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Kurznachrichten Oktober 2010

Kompakte Teilchenbeschleuniger mit Raumfahrt-Know-how

Um Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten zu bringen, werden riesige Teilchenbeschleuniger wie etwa am Forschungsinstitut CERN benutzt. In kilometerlangen Röhren werden dort Protonen durch elektrische Felder aufwendig auf fast Lichtgeschwindigkeit gebracht. Eine kompakte Alternative, die in jedes Universitätslabor passen könnte, haben Forscher des Forschungszentrums Jülich und der Universität Belfast jetzt im renommierten Fachmagazin Physical Review Letters (DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.155002) vorgestellt.

In ihren Simulationen auf dem Jülicher Supercomputer JUROPA untersuchten Bin Qiao und Paul Gibbon dabei im Kleinen einen Effekt, der kürzlich im Großen bei der japanischen Weltraummission IKARUS getestet wurde: das Lichtsegel bzw. den Antrieb durch Strahlungsdruck (Radiation Pressure Acceleration – RPA). Dabei gibt das Sonnenlicht seinen Impuls an großformatige, leichte Kunststoffsegel ab und treibt damit einen Satelliten an. "In unserer Simulation haben wir eine Folie von Nanometerdicke mit einem gepulsten Hochleistungslaser beschossen", sagt Paul Gibbon. Der zirkular polarisierte Laserstrahl traf auf die hauchdünne Kunststofffolie und brachte diese in der Simulation auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Dabei erhitzt sich die Folie soweit, dass aus einer präparierten Kunststoffmischung aus Kohlen- und Wasserstoff ein stabiler Protonenstrahl entsteht, der sich mit einer geringen Energiebandbreite bewegt, ohne zu zerfallen. Die stabile Teilchenkonfiguration wird bei Laserleistungen von rund 100 Exawatt pro Quadratzentimeter erreicht, was im Bereich heutiger Laborlaser liegt. "Besonders interessant war, dass unser Lichtsegel sich für Teile der Strahlung als transparent erwies, was einen stabilisierenden Effekt auf die Beschleunigung der Protonen hatte", fasst Gibbon die Ergebnisse zusammen. "Wir haben es also mit einem löchrigen Sonnensegel zu tun." Kompakte Teilchenbeschleuniger könnten in Zukunft in Krankenhäusern zur Tumortherapie oder als Röntgenquelle eingesetzt werden. In der Forschung greifen Fusionsexperimente auf hochenergetische Teilchenstrahlen zurück.

Schematische Darstellung der Beschleunigung von Protonen Schematische Darstellung der Beschleunigung von Protonen (rot-orange Kügelchen im Vordergrund) durch einen gepulsten Laser (orangefarbene Scheiben im Hintergrund). Die Temperatur der Elektronen ist auf einer vertikalen Schnittebene farblich codiert (gelb bis blau). Vom grünen Trägersubstrat ist nur die untere Hälfte gezeichnet.
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Bewegung von Elektronen (oben) und ProtonenBewegung von Elektronen (oben) und Protonen in der Zeitspanne 12,5 bis 80 Femtosekunden (Billiardstel Sekunden) nach Laserbeschuss. Aufgrund der fehlenden Stabilisierung verteilen sich die Protonen über einen großen Raumbereich (Ausschnitt unten rechts).
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Die positive Ladung des Kohlenstoffes moderiert die Bewegung der ElektronenDie positive Ladung des Kohlenstoffes moderiert die Bewegung der Elektronen und stabilisiert dadurch die Protonenfront, die kompakt bleibt (Ausschnitt unten rechts).
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Phys. Rev. Lett. 105, 155002 (2010)
Weiterführende Informationen

Schwingende Nanoröhren unterm Mikroskop

Das Element Kohlenstoff entwickelt außerordentliche Eigenschaften, wenn es als regelmäßiges Atomgitter auftritt. Als Diamant ist es sehr hart, als nobelpreisgewürdigtes Graphen hat es besondere elektronische Eigenschaften. Zu einem Röhrchen zusammengerollt, könnte Graphen Einzug in die Nanoelektronik der Zukunft halten. Jülicher Forscher haben nun erstmals detaillierte Messungen zu den mechanischen Schwingungen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemacht, die sie in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins Nano Letters vorstellen (DOI: 10.1021/nl102305a).

