Insel der Stabilität - wissenschaft.de
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Insel der Stabilität

Dubna: Im russischen Vorzeige-Teilchenlabor wird Unmögliches möglich. Das Vereinigte Institut für Kernforschung in Dubna bei Moskau erregt mit spektakulären Entdeckungen immer wieder internationales Aufsehen – wie mit der Synthese des schweren Elements 114. Jetzt wurde das Institut für den Friedensnobelpreis vorgeschlagen.

Alle älteren Gebäude in Dubna sind gelb. Ein erfrischender Farbton, zumindest in den Augen westlicher Wissenschaftler, die in den vergangenen Jahren die Stadt als attraktiven Tagungsort für ihre Fachkonferenzen entdeckt haben. Zwei Stunden mit dem Zug von Moskau entfernt, umgeben von Natur, mit romantischen Uferpromenaden und einem Badestrand an der Wolga. Dubna ist eine Insel, denn auch die Flüsse Dubna und Sestra sowie ein Kanal fließen um die Stadt herum. Stalins Geheimdienstchef Berija muß die sicherheitstechnischen Vorzüge dieser Lage geschätzt haben. 1947 entschied er, an diesem Ort eine geheime Wissenschaftsstadt von Zwangsarbeitern aus dem Boden stampfen zu lassen. Innerhalb kürzester Zeit errichteten sie Wohnhäuser, Wachzentralen und Forschungslabors. Die Gebäude strichen sie gelb – wie in allen russischen Atomstädten. Wie viele Zwangsarbeiter beim Bau der Stadt ums Leben kamen, ist nicht bekannt. „Es müssen mehrere tausend gewesen sein“, schätzt der Dubnaer Kernphysiker Dr. Andre Popeko. Nach zweieinhalb Jahren – rechtzeitig zu Stalins 70. Geburtstag – ging der erste sowjetische Teilchenbeschleuniger, das Phasotron, in Betrieb. Man wollte WasserstoffAtomkerne mit hoher Geschwindigkeit auf andere Atomkerne prasseln lassen, in der Hoffnung, daß möglichst viele von ihnen miteinander verschmelzen. Die Idee hatte der spätere Regimekritiker Andrej Sacharow entwickelt. Das Ziel war die Wasserstoffbombe. Doch der Wirkungsgrad der sogenannten Myon-Katalyse stellte sich als zu gering heraus. Kurchatow, der Leiter des Atombombenprojektes, verlagerte den Schwerpunkt der Waffenentwicklung in andere Atomstädte. In Dubna konzentrierte man sich auf Grundlagenforschung. 1956 wurde die Stadt geöffnet, Dubna tauchte erstmals auf Landkarten auf, und die Physiker durften ihre Ergebnisse veröffentlichen. Im Westen staunten die Wissenschaftler nicht schlecht, als sie erfuhren, daß der damals stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt, das Synchrophasotron, sich in der Nähe von Moskau befand. Aus der Stadt wurde das Internationale Vereinigte Institut für Kernforschung, an dem sich Physiker aus allen Staaten des Ostblocks beteiligten. Dubna war die sozialistische Antwort auf das Forschungszentrum CERN in Genf, wo zwei Jahre zuvor die Westeuropäer ihre Kräfte gebündelt hatten, um gigantische Beschleuniger für die Elementarteilchenphysik zu entwickeln. Heute beherbergt Dubna 6000 Mitarbeiter aus 18 Staaten. Das Institut gliedert sich in verschiedene Labors, die mehrere Beschleuniger für Teilchen- und Kernphysik sowie zwei Forschungsreaktoren betreiben. Weitere Schwerpunkte sind radiobiologische Untersu-chungen, Informatik und Theoretische Physik. Beim genaueren Hinsehen erkennt man große Unterschiede zwischen den einzelnen Labors. Nicht allen ist es in den vergangenen Jahren gelungen, die gesellschaftlichen Umbrüche zu verkraften und ihre Projekte den veränderten Bedingungen anzupassen. Das Labor für hohe Energien betreibt zwei große Teilchenbeschleuniger. Da ist zunächst das gigantische Synchrophasotron. 