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Technologien für die Spitzenforschung

Viele Anlagen, Systeme und Instrumente, die für die Spitzenforschung entwickelt werden und in Jülicher Labors zum Einsatz kommen, sind nicht von der Stange zu kaufen: Sie sind komplexe Maßanfertigungen, die exakt definierten Parametern entsprechen müssen, um ihren Zweck erfüllen zu können. Hier arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Hand in Hand mit Ingenieuren, Technikerinnen und Mechanikern auf dem Campus, um Bewährtes weiterzuentwickeln und noch nie Dagewesenes zu erproben – mit Erfolg.

Das Forschungszentrum bündelt seine wissenschaftlich-technischen und Ingenieurskompetenzen im Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA). Seine Institutsbereiche blicken auf langjährige Erfahrung zurück und verfügen über ein breites Spektrum an Methoden und Verfahren, die sie auf wissenschaftlicher Basis weiterentwickeln, um mit den Anforderungen der Forschung Schritt halten zu können – denen der Jülicher Forschung und darüber hinaus.

Der Institutsbereich Engineering und Technologie, das ZEA-1, entwickelt, beschafft und baut wissenschaftlich-technische Geräte, Anlagen und Verfahren für die Institute des Forschungszentrums und für externe Auftraggeber, vor allem andere wissenschaftliche Einrichtungen. Seine Arbeitsgebiete reichen von kleinsten Sensoren bis zur Herstellung von ganzen Messplattformen und Anlagen für die Umweltforschung, Energieforschung oder die Forschung mit Neutronen.

Die Jülicher Ingenieure begleiten ihre Kunden und Partner aus der Wissenschaft dabei über den gesamten Zeitraum einer Anwendung: von der Beratung bis zum fertigen Produkt sowie bei dessen Weiterentwicklung, die durch die Forschung und den im Betrieb erworbenen Erkenntnisgewinn notwendig wird.

Sind die Realisierungsmöglichkeiten einer Idee nicht eindeutig, wird im Rahmen einer Machbarkeitsstudie geprüft, wie die Herausforderungen technisch gelöst und umgesetzt werden können.

Beispiel Energieforschung: Brennstoffzellen

Für den Betrieb von DMCP-Brennstoff­zellen wird Wasserstoffgas benötigt. Der Wasserstoff kann durch eine Reformation aus Methanol oder anderen Flüssigkeiten gewonnen werden. Das Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik fertigt diese komplexen Anlagen für die Energieforschungsinstitute des Forschungszentrums.

Technologische Herausforderung bei der Herstellung einer anderen Art von Brennstoffzelle, der Hochtemperatur­brennstoffzelle (SOFC) ist die Verbindung von keramischen und metallischen Werkstoffen, die im Einsatz bei einer hohen Betriebstemperatur 800 – 1000 Grad Celsius für mehrere zehntausend Stunden betrieben werden. Neben den fügetechnischen Aspekten entwickelt das Institut auch Verfahren für den industriellen Einsatz.

Beispiel Umweltforschung: Messtechnik für Erfassung von Spurengasen

Für das europäische Klimaforschungsprojekt PEGASOS hat das Institut gemeinsam mit dem Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung, das die Kampagne leitet, eine Messplattform entwickelt, die bei Forschungsflügen mit dem Zeppelin NT zum Einsatz kommt. Das Ziel des PEGASOS-Projekts: die Erforschung der Zusammenhänge zwischen Atmosphärenchemie und Klimawandel. Eine der zentralen Aufgaben des Projekts ist es, die Reaktionsdynamik von Schwebeteilchen (Aerosole) und von Hydroxyl-Radikalen (OH-Radikale) zu messen. Letztere gelten als „Waschmittel“ der Atmosphäre. Hierfür hat das Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik weltweit einzigartige Messgeräte zur Messung der OH-Radikale entwickelt. Messprinzip zum Nachweis der OH-Radikale ist die laserinduzierte Fluoreszenz. Da diese Methode sehr von den Umgebungsparametern Temperatur und Feuchte abhängig ist, muss die gesamte Messplattform auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden; kleinste Schwankungen der Außentemperatur werden mithilfe eines vollautomatischen Heiz- und Kühlsystems in Echtzeit ausgeglichen.

