Die Magnetdetektive

Der Wert auf dem Strommesser stieg allmählich an. Bis es nicht mehr der Fall war. Tatsächlich fiel es plötzlich. „Oh-oh“, erinnert sich Giorgio Ambrosio. "Houston, wir haben ein Problem."

Ambrosio ist Wissenschaftler am Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums und überwacht die Montage der in den USA gebauten Magnete für die Aufrüstung des Large Hadron Collider mit hoher Leuchtkraft. Durch die Verdoppelung der Anzahl der Protonen im LHC und die Verbesserung der Strahldynamik wird das Upgrade die experimentellen Datensätze um den Faktor 10 erhöhen. Dies wird es Physikern ermöglichen, seltene physikalische Phänomene zu untersuchen und mehr über den Ursprung von Masse und Materie im Universum zu erfahren.

Für das HL-LHC-Upgrade werden 150 neue Beschleunigermagnete benötigt. In den USA baut das LHC Accelerator Upgrade Project neue Fokussierungsmagnete, die den Strahl kurz vor Kollisionen zusammendrücken und doppelt so stark sein werden wie ihre Vorgänger.

Doch der neue Fokussierungsmagnet, den Ambrosio und seine US-Kollegen testeten, war gescheitert; Der Magnet war tot.

Die fünf Meter langen Elektromagnete müssen 16.530 Ampere Strom transportieren – etwa so viel wie ein Blitz. Da sie beim Abkühlen auf sehr niedrige Temperaturen zu Supraleitern werden, können die Magnete diesen enormen Strom übertragen, ohne Wärme zu erzeugen. Wissenschaftler wie Ambrosio führen den Strom ein und erhöhen ihn schrittweise, um die Magnete vor dem Einsatz zu testen und zu „trainieren“.

Ambrosio und Kollegen wie CERN-Kollegin Alice Moros wissen, dass „Dinge, die nicht funktionieren“ Teil des wissenschaftlichen Prozesses sind – insbesondere, wenn mit komplexer, einzigartiger und nicht kommerziell erhältlicher Technologie gearbeitet wird. „Ein Magnet kann, wie alles andere auf der Welt, nicht perfekt sein“, sagt Moros.

Also legte das US-Team den Magneten beiseite und begann, einen anderen zu testen. Wieder nahm die Strömung zu, und wieder fiel sie plötzlich ab. Sie versuchten, ihn wiederzubeleben, aber der Strom stieg nicht an: Ein zweiter Magnet war tot.

„Das Schlimmste ist, dass dies zweimal hintereinander passiert ist – an zwei Magneten“, sagt Ambrosio. „Es fühlte sich an, als wäre man auf der Titanic, nachdem sie auf den Eisberg gestoßen war.“

Waren es nur zwei unglückliche Zufälle? Oder war eine Schwachstelle im Design der Magnete kurz davor, das gesamte LHC-Upgrade-Projekt zum Scheitern zu bringen? Es war von entscheidender Bedeutung, den Schuldigen zu finden: Die Zukunft des LHC-Forschungsprogramms hing davon ab.

Die Herstellung von HL-LHC-Fokussierungsmagneten umfasst Hunderte von Schritten über einen Zeitraum von sechs Monaten. Das Problem könnte in jedem Teil des Prozesses entstanden sein.

Ambrosio und seine Kollegen richteten ihre Aufmerksamkeit auf den ersten Magneten, der versagte. Welche Geheimnisse könnte sein vorzeitiger Untergang enthüllen? „Wir haben sofort mit den Ermittlungen begonnen“, sagt Ambrosio.

Verdächtiger Nr. 1: die Kabelwicklung.

Jede Magnetspule besteht aus einem einzigen Kabel, das der Länge nach 50-mal um einen 4,2 Meter langen Titanpol gewickelt ist. Das Kabel ist empfindlich, da es aus 40 verdrillten Drähten besteht, die mit spröden Niob-Zinn-Filamenten gefüllt sind. Wenn einer dieser Drähte verrutscht, könnte es zu einer Quetschstelle kommen, die die gesamte Spule gefährden würde.

Bei der kaputten Spule „mussten wir während des Wickelns zweimal einen Draht reparieren“, sagt Ambrosio. „Wir hatten also die Frage: Hat sich der Draht wieder bewegt?“

Verdächtiger Nr. 2: eine unerwartete Verzögerung.

Nach dem Wickeln verwandeln Techniker die Rohspule durch Wärmebehandlungen, Auftragen von Bindemitteln und Löten von Bauteilen in einen funktionsfähigen und robusten supraleitenden Magneten. Das Aufwickeln und Aushärten dauert normalerweise ein paar Wochen, aber ihr Opfer war zufällig eines, an dem sie arbeiteten, als COVID zum ersten Mal zuschlug.