30000 Tonnen Stahl wurden in den Jahren 1949 bis 1957 hier verbaut. Zum Betrieb benötigt die Maschine zwölf Megawatt Leistung. Lange war sie das Vorzeigeobjekt des Instituts, heute ist sie eher als Technikmuseum geeignet. Ein neuer, großer Ringbeschleuniger namens Nuclotron steht direkt unter der alten Maschine im Keller des Gebäudes. Er arbeitet mit supraleitenden Spulen, braucht darum wesentlich weniger Platz und Strom. Doch seit Ende der achtziger Jahre hat sich dieses Projekt immer wieder verzögert. Erst 15mal haben die Physiker die halbfertige Maschine betreiben können, und da auch nur für einige Tage. Es fehlt an Geld und an wissenschaftlichem Nachwuchs. Ganz anders die Lage im Flerow-Labor für Kernprobleme, der berühmten Schmiede für neue chemische Elemente. Pro Kopf stehen den Wissenschaftlern hier etwa neunmal mehr Forschungsmittel zur Verfügung. „Wir haben Anfang der achtziger Jahre die Zahl unserer Projekte reduziert, und viele Leute haben ihre Position verloren“ , erinnert sich Andre Popeko. „Im Sozialismus bekam jeder seinen Arbeitslohn, einen Computer und Strahlzeiten am Beschleuniger – ganz egal, welche Ergebnisse er vorweisen konnte. Das ist heute nicht mehr so.“ Auch in Dubna müssen Wissenschaftler jetzt Forschungsanträge schreiben und Evaluationsprozeduren über sich ergehen lassen. In Popekos Labor hat man viel Zeit und Geld in die Entwicklung der neuen ECR-Ionenquelle gesteckt, ein Gerät mit dem man seltene Atomkerne in den Teilchenbeschleuniger schicken kann. Dabei muß die Ionenquelle besonders sparsam arbeiten: Die Kalzium-48-Atomkerne, mit denen Popeko arbeitet, sind alles andere als billig – ein Gramm kostet 220000 Dollar. Die neue Maschine ist inzwischen so gut, daß die Physiker mit einem Gramm etwa 3300 Stunden experimentieren können. Dabei sind Popekos Team drei aufsehenerregende Experimente geglückt: 1998 verschmolzen sie einen Kalzium-Atomkern mit einem Urankern zu Element 112. Im selben Jahr erzeugten sie das Element 114 aus der Vereinigung von Kalzium und Plutonium (bild der wissenschaft 3/1999, „Der Coup der Russen: Element 114″). Im vergangenen Frühjahr wiederholten sie dieses Experiment mit einer anderen Nachweisapparatur und einem etwas leichteren Plutoniumkern. Dieses zweite Element 114 verwandelte sich nach acht Sekunden in genau jenes Isotop des Elements 112, das sie ein Jahr zuvor nachgewiesen hatten – ein großer Erfolg. „In sowjetischen Forschungszentren war es nicht üblich, im Labor zu feiern“, erinnert sich Popeko. „Wir haben vier Kisten Sekt gekauft und unsere Techniker eingeladen, die am Beschleuniger arbeiten.“ Doch es gibt auch kritische Stimmen: Dr. Viktor Ninov, der deutsche Physiker, der im kalifornischen Berkeley die Elemente 116 und 118 herstellte (bild der wissenschaft 8/1999 „Neue Elemente“), hält die Nachweismethoden der Kollegen in Dubna zum Teil für unsicher. „Sie haben in erster Linie Spaltungen der Atomkerne registriert. Wirklich sicher sein kann man aber nur, wenn man eine längere Zerfallskette beobachtet, an deren Ende Atomkerne stehen, die man genau kennt.“ Auch der Kernchemiker Dr. Matthias Schädel von der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt ist skeptisch. „Sowohl bei den amerikanischen als auch bei den russischen Experimenten gibt es noch Fragezeichen.