Direkter Draht ins Universum

Was hält unseren Kosmos im Innersten zusammen? Die Wissenschaftler am CERN suchen Antworten auf die grossen Fragen der Physik. Drahterosions- und Senkerodiermaschinen von GF Machining Solutions helfen dabei.

Said Atieh hat seinen Traumjob gefunden. „Ich bewege mich in einem Umfeld, das multikulturell und multidisziplinär ist“, schwärmt der Maschinenbauingenieur. „Hier am CERN sind viele Wissenschaften vertreten, und alle Kollegen arbeiten stets an der Grenze des Machbaren. Wir haben hier eine einzigartige Mischung aus Menschen, Kulturen und Fachdisziplinen beisammen. Die Summe ihrer Anstrengungen schafft exzellente Ergebnisse.“

CERN in Zahlen

Staaten sind heute am weltweit grössten Forschungszentrum für Teilchenphysik beteiligt. Das Jahresbudget für die Forschung beträgt 1,2 Mia. CHF.

Mitarbeitende sind fest am CERN beschäftigt.

Magnete beschleunigen im LHC die Teilchen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit.

Gastwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler aus aller Welt sind an den diversen CERN-Forschungsprojekten beteiligt.

Atieh arbeitet für die Europäische Organisation für Kernforschung in Meyrin nahe Genf (Schweiz), besser bekannt als CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Seit Gründung der Organisation im Jahr 1954 suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im weltweit grössten Forschungszentrum für Teilchenphysik nach Antworten auf die fundamentalen Fragen der Physik: Woraus besteht Materie? Welche Kräfte halten sie zusammen? Was geschah kurz nach dem Urknall?

Um Antworten auf diese Fragen zu finden, betreiben die CERN-Forscher gewaltige Teilchenbeschleuniger, die ihnen Einblicke in die Natur der Materie und die Kräfte im Universum ermöglichen. Viele wissenschaftliche Durchbrüche sind mithilfe der komplexen Anlagen in den letzten Jahrzehnten gelungen. Eine spektakuläre Entdeckung feierten die Forscher 2012: Damals wiesen sie zum ersten Mal die Existenz des Higgs-Teilchens nach, das allen Dingen im Universum ihre Masse verleiht.

Seit 1980 arbeitet das CERN mit GF Machining Solutions zusammen. Die Devise lautet, lösungsorientiert zu denken und zu entwickeln. Hier bei der Arbeit: das Team der Hauptwerkstatt des CERN um Said Atieh (2. v. l.) mit Patrick Debonneville, Sales Engineer bei GF Machining Solutions (r.).

Kälter als im Kosmos

Seit 2010 betreiben die CERN-Forscher den Large Hadron Collider (LHC), den grössten Teilchenbeschleuniger der Welt. Er ist in einem kreisförmigen Tunnel mit 27 Kilometer Umfang untergebracht und verläuft in 100 Meter Tiefe sowohl unter schweizerischem als auch französischem Gebiet. Der LHC hat einige Superlative zu bieten: Einer davon ist, dass in den Magneten, die die Teilchen auf ihrer Kreisbahn halten, eine Temperatur von minus 271 Grad Celsius herrscht – kälter als im Kosmos. Bau und Betrieb einer Anlage wie des LHC erfordern die besten Maschinen und Materialien, die auf dem Markt verfügbar sind – und kreative Ingenieure und Techniker. Hier kommt Said Atieh ins Spiel: Er leitet die CERN-Hauptwerkstatt mit 50 Mitarbeitenden, wo Prototypen für neue LHC-Komponenten entstehen.

Am CERN suchen Wissenschaftler Antworten auf die grossen Fragen der Physik. Dabei helfen ihnen der grösste Teilchenbeschleuniger der Welt und andere Maschinen. Sehen Sie beeindruckende Bilder davon im Video.

Schnell und präzise

Kein Wunder, dass das CERN für GF Machining Solutions ein ganz besonderer Kunde ist. „Weil die Techniker und Wissenschaftler hier immer am Limit arbeiten, benötigen sie auch Maschinen auf dem neuesten Stand der Technik“, sagt Patrick Debonneville, der seit 41 Jahren bei GF Machining Solutions arbeitet und seit 1995 als Sales Engineer im Bereich Electrical Discharge Machining (EDM) tätig ist.

Das CERN arbeitet bereits seit 1980 mit GF Machining Solutions zusammen: Damals kaufte das Forschungszentrum die erste Drahterosionsmaschine, 1998 folgte ein neueres Modell. Als sich dessen Nutzungsdauer dem Ende näherte, unterstützte Patrick Debonneville 2018 Said Aiteh bei der Anschaffung einer neuen Maschine vom Typ CUT P 800. Dabei brauchte es Geduld, bis auf jede Frage eine Antwort gefunden war – technologisch und wirtschaftlich.

Im Inneren der Maschine springen zwischen einem dünnen Draht und dem Werkstück 600’000-mal pro Sekunde elektrische Funken über, wodurch punktuell eine Temperatur von rund 15’000 Grad Celsius entsteht. „So lassen sich Metalle viel präziser schneiden als mit einer Fräsmaschine“, erklärt Debonneville.

Ein Mitarbeiter des CERN überprüft die Einstellungen der CUT P 800. Die Drahterosionsmaschine schneidet Metalle präziser als eine Fräsmaschine.

Die CERN-Forscher versuchen, den Bedingungen im Kosmos so nahe wie möglich zu kommen. Dafür nutzen sie Teilchenbeschleuniger, für deren Betrieb mitunter filigrane Bauteile notwendig sind.

