UHPS Mineralguss hilft das Innere der Materie zu entschlüsseln

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Eine neue Anlage im Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY hat eine neue Tragstruktur benötigt. Die Wahl fiel auf Nanodur-Beton, ein zementgebundener Mineralguss, der ein E-Modul von 80.000 MPa aufweist.

In einem 3,5 Kilometer langen unterirdischen Tunnelsystem steht der European XFEL. Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg zählt zu den weltweit führenden Beschleunigerzentren zur Erforschung von Materie. Die milliardenschwere Großforschungseinrichtung mit DESY als Hauptgesellschafter wird seit 2017 betrieben und kontinuierlich weiterentwickelt und ausgebaut. Mit den Großgeräten von DESY erkunden Forschende kleinste Materieteilchen in ihrer ganzen Vielfalt – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen über das Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe bis hin zur Gestalt des Coronavirus.

Bis zu 27.000 ultrakurze Laserlichtblitze pro Sekunde

Die Beschleunigeranlagen wie auch die Messinstrumente entwickelt und baut die DESY selbst: Die Beschleunigeranlagen bringen Teilchen auf fast Lichtgeschwindigkeit, erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt und bringen neue Einsichten für Materialforscher, Chemiker und Biologen. Dabei erzeugt der Röntgenlaser bis zu 27.000 ultrakurze Laserlichtblitze pro Sekunde im Röntgenbereich. Damit können zukünftig chemische Reaktionen gefilmt oder Nanowerkstoffe detailgenau aufgenommen werden.

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Der feine Elektronenstrahl ist nur wenige Nanometer dick. Um nun das Röntgenlaserlicht für die Messungen zu erzeugen, sind in der Forschungseinrichtung supraleitende Beschleunigerstrecken, Vakuumrohre, Undulatoren und andere Spezialgeräte erforderlich. Eines davon ist eine sogenannte Wakefield-Struktur. Diese 5 m lange Wakefield-Struktur muss für eine uneingeschränkte Funktion extrem gerade auf einer Tragstruktur, dem Girder, aufgebaut werden.

Gesucht: Nicht magnetisierbar Tragkonstruktion

Die Anforderung: Der Girder muss weitestgehend metallfrei sein. Zudem muss er eine hohe Stabilität und Eigensteifigkeit sowie eine gute Schwingungsdämpfung aufweisen. Das 5,25 m lange Bauteil muss robust und nicht zu schwer sein, damit die im Labor vorab komplett aufgebaute und überprüfte Konstruktion gefahrlos mit einem Gabelstapler im engen Tunnel rangiert und passgenau auf vorbereiteten Betonsockel abgesetzt werden kann. Die Techniker von DESY suchten nach einer Tragkonstruktion, die nicht magnetisierbar ist. Damit schied Grauguss und Stahl aus, Edelstahl ist jedoch sehr teuer. UHPC ist als zementgebundener Mineralguss rein mineralisches und damit geeignet.

Dämpft störende Schwingungen aus

Über eine Internetrecherche nach alternativen Materialien fiel die Wahl auf das Material Nanodur-Beton E80 der Firma Durcrete aus Limburg. „Wir haben eine sorgfältige Marktrecherche unternommen. Überzeugt hat uns schlussendlich der hohe E-Modul von 80.000 MPa des kalterhärtenden Gusswerkstoffes, das ist auf dem Markt einzigartig“, verrät Daniel Thoden vom DESY. Durch den mit Aluminium vergleichbaren E-Modul ist der Girder sehr steif, dämpft störende Schwingungen jedoch besser als Strukturen aus Metall. Der Girder ist mit knapp 2 Tonnen gleichzeitig deutlich leichter als vergleichbare Metallkonstruktionen. Trotzdem kann der Träger nur mit einem Gabelstapler in einer engen Röhre transportiert und montiert werden. Gelöst wurde diese Herausforderung, indem die geometrischen Maximalmaße festgelegt wurden und gleichzeitig alle Anforderungen an die Steifigkeit und Vibrationsdämpfung erfüllt wurden.

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Die kaltehärtende, selbstverdichtende Gießmasse muss nicht gerüttelt werden, so dass mit einer einfachen, kostengünstigen Holzform eine ausreichende Allgemeintoleranz erreicht wurde. Für die Auflagerflächen der Wakefield-Struktur wurden vorab bearbeitete nicht magnetisierbare Edelstahlplatten in den Beton miteingegossen. Nach dem Aushärten wurden die Elemente noch im Werk mit einem 2-K-Epoxidharzlack im Spritzverfahren lackiert. Innerhalb von 10 Wochen wurde die Form gebaut, von DESY-Mitarbeitern abgenommen und das Einzelstück komplett gefertigt. „Nur 4 Wochen vom Erstkontakt, über die technische und preisliche Optimierung bis zur Bestellung. Ein derartiges Tempo legen nur wenige Industriebetriebe in Deutschland vor“, sagt Bernhard Sagmeister, Geschäftsführer von Durcrete, stolz.

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