“ Geht man aber davon aus, daß die Wissenschaftler in Dubna ihre Ergebnisse in Zukunft weiter untermauern werden, so können sie eine nobelpreisverdächtige Entdeckung auf ihr Konto verbuchen: die „Insel der Stabilität“. Seit Jahrzehnten suchen Physiker nach besonders schweren künstlichen Atomkernen, die für Stunden oder Tage überleben. Die Mitte der Insel sollte erreicht sein, wenn ungefähr 114 Protonen und 184 Neutronen im Atomkern versammelt sind, sagen die Theoretiker. Die russischen Wissenschaftler sind gewissermaßen auf die Insel zugeschwommen und spüren nun erstmals Boden unter den Füßen: Es fehlen ihnen noch zehn Neutronen, je näher sie mit ihren Elementen an die geforderte Zahl herankommen, desto länger wird die Lebensdauer ihrer Atomkerne. „Die Lebensdauer der verschiedenen Isotopen der Elemente 114 und 112 steigt mit jedem zusätzlichen Neutron um etwa eine Zehnerpotenz“, betont Popeko. „ Vielleicht ist die alte Idee, daß es auch in der Natur superschwere Atomkerne gibt, doch nicht ganz abwegig.“ Der Erfolg der modernen russischen Alchimisten ist nicht zuletzt auf die intensive Zusammenarbeit mit ihren deutschen Kollegen zurückzuführen. Als an der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt die Elemente 107 bis 112 erstmals erzeugt wurden, waren die Forscher aus Dubna in der Regel beteiligt. Zur selben Zeit strukturierten sie ihr eigenes Labor neu und legten dort die Basis für weiterführende Experimente. Ein anderes Aushängeschild in Dubna ist der Neutronenreaktor IBR-2, der mit Plutoniumdioxid betrieben wird. Direkt vor dem Brennstoff drehen sich zwei große Rotoren aus Stahl sehr schnell in gegenläufiger Richtung. In dem Moment, wo beide Rotoren übereinanderliegen, reflektieren beide gemeinsam einen großen Teil von Neutronen, die aus dem Plutonium kommen, zurück in die aktive Zone. Der Reaktor wird für einen kurzen Moment überkritisch, es entsteht eine starke Kettenreaktion, und während sich die Rotoren weiterdrehen, verläßt ein kurzer hochenergetischer Neutronenstrahl den Reaktor. Diese weltweit einmalige Impulstechnik ermöglicht es den Wissenschaftlern, Materialien zu durchleuchten und mit höchster Präzision zu vermessen. Auch deutsche Forscher arbeiten hier. Ingenieure vom Fraunhofer-Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren in Saarbrücken und Dresden prüfen die Belastbarkeit spezieller Druckflaschen. Christian Scheffzük vom Geoforschungszentrum in Potsdam interessiert sich dagegen für Gesteinsproben. Er will die Gefahr von Erdbeben einschätzen. Dabei setzt er darauf, daß Gesteinsproben aus Bohrkernen Informationen über Spannungen in der Erdkruste in ihrer Kristallstruktur gespeichert haben. „Selbst mehrere Tage nach Entnahme der Probe erinnert sich das Gestein noch an seine Geschichte“, erklärt Scheffzük. Für seine Experimente nutzt er eine spezielle High-Tech-Schraubzwinge und simuliert den Druck in einer Tiefe bis zu fünf Kilometern. Mit den Neutronenstrahlen kann er die Abstände der Atome im Gestein vermessen und daraus Informationen über Richtung und Stärke von Spannungen in der Erdkruste gewinnen. Materialforscher hatten dieses Experiment für unmöglich gehalten. Die Proben würden zerbrechen, bevor man ihnen ihre Geschichte entlocken könnte, hieß es. Scheffzük ist der Gegenbeweis gelungen: Das Gedächtnis seiner Bohrkerne erwies sich als robust genug. In den nächsten beiden Jahren will er Proben aus erdbebengefährdeten Gebieten nach Dubna fliegen. „An anderen Forschungsreaktoren wie etwa in Grenoble hätte ich diese Untersuchungen nicht machen können“, betont Scheffzük. „Dort hätte man mir den Neutronenstrahl nur für einige Tage pro Jahr zur Verfügung gestellt.