Exotische Materialien

Am CERN arbeiten die Techniker in der Werkstatt oft mit exotischen Materialien. Dazu zählt etwa das Metall Niob, welches über die hohe Leitfähigkeit verfügt, die zur Erzeugung hoher Magnetfelder nötig ist. „Wir brauchen neue Komponenten aus Niob, um den LHC in Zukunft noch leistungsfähiger zu machen oder völlig neue Teilchenbeschleuniger zu bauen“, erklärt Atieh. „Dafür müssen wir präzise sehr filigrane Bauteile wie zum Beispiel Hohlraumresonatoren für den Ausbau des LHC herstellen – die perfekte Aufgabe für Drahterosionsmaschinen.“

Allerdings waren einige Anpassungen an der Technik nötig, schliesslich schneiden fast alle anderen GF Kunden damit eher gängige Materialien wie Stahl, Aluminium oder Titan. Aufgrund des Verhaltens des Materials Niob bei der Bearbeitung mussten die Applikationsspezialisten von GF Machining Solutions einige Eigenschaften der Maschine wie die Spannung des Drahtes oder die Frequenz der elektrischen Spannung anpassen, damit sie die spezifischen Bedürfnisse des CERN erfüllen konnte. Zwei Jahre lang tauschten Said Atieh und Patrick Debonneville dafür Anforderungen und Lösungsvorschläge aus. Im März 2021 war es so weit: Die neue CUT P 800 wurde an die Hauptwerkstatt des CERN geliefert. Dort wird sie in den nächsten 20 Jahren ihren Betrag dazu leisten, die grossen Fragen der Physik zu beantworten.

Nobelpreise

1984: Die CERN-Forscher Carlo Rubbia und Simon van der Meer erhalten den Physik-Nobelpreis für die Entdeckung der W- und Z-Teilchen.
1992: Georges Charpak erhält den Physik-Nobelpreis für die Entwicklung von Teilchendetektoren.

Extreme Leere

Das Vakuum im Inneren des LHC ähnelt der Leere im All. Diese Versuchskonstellation stellt sicher, dass die umlaufenden Teilchen nur mit ihresgleichen zusammenstossen und nicht mit Luftmolekülen. Dafür ist allerdings ein grosser Aufwand erforderlich: Fast zwei Wochen dauert es, bis Spezialpumpen den Teilchenbeschleuniger so luftleer wie möglich gepumpt haben.

CUT P 800: Die Drahterosionsmaschine erkennt automatisch das eingesetzte Material, stellt entsprechende Parameter ein und bietet höchste Präzision.

Zur Erzeugung von Magnetfeldern im Teilchenbeschleuniger setzen die CERN-Forscher Niob ein. Das seltene Schwermetall hat eine sehr hohe Leitfähigkeit.

Für den Ausbau des Teilchenbeschleunigers muss das CERN sehr filigrane Bauteile wie zum Beispiel Hohlraumresonatoren herstellen. Das ist die perfekte Aufgabe für Drahterosionsmaschinen.

Patrick Debonneville, Sales Engineer im Bereich Electrical Discharge Machining (EDM) bei GF Machining Solutions (r.), im Gespräch mit zwei CERN-Mitarbeitenden der Hauptwerkstatt.

Mit einem Durchmesser von 15 Metern, einer Länge von 21 Metern und einem Gewicht von 14’000 Tonnen ist der Compact Muon Solenoid der schwerste Detektor, der jemals an einem Teilchenbeschleuniger gebaut wurde.

„Wir kennen und vertrauen uns schon lange“

Said Atieh leitet die Hauptwerkstatt des CERN in Meyrin nahe Genf. Der Maschinenbauingenieur über seine Aufgabe im europäischen Forschungszentrum und die langjährige Zusammenarbeit mit GF Machining Solutions.

Said Atieh (r.) arbeitet für die Europäische Organi-sation für Kernforschung in Meyrin nahe Genf (Schweiz).

Welche Rolle spielt Ihre Werkstatt für das CERN?

Wir sind Teil des Engineering-Departments, das für Design, Herstellung und Qualitätssicherung von neuen Komponenten der Teilchenbeschleuniger oder -detektoren verantwortlich ist. Zu uns kommen Wissenschaftler und Techniker des CERN mit Ideen für Prototypen, die wir dann nach ihren Vorgaben mit unseren Maschinen bauen. Das hat hier eine sehr lange Tradition: Unsere Werkstatt war Ende der 1950er-Jahre eines der ersten Gebäude überhaupt auf dem CERN-Gelände, worauf wir bis heute sehr stolz sind.

Wie unterstützt GF Machining Solutions Sie bei Ihrer Arbeit?

Wir benötigen Maschinen, mit denen wir höchste Präzision bei der Bearbeitung teils exotischer Materialien wie Niob sicherstellen können. Zugleich dürfen unsere Maschinen aber keine massgeschneiderten Einzelstücke sein. Wir setzen auf Industriestandards, denn unsere Prototypen sollen später auch von Unternehmen aus den CERN-Mitgliedsstaaten auf den gleichen Maschinen in grösseren Stückzahlen gefertigt werden. GF bietet uns beides: hervorragende Qualität der Maschinen und der Bearbeitung sowie ihren weltweiten Einsatz in der Industrie.

Was schätzen Sie an der Zusammenarbeit?

GF Machining Solutions ist für uns ein wichtiger Partner. Wir kennen und vertrauen uns schon lange. Neben der Qualität der Produkte schätzen wir auch den proaktiven und sehr zuverlässigen Service: Falls wir Unterstützung brauchen, ist immer schnell ein GF Experte vor Ort. Ausserdem verstehen unsere Ansprechpartner sehr genau, was wir brauchen. Bei unseren sehr speziellen Anforderungen ist das nicht selbstverständlich.