Dr. Carola Meyer und ihre Arbeitsgruppe verglichen die Schwingungszustände von einwandigen Röhrchen mit denen von mehrwandigen und fanden, dass die Resonanzfrequenzen um fast 25 Prozent verschieden sind. Mittels Simulationen konnte dies auf die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen ineinandergeschobenen Röhrchen zurückgeführt werden, die als gekoppelter harmonischer Oszillator wirken. Erstmals möglich wurde diese Entdeckung durch die Vermessung eines Nanoröhrchens mittels zweier Verfahren, der Raman-Spektroskopie und der Transmissionselektronenmikroskopie. Dazu arbeiteten neben Meyers Team am Forschungszentrum Jülich auch die TU Berlin und das Ernst Ruska-Centrum in Jülich zusammen. Dieses Ergebnis wird Forschern helfen, die mechanischen Eigenschaften von Nanoröhrchen für die Nanoelektronik maßzuschneidern. Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Forschergruppe "Coherence and relaxation properties of electron spins" gefördert.

Aufnahme von sechs ineinandergeschobenen Kohlenstoff-Nanoröhren im QuerschnittTransmissions-elektronenmikroskopie: Aufnahme von sechs ineinandergeschobenen Kohlenstoff-Nanoröhren im Querschnitt. Dieses Molekül wurde in der vorliegenden Arbeit untersucht.
Quelle: L. Houben / Forschungszentrum Jülich / Ernst Ruska-Centrum

Nano Letters (ACS Publication)
Homepage der Arbeitsgruppe

Europapolitiker informieren sich über Supercomputing

Zu einem Themenabend trafen sich im Oktober in Brüssel Vertreter der europäischen Institutionen – des Parlaments, der Kommission und des Ministerrates – sowie Vertreter der Industrie mit den Experten des europäischen Supercomputerverbundes PRACE. Vorträge und Gespräche behandelten die positiven Impulse der Schlüsseltechnologie Supercomputing für die moderne Wissenschaft und Industrie sowie die Frage, mit welchen Instrumenten das Supercomputing in Europa weiter unterstützt werden kann. Supercomputer werden zum Beispiel eingesetzt, um die Vorgänge im menschlichen Gehirn zu verstehen oder Prozesse im Flugzeugbau zu simulieren.

Anlässlich der Gründung von PRACE im Sommer 2010 erklärte die EU-Kommissarin für die Digitale Agenda und Vizepräsidentin der EU-Kommission Neelie Kroes: "Ich begrüße den Start des Supercomputerverbunds PRACE wirklich sehr, denn wissenschaftliche Hochleistungsrechner sind ein Schlüsselfaktor für Fortschritte in der modernen Wissenschaft und Technologie und für die Lösung der wichtigsten Herausforderungen unserer Zeit wie Klimawandel, Energieeinsparung und Bevölkerungsalterung." Der Verbund stellt eine sehr enge Kooperation der beteiligten Länder dar, die in den vergangenen Jahren – unterstützt von der EU – die gesetzlichen, finanziellen und technischen Voraussetzungen für PRACE geschaffen haben. "Wissenschaft und Wirtschaft brauchen Rechenleistung und Know-how auf höchstem Niveau. Die gemeinsame europäische Initiative PRACE wird Forschern helfen, einzigartige wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen und innovative Produkte zu entwickeln", sagte Prof. Achim Bachem, Vorstandsvorsitzender des Forschungszentrums Jülich und des Verbundes PRACE.

PRACE
Supercomputing in Jülich

IAEO-Chef Amano besucht Neutronenquelle

Zu Beginn seines Antrittsbesuchs in Deutschland besichtigte der Generaldirektor der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEO) Yukiya Amano die Forschungsneutronenquelle FRM II in Garching, an der Forschern aus ganz Europa elf Jülicher Experimente offenstehen. Begleitet wurde Amano bei seinem Informationsbesuch vom bayerischen Wissenschaftsminister Dr. Wolfgang Heubisch, Vertretern der Bundesregierung und Prof. Sebastian M. Schmidt, Mitglied des Vorstands des Forschungszentrums Jülich. Bei seinem Rundgang informierte sich der IAEO-Chef über die medizinischen Anwendungen der Neutronen und darüber wie die Physiker mit ihrer Hilfe neue Materialfunktionen aufklären, z.B. um das Phänomen der Supraleitung bei hohen Temperaturen zu verstehen oder um Batterien für die Elektromobilität zu verbessern.