„Wir begannen mit der Spulenfertigung und mussten sie dann zwölf Wochen lang unterbrechen“, sagt Ambrosio. „Das ist ziemlich ungewöhnlich … Aber hatte es Auswirkungen?“

Verdächtiger Nr. 3: eine gebrochene Symmetrie.

Die Fokussierungsmagnete waren Quadrupole, das heißt, sie bestanden jeweils aus vier separaten Spulen, die zu einem langen, hohlen Zylinder zusammengefügt waren. Wenn der Magnet mit vollem Strom eingeschaltet wird, ziehen elektromagnetische Kräfte mit einer Kraft von 100 Tonnen an den Enden der vier Spulen.

Das ist in der Regel kein Problem: Wenn der Magnet perfekt symmetrisch ist, sind die Kräfte gleichmäßig ausgeglichen und die starke Stützstruktur verhindert eine Beschädigung des empfindlichen Leiters. Aber was wäre, wenn sie es nicht gewesen wären?

Die Stützstrukturen verfügen über kleine Ausrichtungsspalte, um die Ausdehnung und Kompression des Materials beim Abkühlen und Erwärmen der Magnete auszugleichen. Ambrosio und sein Team stellten fest, dass sich die Ausrichtungslücken in der Stützstruktur der kaputten Spule geschlossen hatten, in den anderen drei jedoch offen geblieben waren. Hätte das die Spule verurteilen können?

Ein lockerer Draht. Eine unerwartete Verzögerung. Eine gebrochene Symmetrie. Ambrosio und sein Team hatten gegen jeden Verdächtigen Indizienbeweise gesammelt. Aber das war nicht genug. Sie brauchten eine Autopsie.

Wenige Monate nach dem ersten fehlgeschlagenen Test traf ein kleines, schweres Paket am Wareneingang des CERN ein. Der in Schaumstoff eingewickelte Inhalt war ein 20 Kilogramm schweres Stück der defekten Spule, die aus dem ersten Magneten herausgezogen worden war.

„Der Patient ist tot“, sagt Ambrosio. „Aber wir wollen für die Zukunft lernen.“

Wissenschaftler in den USA hatten Testdaten analysiert und Computersimulationen durchgeführt, um festzustellen, wo der schwerwiegende Fehler aufgetreten sein könnte. Jetzt war es an der Zeit zu sehen, ob ein kleines Team forensischer Physiker die drei führenden Theorien darüber, was schief gelaufen war, bestätigen oder ausschließen konnte.

Der erste Schritt bestand darin, die Spule zur CT-Untersuchung an ein Labor in Deutschland zu schicken. Ähnlich wie Ärzte CT-Scans verwenden, um nach verschobenen Wirbeln zu suchen, verwendete das Team CT-Scans, um den Verdächtigen Nr. zu untersuchen. 1: die Kabelwicklung.

„Auf der Höhe des Kabels sah es gut aus, also wussten wir, dass wir tiefer gehen mussten“, sagt Mickael Crouvizier, Materialtechniker am CERN.

„In die Tiefe zu gehen“ würde es ihnen ermöglichen, gegen den Verdächtigen Nr. 1 zu ermitteln. 2 und 3. Aber es wäre schwieriger. Crouvizier und Moros – die für die forensische Analyse verantwortlich waren – mussten die Spule durchschneiden und mehrere Proben entnehmen. Knicke, Kratzer und andere unvorhergesehene Schönheitsfehler, die in dieser Phase auftreten, könnten die Proben verunreinigen und den gesamten Vorgang beeinträchtigen.

Crouvizier und Moros verwendeten einen diamantbesetzten Draht, um die Spule langsam zu durchtrennen, und benötigten zwei Tage Polieren und Vorbereiten, um die Proben auf Hochglanz zu bringen.

„Es ist der Uhrmacherei sehr ähnlich“, sagt Crouvizier.

Dann kam die Analyse. Laut Moros bestand einer der schwierigsten Teile der Arbeit darin, zwischen dem Schaden, der die Spule zerstörte, und dem Schaden, der durch die bloße Vorbereitung der Probe entstand, zu unterscheiden. Sie versuchten, künstliche Intelligenz zu nutzen, aber es scheiterte. „Wenn Sie Kratzer haben, wenn Sie Oxidation haben, kann die KI das nicht erkennen“, sagt Crouvizier. "Es ist ein Albtraum."

Sie erkannten schnell, dass die einzige Möglichkeit, genaue Ergebnisse zu erhalten, darin bestand, die Analyse auf die altmodische Art und Weise durchzuführen: jeden Mikrometer der Proben visuell zu untersuchen. Crouvizier und Moros verbrachten mehrere Tage gebeugt vor einem Mikroskop. „Es ist nicht so sehr der Nacken, der schmerzt, sondern der Rücken“, sagt Moros.

Nachdem Ambrosio wochenlang keine schlüssigen Beweise gefunden hatte, hatte er eine Idee.

