Strahlung mit unterschiedlichen Eigen­schaf­ten für verschiedene Messplätze erzeugt werden. Für den European XFEL sind im Endausbau fünf Undulatoren mit bis zu zehn Mess­plätzen geplant, die Wissenschaftler für einige Tage oder Wochen für Experimente nutzen können.

Statische Sicherheit

Diese Messplätze sind zentraler Bestandteil des Forschungscampus, der in Schenefeld realisiert und 2015 in Betrieb gehen wird. Die Experimentierhalle ist wie Teilchenbeschleuniger und Undulatoren unterirdisch verlegt, der Tunnelvortrieb ist abgeschlossen. Insgesamt 3,4 km lang ist die Strecke von Hamburg-Bahrenfeld über das Osborner Feld bis nach Schenefeld. Mindestens 6 m Erdreich liegen über den Röhren, deshalb sind die Tunnel, je nach Gelände, in bis zu 38 m Tiefe entstanden. Ähnlich spannend wie die Technik zur Beschleunigung der Teilchen ist die Rückkühlung. „Wir stecken da immerhin einige Megawatt Energie rein, die in Wärme umgewandelt werden, und die müssen wir wieder rausführen“, sagt DESY-Ingenieur Ullrich. Allein im großen Pumpenhaus werden 12 MW umgesetzt. Groß dimensionierte Rohrleitungen werden dafür ebenso benötigt wie kleinere und dünnere Strecken. Ullrichs Team konstruiert das komplette Schema vor und arbeitet bei der Umsetzung eng mit der Firma Kliewe zusammen. Bis zu den einzelnen Rohrhaltern entwickelt er klare Vorstellungen, wie die Leitungen zu halten sind. Schon bei der Ausschreibung hat er sich für RAL gütegesicherte Produkte entschieden. „Das ist ein Standard, da weiß der Halterhersteller, was er zu erfüllen hat“, so Ullrich. MEFA ist der Hersteller, mit dem Kliewe und DESY zusammenarbeiten. Zwischen 22 und 24 t Befestigungsmaterial kommen da zusammen, schätzt Benjamin Schütze, zuständig für Projektierung und Bauleitung beim Anlagenbauer Kliewe. Das gesamte Material ist RAL-gütegesichert. „Das war auch vom Bau gefordert, dass das komplett statisch nachgewiesen ist. Das hat MEFA ja auch für uns gemacht“, erklärt Benjamin Schütze. Das Unternehmen hat schon mehrfach für DESY gearbeitet, in einigen Hallen und Tunneln. Das derzeitige Vorhaben aber ist ein besonderes. „Das ist schon ein sehr, sehr kostenintensives Projekt“, verrät Benjamin Schütze. „knapp eine viertel Million Euro allein für die Rohrbefestigungen und Montagesysteme. Kliewe ist ortsansässig und mit 200 Mitar­bei­tern ein mittelständischer Betrieb, der seit 1962 hauptsäch­lich im Großraum Hamburg tätig ist. Schwerpunkte sind Rohrleitungsbau, Behälterbau und Apparate. Das Besondere an dem aktuellen Auftrag sind die Rohrleitungsdimensionen und die Vorgabe, dass das Meiste aus Edelstahl ausgeführt werden muss. Die längste Leitung ist rund 200 m lang, das ist für Kühlwasser untypisch. Untypisch auch, dass die komplette Anlage aus einer Hand geliefert wird. Zu den Rohren kommen Pumpen, Wärmetauscher, Behälter, zum Teil aus Kunststoff, Kältemaschinen, Luftanlagen und Wasseraufbereitung. Und natürlich die Befestigungstechnik. Aus Gründen der Betriebssicher­heit hat DESY entschieden, nur nach RAL gütegesicherte Befestigungen auszuschreiben. Das hat in einer anderen Halle schon begonnen, erzählen die Kliewe-Leute. Sie sind mit dem MEFA-Material vertraut, in den vergangenen sechs Jahren haben sie etwa 130 bis 140 t davon verbaut. Und in den Umbauten und Nachrüstungen ist das Gütesiegel künftig ebenfalls gefordert. Die Zusammenarbeit mit den DESY-Ingenieuren ist eingespielt. Die haben die gesamte Konstruktion vorgeplant, in 3D-Zeichnungen erstellt. So können sie an vielen Stellen exakt sagen, welche Halterungen möglich und nötig sind. „Im Großen und Ganzen versuche ich immer auf dem Boden zu bleiben“, so Ullrich. Beim derzeitigen Bau hat er die beiden größten Leitungen ganz oben liegen, das hat sich aus Platzgründen so ergeben. Darunter verlaufen auch noch Kabelpritschen. Umso wichtiger war ihm der Standard der RAL Gütegemeinschaft Rohrbefes­ti­gung. Konstruktiv war das eine Herausforderung, wie der Konstrukteur Andreas Block erzählt. Denn er muss das Mate­rial ja nicht nur an die Decke bekommen, sondern auch für die Wartung Platz einräumen. Noch während der Bauphase verändern sich Konstruktionsmerkmale, wenn Wände anders ausgeführt werden als vorgesehen und statisch nicht mehr belastbar sind. Im Laufe der Jahre hat Ullrich den Vorteil von Montageschienen erkannt und entwickelt inzwischen gerne damit. Schnell kann noch eine Kupferleitung angeklickt oder eine Kabelpritsche dazu installiert werden.

Erkennbare Vorteile durch Gütesiegel

Das Pumpenhaus ist gerade in der Ausführung, da konstruiert Ullrich schon die Bauten für den Forschungscampus in Schenefeld. Bauaufsicht und Planung soll der European-XFEL in Betrieb gehen, und schon 2016 kommen die ersten Forscher, die am European-XFEL neue Erkenntnisse gewinnen wollen. Und die müssen sich darauf verlassen können, das alles dort hängen bleibt, wo es hingehört. Dank der RAL-Gütesiegel der Gütegemeinschaft Rohrbefestigung ist dafür Europas höchster Standard gesetzt.