Schmidt verdeutlichte, wie wichtig die Neutronenquelle für die Forschung in ganz Deutschland ist. Forschergruppen aus dem gesamten Bundesgebiet wie auch das Forschungszentrum Jülich beteiligen sich am Aufbau und Betrieb der Großgeräte am FRM II. "Die Neutronenquelle bietet uns einzigartige Möglichkeiten, um zukünftige Schlüsseltechnologien zu entwickeln. Wir wollen mit unseren Instrumenten am FRM II dazu beitragen, biologische und chemische Prozesse aufzuklären und elektronische und magnetische Phänomene zu verstehen", so Schmidt.

Jülicher Forschung mit Neutronen
JCNS - Jülich Centre for Neutron Science

Neues Institut für Energie- und Klimaforschung

Saubere, sichere und ressourcenschonende Energie: Für dieses Ziel rücken Jülicher Energie- und Klimaforscher enger zusammen und bündeln ihre Kompetenzen. Unter dem Dach des nun gegründeten Instituts für Energie- und Klimaforschung arbeiten künftig über 650 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Am Gründungskolloquium nahmen der Parlamentarische Staatssekretär bei der Bundesministerin für Bildung und Forschung, Thomas Rachel, MdB sowie Staatsekretär Helmut Dockter aus dem Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen teil.

Mit der Institutsgründung zieht das Forschungszentrum die Konsequenz daraus, dass zur Erforschung und Entwicklung von Energiequellen heute auch Umwelt- und Klimaschutz gehören. Andersherum müssen Atmosphärenforscher wissen, wo und in welchem Umfang die Stoffe entstehen, die Luftqualität und Klima beeinflussen. Schließlich erzeugt jede energiewandelnde Technik Spuren- und Schadgase, Aerosole und Wolken, die sich in einigen hundert oder auch vielen tausend Metern Höhe auswirken.

"Mit der engen Verzahnung der Energie- und Klimaforschung ist Jülich strategisch gut aufgestellt für die aktuell drängenden Fragen der Energieversorgung", sagt Prof. Harald Bolt, Mitglied des Vorstands des Forschungszentrums Jülich. "Hierdurch können wir unsere Forschungsergebnisse im Zusammenhang 'Energie und Klima' bewerten und Gesellschaft, Politik und Industrie Optionen eröffnen." Das neue Institut bündelt das Know-how des bisherigen Instituts für Energieforschung und des Instituts für Chemie und Dynamik der Geosphäre. Außerdem wird ein neuer Institutsbereich zur Elektrochemie geschaffen, mit dem die Jülicher Batterie- und Brennstoffzellenforschung weiter gestärkt wird. Ein weiterer eigenständiger Institutsbereich zur Systemforschung und Technologischen Entwicklung wird Energiesysteme im gesellschaftlichen Zusammenhängen unter Berücksichtigung der technischen, ökonomischen und ökologischen Rahmenbedingungen betrachten.

Weitere Informationen zu den Instituten

Neutronenforschung für die globale Energieversorgung

Eine sichere, umweltfreundliche und bezahlbare Energieversorgung ist eine der großen Herausforderungen unserer Zukunft. Sie zu lösen, wird ohne einen breiten Forschungsansatz kaum möglich sein, machte Prof. Sebastian M. Schmidt, Mitglied des Vorstands im Forschungszentrum Jülich, auf der Konferenz "Neutrons for Global Energy Solutions" (NGES) deutlich, die kürzlich in Bonn stattfand und von Forschungszentrum Jülich organisiert wurde. Forschung mit Neutronen werde dabei einen wichtigen Beitrag leisten: "Zur Lösung der Energieprobleme der Zukunft bedarf es moderner Schlüsselkompetenzen. Die Erforschung neuer Energiematerialien mittels Neutronenstreuung ist einer der wichtigsten Schritte und wird mehr und mehr an Bedeutung gewinnen", so Schmidt. "Neue Materialien sind der Schlüssel für große Fortschritte in den Energietechnologien", sagte Prof. Harald Bolt, ebenfalls Mitglied des Vorstands im Forschungszentrum Jülich. "Diese Fortschritte sind nötig, wenn wir zu einem nachhaltigen Energiesystem kommen wollen. Neutronenmethoden brauchen wir, um den Aufbau und die Funktion von neuen Materialien genau zu verstehen."

