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DESY News: Planeten-Simulator - Riesenpresse nimmt Betrieb auf

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25.01.2016
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Planeten-Simulator - Riesenpresse nimmt Betrieb auf

Größte Stempelzelle an einem Synchrotron weltweit

Eine neue Presse an DESYs Röntgenquelle PETRA III kann das Innere von Planeten simulieren und neue Materialien synthetisieren. Die sogenannte Riesenstempelzelle („Large Volume Press“, LVP) kann auf jeder ihrer drei Achsen einen Druck von 500 Tonnen ausüben. „Das entspricht dem 300 000-fachen atmosphärischen Druck oder den Druckverhältnissen 900 Kilometer tief unter dem Erdboden“, erläutert der zuständige DESY-Wissenschaftler Norimasa Nishiyama.

Die sechs Stempel der Presse können bis zum 300.000-fachen Atmosphärendruck erzeugen. Bild: DESY/Dirk Nölle
Die Presse ist 4,5 Meter hoch und wiegt 35 Tonnen. Je nach gewünschtem Druck können noch Proben mit einer Größe von bis zu einem Kubikzentimeter komprimiert werden, das ist ungefähr so groß wie ein normaler Würfel für Brettspiele und für Hochdruckexperimente enorm. „Unsere Presse ist weltweit die größte an einem Synchrotron“, betont Nishiyama.

Die Forscher nutzen das brillante Röntgenlicht von DESYs Synchrotron PETRA III, um in das Innere von Proben unter hohem Druck zu blicken und unter diesen Bedingungen Veränderungen zu untersuchen. „Wir können das Volumen nicht nur würfelförmig komprimieren, sondern auch verformen“, sagt Nishiyama.

Zusätzlich können die Proben auf mehr als 2000 Grad Celsius erhitzt werden. Das bietet die Möglichkeit, viele dynamische Prozesse im Innern von Gesteinsplaneten wie der Erde zu untersuchen. „Wir können beispielsweise seismische Aktivitäten und Vulkanismus simulieren“, sagt Nishiyama. „Mit der Presse können wir künstliches Magma erzeugen und beobachten, wie es fließt.“

Die Riesenstempelzelle ist 4,5 Meter hoch und 35 Tonnen schwer. Bild: DESY/Dirk Nölle
Während alternative Techniken wie Diamantstempelzellen einen noch höheren Druck erzeugen können, kann die Riesenpresse Proben mit außergewöhnlich großem Volumen komprimieren. Das ist nicht nur interessant für die Simulation von dynamischen Prozessen im Erdinneren, sondern auch für die Herstellung und Untersuchung von superharten Werkstoffen, die nur unter hohem Druck entstehen.

„Zum Beispiel künstlicher Diamant oder kubisches Bornitrid, nach Diamant das zweithärteste Material der Welt, oder Stishovit, das härteste Oxid“, sagt Nishiyama. Diese Verbindungen sind interessant für die industrielle Anwendung. „Auch viele neue Supraleiter können nur mit Hilfe eines solchen Geräts synthetisiert werden“, betont der Physiker.

Der Betrieb der Riesenstempelzelle wird noch etwas Übung erfordern, betont Nishiyama: „Noch nie hat jemand versucht, so ein Gerät an einem Synchrotron zu betreiben. Es ist einzigartig und auch eine Herausforderung.“

Die Installation der Hochdruckpresse wird im Rahmen des Projekts “Aufbau einer experimentellen Station mit einer großvolumigen Hochdruckapparatur an der Damping-Wiggler-Beamline des Deutschen Elektronen Synchrotrons" (Federführung Tomoo Katsura, Universität Bayreuth) vom Bundesforschungsministerium gefördert (Förder-Nr. KEI0500009612).

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