“ In Dubna kann er praktisch immer dann messen, wenn der Reaktor in Betrieb ist. Dafür nimmt er gern in Kauf, daß er sich mit veralteten Computern herumplagen muß und daß in seinem Labor gelegentlich die Steckdosen samt Leitungen von den Wänden fallen. „Uns steht jedes Jahr weniger Geld für den IBR-2 zur Verfügung“, klagt Alexander Winogradow, Chef des Reaktors. Für die Sicherheitssysteme reichten die Mittel noch, aber die dringend fällige Renovierung des Gebäudes könne man sich nicht leisten. Die Techniker arbeiteten in schmutziger Schutzkleidung, weil für Ersatz kein Geld da sei. Das Institut taumelt von einer Finanzkrise in die nächste, nicht zuletzt weil viele Mitgliedsländer des ehemaligen Ostblocks ihre Beiträge gar nicht oder nur unregelmäßig zahlen. Nur ein Land überweist pünktlich, jedes Jahr um die gleiche Zeit: die Bundesrepublik Deutschland. Das deutsche Forschungsministerium ist allerdings kein Vollmitglied in Dubna, denn es ist bereits im europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf engagiert. Nach dem Ende der DDR und der Umorientierung eines großen Teils der ostdeutschen Physiker in Dubna hat das Ministerium Sonderverträge mit dem Institut geschlossen: Mit zwei Millionen Mark pro Jahr werden gezielt diejenigen Projekte des Instituts gefördert, die für deutsche Forscher von Interesse sind: Dazu gehören die schweren Atomkerne, der Neutronenreaktor, Kooperationen von Theoretischen Physikern und der Bau von Komponenten, die für den neuen Beschleuniger TESLA des Forschungszentrums DESY in Hamburg gebraucht werden. „Die Zahlungen des Bundesforschungsministeriums in harter Währung haben das Institut mehrfach gerettet, insbesondere in den schweren Jahren von 1991 bis 1993″, erinnert sich Dr. Wolfgang Kleinig, der Sprecher der derzeit zwölf deutschen Wissenschaftler in Dubna. Er koordiniert auch das Heisenberg-Landau-Programm für den deutsch-russischen Austausch von Wissenschaftlern, das pro Jahr 80 gemeinsame Publikationen ermöglicht. Solche Projekte sind ein Grund dafür, daß aus Dubna nur wenige Wissenschaftler in den Westen abwandern. „Die russischen Wissenschaftler bleiben gerne zu Hause, solange sie eine sinnvolle Arbeit haben und das Geld für das Nötigste reicht“ , betont Kleinig. Bislang kann das Institut seinen Mitarbeitern dies bieten. Dubna ist darum, allen ökonomischen Katastrophen zum Trotz, eine Insel der Stabilität im Osten. Vielleicht erhalten die Physiker bald noch eine Finanz- und Prestigespritze aus Norwegen: Gemeinsam mit dem CERN ist das Institut für den Friedensnobelpreis vorgeschlagen worden. An diesen beiden Orten, so die Begründung, hätten die Teilchenphysiker in der Zeit des Kalten Krieges vorgeführt, wie friedlich Ost und West zusammenarbeiten können. „Wir sind jetzt zum dritten Mal auf der Kandidatenliste“, freut sich der Direktor des Instituts, Wladimir Kadyshevsky. „Die Wahrscheinlichkeit steigt, daß wir den Preis eines Tages bekommen.“

Jan Lublinski

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