Was die Neutronen so unersetzlich für die Materialforschung macht, fasste Dr. Raphael Hermann, Nachwuchsgruppenleiter am Jülicher Zentrum für Forschung mit Neutronen (JCNS) und Organisator der Konferenz, zusammen: "Neutronen können tief und zerstörungsfrei in Proben eindringen und dabei Informationen über Struktur und Bewegung auch leichter Atome liefern, wie Wasserstoff oder Lithium. So ist es etwa möglich, die Vorgänge im Inneren von Batterien oder Brennstoffzellen während ihres Betriebs zu beobachten." Mit Neutronen wird es möglich sein, die grundlegenden Prinzipien zu verstehen, die Durchbrüche etwa bei der Batterie- und Brennstoffzelltechnologie ermöglichen.

Rund 80 Wissenschaftler aus der Neutronenforschung und Experten der Energiewirtschaft in BonnRund 80 Wissenschaftler aus der Neutronenforschung und Experten der Energiewirtschaft berieten in Bonn, welchen Beitrag die Forschung mit Neutronen bei der Suche nach Lösungen für die Energieversorgung der Zukunft leisten kann.
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Rund 80 Wissenschaftler aus der Neutronenforschung und Experten der Energiewirtschaft berieten in Bonn, welchen Beitrag die Forschung mit Neutronen bei der Suche nach Lösungen für die Energieversorgung der Zukunft leisten kann. Foto: Forschungszentrum Jülich
Homepage der Konferenz "Neutrons for Global Energy Solutions" (NGES, nur Englisch)

Jülicher Forschung mit Neutronen
JCNS - Jülich Centre for Neutron Science

Armenischer Minister besucht Teilchenbeschleuniger COSY

Anlässlich des Besuches des Ministers für Bildung und Forschung der Republik Armenien, Dr. Armen Ashotyan, wurden gemeinsame Projekte im Bereich Teilchenphysik angestoßen. In den kommenden Jahren sollen gemeinsame Workshops und Training Center sowie ein virtuelles Institut dazu beitragen, die Forschungsbeziehungen zu vertiefen. Auf dem Gebiet der Teilchenphysik am Jülicher Teilchenbeschleuniger COSY besteht eine langjährige Zusammenarbeit mit Forschern aus Georgien, die nun auf wissenschaftliche Einrichtungen und Universitäten in Armenien ausgedehnt werden soll. Das gewonnene technologische und wissenschaftliche Know-how wird in den nächsten Jahren auch in das Milliardenprojekt FAIR in Darmstadt einfließen.

Armenische Delegation besucht Institut für KernphysikDie armenische Delegation um Minister Dr. Armen Ashotyan (4. v. r.) wurde im Forschungszentrum Jülich vom Direktor des Institutes für Kernphysik, Prof. Hans Ströher (5. v. l.), begrüßt.
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Webseiten des Jülicher Institutes für Kernphysik

Aktuelle Termine

Konferenz WissKomm 2010 der Jülicher Zentralbibliothek

8. - 10. November 2010, Auditorium der Zentralbibliothek, Forschungszentrum Jülich

Mit der WissKomm2010 "eLibrary – den Wandel gestalten" vom 8. bis 10. November 2010 setzt die Jülicher Zentralbibliothek ihr Engagement fort, Themen im Spannungsfeld von Bibliothek – Information – Wissenschaft in einer Konferenz interdisziplinär zu diskutieren und neue Handlungsfelder für Bibliotheken aufzuzeigen.

Die mittlerweile fünfte Konferenz der Jülicher Zentralbibliothek thematisiert den Wandel von Bibliotheken vor allem im Umfeld von Naturwissenschaft und Technik hin zu virtuellen Portalen für Literatur und Information sowie die damit verbundenen Dienstleistungen. Hier gilt es, neue Konzepte der Informationsversorgung zu entwerfen, innovative Angebotsformen zu entwickeln und deren Nutzung professionell zu evaluieren.

BioScience 2010

15. - 17. November, Forschungszentrum Jülich

Proteine funktionieren in einem komplexen Umfeld aus einer Vielzahl von Molekülen. Ihr Verhalten als Wechselwirkung mit dieser Umwelt zu verstehen, ist Ziel dieses Workshops, bei dem Experimentatoren und Theoretiker sich über aktuelle und zukünftige Untersuchungstechniken zu Strukturen, Dynamik und Funktion von Biomolekülen austauschen.

Pressekontakt: Kosta Schinarakis, Tel. 02461 61-4771, k.schinarakis@fz-juelich.de


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