„Wir haben [die Spule] wie Salami durchgeschnitten – senkrecht zu den Drähten – und nichts gefunden“, sagt Ambrosio. „Aber was wäre, wenn wir es in Längsrichtung schneiden würden – entlang der Drähte?“

„Salami“-Schnitte sind optimiert, um nach Rissen zu suchen, die sich über die gesamte Länge der Drähte erstrecken. Aber schlimmere Schäden – ein Riss, der einen empfindlichen Faden in zwei Hälften zerreißt – sind bei einem Salamischnitt normalerweise unsichtbar.

Da Längsschnitte über die gesamte Länge des Drahtes verlaufen, können sehr kleine Risse sichtbar werden. Aber Längsschnitte sind sehr schwierig durchzuführen; Crouvizier und Moros müssten sehr präzise entlang von Submillimeter-Drähten schneiden, ohne die Beweise zu zerstören, nach denen sie suchten.

Crouvizier und Moros beschlossen, es zu versuchen.

Nach ein paar Wochen sah Crouvizier etwas Seltsames: ein Drahtstück, in dem jedem der mehreren Filamente ein Stück zu fehlen schien.

„Als ich die ersten Ereignisse sah, war ich mir nicht sicher, ob es sich um ein Artefakt vom Polieren oder etwas anderes handelte“, sagt Crouvizier. „Erst nachdem wir es an mehreren Proben wiederholt hatten und dasselbe sahen, wusste ich, dass wir etwas gefunden hatten.“ .“

Natürlich müssten sie die Analyse wiederholen und zu den „Salami“-Schnitten zurückkehren. „Die Salamistücke mussten nah am Untersuchungsort sein, aber nicht so nah, dass sie ihn zerstören würden“, sagt Ambrosio.

Unter dem Mikroskop konnten sie kleine Löcher erkennen, in denen die Drähte gerissen waren und zarte Niob-Zinn-Filamente herausgefallen waren. Jeder Schadenspunkt war fünfmal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares. Insgesamt fanden sie Hunderte von Rissen in einem Kabelsegment mit einer Länge von weniger als 2 Millimetern.

Waren die Tränen eine Folge des Verdächtigen Nr. 2, die Verzögerung im Spulenherstellungsprozess? Oder von Verdächtiger Nr. 3, eine gebrochene Symmetrie während der endgültigen Magnetmontage? Zur Identifizierung des Täters genügte der Ort des Schadens. Die Mikrorisse befanden sich alle in der Nähe der Verbindungsstelle, an der sich die Kabel um die Tragstruktur drehten. Dies sei laut Ambrosio der Fall, den die Computersimulationen vorhergesagt hätten, wenn die Spule aufgrund einer Asymmetrie überdehnt worden wäre.

„Es war der schlagende Beweis“, sagt Ambrosio. „Es war Verdächtiger Nr. 3."

Aber vermuten Sie nein. 2 war nicht aus dem Schneider. Ambrosio sagt, er glaube, dass veränderte Zeitpläne und Verfahren als Mittäter gedient haben könnten. „Aufgrund von COVID hat sich die Art und Weise, wie dieser Magnet zusammengebaut wurde, geändert“, sagt er. „Wir wollten nicht, dass die Leute nah beieinander sind, also haben wir sie weiter voneinander entfernt aufgestellt. Aber es ist viel schwieriger, etwas Symmetrisches zu machen, wenn man weit voneinander entfernt steht.“

Glücklicherweise waren dies die einzigen beiden Magnete, die den Testprozess nicht bestanden haben, und die Wissenschaftler konnten aus dem Vorfall lernen. „Nachfolgende Magnete weisen eine Design- und Verfahrensänderung auf, um dieses Problem zu verhindern“, sagt Ambrosio.

Auch der erste Magnet bekam eine zweite Chance. Da ein Quadrupolmagnet aus vier Spulen besteht – und nur eine dieser Spulen außer Funktion war – konnten die Wissenschaftler eine Transplantation durchführen und den Magneten wieder zum Leben erwecken.

„Wir haben eine neue Spule eingebaut, den Magneten erneut getestet und er hat sehr gut funktioniert“, sagt Ambrosio. „Das ist ein wichtiger Schritt, denn es zeigt, dass man nicht alles wegwerfen muss. Wenn es noch einmal passiert, können wir nur eine Spule ersetzen – nicht alle.“

Das US-Team plant, die Transplantation am anderen ausgefallenen Magneten zu wiederholen.

Moros und Crouvizier sagen, sie seien stolz auf die Ergebnisse der Untersuchung. „Ich habe wirklich das Gefühl, dass meine Arbeit nützlich ist“, sagt Moros. „Es war super herausfordernd, aber sehr motivierend.“

Laut Ambrosio war die Lösung dieses Falles nur dank des unerschütterlichen Engagements von Moros, Crouvizier und vielen anderen Kollegen in kooperierenden Laboren auf der ganzen Welt möglich.

„Teamwork ist der Schlüssel zum Erfolg, auch in einer Detektivgeschichte“, sagt er.

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