PICO kann nichts erschüttern

Ende 2008 rauschte ein Löschzug der werkseigenen Feuerwehr des Forschungszentrums Jülich mit Vollgas am Ernst-Ruska-Centrum vorbei. Doch es war kein Notfall, es gab kein Feuer zu löschen. Vielmehr handelte es sich um  einen Härtetest: Die Forscher des in der Planung befindlichen Laborneubaus wollten im Vorfeld der Bauausführung prüfen, ob das neue Elektronenmikroskop PICO durch den vorbeifahrenden 10-Tonner  erschüttert werden würde oder nicht.

Das im Februar 2012 eingeweihte Gerät erreicht eine Rekordauflösung von 50 Milliardstel Millimeter und ist damit in der Lage, einzelne Atome sichtbar zu machen. Scharfe Bilder liefert das Gerät allerdings nur dann, wenn auch kleinste Erschütterungen, die für Menschen nicht wahrnehmbar sind, vermieden werden. "Die Belichtungszeiten liegen in der Größenordnung einer Sekunde. Die Situation ist vergleichbar mit einer verwackelten Aufnahme einer Fotokamera", erläutert Karsten Tillmann, Geschäftsführer des Ernst-Ruska-Centrums. Auslöser für Erschütterungen gibt es reichlich. Wenige Kilometer entfernt reißen Bagger die Erde auf, um Braunkohle abzubauen; Lastwagen fahren durch die Straßen des Jülicher Forschungszentrum. Und in dem Gebiet zwischen Aachen und Bonn kommt es immer wieder zu leichten Erdstößen. Besonders der Tagebau mit seinen rotierenden Pumpen zur Entwässerung von Gruben und Verdichtung von Abraum sorgt für Schwingungen im tieffrequenten Bereich, auf die das Gerät besonders empfindlich reagiert.

Eine ganz besondere Konstruktion verhindert die Übertragung der Erschütterungen auf das Mikroskop. PICO schwingt frei, sein Boden ist vom Gebäude getrennt und ruht mit seinem ersten, 100 Tonnen schweren Fundament auf vier Luftkissen, die so groß sind wie Lkw-Räder. Darunter befindet sich ein zweites Fundament, ebenfalls 100 Tonnen schwer, das in eine Sandschicht eingebettet ist. Diese Anordnung dämpft alle über den Erdboden ankommenden Erschütterungen ausreichend ab. Um auch Schwingungen, die durch den Wind auf die Fassade übertragen werden, abzufangen, steht der eigentliche Mikroskopraum ebenfalls auf gedämpften Säulen und ist durch einen Luftraum von 50 Zentimetern vom Rest des Gebäudes getrennt.

Damit es überhaupt möglich ist, mit einem Elektronenmikroskop in die Welt der Atome vorzudringen, mussten die Wissenschaftler und Ingenieure zwei grundsätzliche Probleme lösen, die auch in der Lichtmikroskopie auftreten. Das eine ist der sogenannte Öffnungsfehler. Strahlen, die die unter großen Winkeln zur optischen Achse eindringen und die Linsenränder durchlaufen, werden stärker abgelenkt als Strahlen, die weitgehend zentral auf die Linse treffen. Der zweite Fehler ist die chromatische Aberration. Strahlen oder Elektronen mit unterschiedlicher Wellenlänge werden unterschiedlich stark gebrochen. Beide Effekte konnten die Konstrukteure durch zusätzliche elektromagnetischen Zerstreuungslinsen, die aus Dutzenden magnetischer und elektrostatischer Felder bestehen, beheben.

Entstanden ist so ein Elektronenmikroskop, das in Europa einzigartig ist. Weltweit besitzt nur die Universität Berkeley in Kalifornien ein vergleichbares Gerät. Das Forschungszentrum Jülich und die RWTH Aachen betreiben das Ernst-Ruska-Centrum gemeinsam. Die Anlage steht Wissenschaftlern und Industrie offen. Und dank der aufwändigen Konstruktion können die Wissenschaftler auch dann erschütterungsfrei weiterarbeiten, wenn die Feuerwehr bei einem echten Einsatz das Gebäude passiert.

So funktioniert PICO (Video)

Aufbau des PICO im Zeitraffer (Video)