Zeppelin landet in FriedrichshafenDer Zeppelin NT mit Messplattform. Die Plattform, oben auf dem Zeppelin angebracht, beinhaltet mehrere laseroptische Messinstrumente.
Quelle: Zeppelin Luftschifftechnik (ZLT)

Auch bei anderen Forschungsflügen kommen Jülicher Technologien zum Einsatz: Das neue Forschungsflugzeug HALO des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) wird für die Spurengasforschung in der Atmosphäre mit einem in Jülich entwickelten und hergestellten Lufteinlass-Sytem ausgestattet. Komplexe numerische Simulationen und Berechnungen wegen möglicher Störfälle im Flugbetrieb waren erforderlich, um die Zulassung für den notwendigen Umbau am Flugzeug zu erhalten. Ein möglicher Störfall, der im Flugbetrieb auftreten kann, ist die Kollision mit einem Vogel, die ein realistisches Risiko darstellt. Durch die Kollision könnten Teile des Einlasssystems abgerissen werden und größere Beschädigungen am Flugzeug verursachen. Die Experten des Zentralinstituts konnten durch komplexe numerische Simulationen zeigen, dass für die Flugzeuge alle Störfälle beherrschbar sind, wenn das Einlasssystem entsprechend mit Sollbruchstelle und Schockabsorbern ausgestattet wird. Experimente zu den Störfällen zeigen eine vollständige Übereinstimmung zwischen den experimentellen Ergebnissen und den von der Simulation vorhergesagten Abläufen.

Beispiel Forschung mit Neutronen

Neutronenstreuspektrometer, wie sie an den weltweit stärksten Neutronenquellen zum Einsatz kommen, werden seit Jahren vom Bereich Engineering und Technologie des Zentralinstituts konzipiert, konstruiert und produziert. Ein Jülicher Spezialgebiet ist die Entwicklung schnell rotierender magnetgelagerter Chopper-Systeme für Neutronenspektrometer und für Synchrotronlichtquellen. Mithilfe von Choppersystemen werden aus einem kontinuierlichen Neutronenstrahl oder Photonenstrahl Teilchen mit definierter Energie herausgefiltert, die für das jeweilige Experiment benötigt werden. Durch Änderung der Drehzahl des Choppersystems oder des Phasenwinkels zwischen den Chopperscheiben kann die Energie der Teilchen und die zeitliche Dauer des Strahls verändert werden.

Wegen der Magnetlagerentwicklung und den dazu gehörenden hochpräzisen und phasengenauen Antriebselektroniken arbeiten die hergestellten Choppersysteme wartungsfrei, was den Einsatz an einer Forschungsneutronenquelle oder einem Synchrotron sehr erleichtert, da der Experimentierbetrieb nicht für Wartungsarbeiten unterbrochen werden muss.

Jülicher Choppersysteme sind im Einsatz an Forschungseinrichtungen, Spallationsquellen und Synchrotronquellen in Deutschland, USA, Frankreich, Schweiz und Japan.

Derzeit entsteht in den Jülicher Technologielabors ein Flugzeitspektrometer für den Forschungsreaktor München. Mit dem 75 Kubikmeter umfassenden Spektrometer werden neuartige Materialien untersucht, die für die zukünftige Informationstechnologie oder für die Umwandlung und Speicherung von Energie gebraucht werden.

Kooperationen und Ausbildung

Großen Wert legt das Institut auf die Vernetzung mit anderen Forschungseinrichtungen und Universitäten in Deutschland und weltweit. Zu den Jülicher Partnern zählen die RWTH Aachen, die Fachhochschule Aachen, die TU München, das KIT in Karlsruhe, das Institut für Lasertechnik Aachen der Fraunhofer Gesellschaft, das Brookhaven National Laboratory (USA), die Europäische Spallationsquelle ESS in Lund (Schweden) und das CERN in Genf (Schweiz).

Nachwuchswissenschaftler aus dem In- und Ausland, die in den Natur- und Ingenieurwissenschaften promovieren oder im Institut ihre Master- oder Bachelorarbeiten anfertigen, profitieren von der vorhandenen Expertise und Infrastruktur und sind selbst eine Bereicherung für das Institut.

Neben der akademischen Ausbildung bildet das Institut seit vielen Jahren junge Männer und Frauen erfolgreich in technischen und naturwissenschaftlichen Berufen aus. Zu den Ausbildungsberufen im Institutsbereich Engineering und Technologie gehören: technischer Zeichner, mathematisch-technischer Assistent, Physiklaborant, Werkstoffprüfer, Glasapparatebauer, Industriemechaniker. Die im Institut ausgebildeten Nachwuchskräfte gehören regelmäßig zu den Besten Deutschlands.

Besondere Aufmerksamkeit schenkt das Institut dem Fachkräfte-Nachwuchs aus technologischen Schwellenländern. In diesen Ländern gibt es hervorragend theoretisch ausgebildete Studentinnen und Studenten, denen es aber an praktischer Erfahrung mit moderner Technologie fehlt. Diesen "High Potentials" bieten das Zentralinstitut an, ihre Forschungsarbeiten in Jülich durchzuführen. Durch die hier erworbene Technologiekompetenz leisten sie eine großen Beitrag beim Aufbau der technischen Infrastruktur in ihren Heimatländern.

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