Anwendungen in Medizin, Technik und Forschung

Wenn Ärzte innere Organe untersuchen, Archäologen Schriftrollen datieren oder Computerhersteller Prozessoren fertigen, greifen sie häufig auf Methoden zurück, die unmittelbar auf den Erkenntnissen der Hadronen- und Kernphysik beruhen.

Die gesellschaftliche Relevanz der Hadronen- und Kernphysik reicht weit über die Grundlagenforschung hinaus. Ihre Methoden haben längst Eingang gefunden in die Medizintechnik, Materialforschung, Produktions-, Energie- und Sicherheitstechnik und zahlreiche andere Wissenschafts- und Wirtschaftsbereiche. So werden mithilfe von Beschleunigern beispielsweise maßgeschneiderte Radionuklide für die Untersuchung praktisch aller menschlichen Organe hergestellt – eine kaum zu überschätzende Hilfe für die medizinische Diagnostik.

In der biologischen Forschung werden Radionuklide eingesetzt, etwa um Vorgänge und Strukturen in Zellen sichtbar zu machen. Neue bildgebende Verfahren beruhen auf der direkten Visualisierung kernphysikalischer Prozesse, wie die Positronen-Emissions-Tomografie (PET) und die Kernspin- oder Magnetresonanztomografie (MRT). Beide Verfahren sind aus der medizinischen Diagnostik nicht mehr wegzudenken.

Neue Methoden in der Medizin

Für die Bestrahlung schwierig zu behandelnder Tumore werden zunehmend Protonen und seit wenigen Jahren auch Kohlenstoffionen eingesetzt. Der Vorteil gegenüber den üblichen Gammastrahlen besteht darin, dass diese Teilchenstrahlen den Großteil ihrer Energie erst am Ende ihrer Reichweite im Gewebe abgeben. Die Reichweite ist abhängig von der Energie und kann daher mithilfe des Beschleunigers so eingestellt werden, dass die Teilchen im Tumor gestoppt werden und ihn zerstören. So wird das umliegende gesunde Gewebe geschont.

Durch Ablenkung des Strahls und Variation seiner Energie wird das Volumen des Tumors vollständig und exakt abgerastert. Diese Rastertechnik mithilfe von Magnetfeldern haben Forscher am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung entwickelt. Dort wurden seit 1997 rund 440 Patienten mit Tumoren vorwiegend an der Schädelbasis mit Kohlenstoffionen bestrahlt. Seit 2009 ist das Verfahren routinemäßig am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) im Einsatz. Dort lassen sich jährlich etwa 1300 Patienten behandeln.

Die Himmelsscheibe von Nebra

Archäologie, Kulturgeschichte und Kunst

Die Radiokarbondatierung mit Kohlenstoff-14 wird seit langer Zeit routinemäßig genutzt, um das Alter abgestorbener, organischer Substanzen innerhalb eines Zeitraums von vielen tausend Jahren präzise festzustellen. Speziell die Entwicklung der Beschleuniger-Massenspektroskopie ermöglicht es heute, kleinste Proben zu analysieren und somit archäologische Objekte, Grabfunde wie die Gletschermumie Ötzi, Kunstwerke oder kulturgeschichtlich bedeutsame Objekte wie das Turiner Grabtuch zerstörungsfrei zu datieren.

Protonen- und Ionenstrahlen erlauben es, ohne Probenentnahme Informationen über Materialien und deren chemische Zusammensetzung zu erhalten. Durch die zerstörungsfreie Ionenstrahlanalyse gelingt es zum Beispiel, Schichtabfolgen kunstgeschichtlicher oder archäologischer Gegenstände zu identifizieren, Kenntnis über verwendete Pigmente zu erhalten oder in tieferen Lagen versteckte Strukturen sichtbar zumachen.

Materialforschung und Festkörperphysik

Durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen – Protonen, Neutronen, Ionen – lassen sich mikroskopische und makroskopische Materialeigenschaften verändern. Deswegen sind Ionenstrahlverfahren in unserer technologisch hochentwickelten Gesellschaft nicht mehr wegzudenken und werden in zahlreichen industriellen Bereichen routinemäßig eingesetzt. Sie sind insbesondere unverzichtbar, um Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften herzustellen.

Dazu gehört das Dotieren von Halbleiterelementen, das Härten metallischer Werkstoffe oder die hochpräzise Bearbeitung von Festkörperoberflächen. Ionenstrahlen lassen sich sehr exakt ausrichten und ihre Energie lässt sich genau einstellen. Deshalb sind sie auch ein wichtiges Werkzeug zur Synthese von Nanostrukturen für neuartige Anwendungen wie elektronische, optische, optoelektronische oder sensorische Bauteile.

Raumfahrttechnik im Praxistest

Simulation kosmischer Strahlung

Beschleunigeranlagen bieten zudem einzigartige Möglichkeiten zur Simulation kosmischer Teilchenstrahlung. Für Weltraummissionen werden strahlenunempfindliche Komponenten und elektronische Bauteile benötigt, beispielsweise für die zuverlässige Datenübertragung. Diese Geräte werden im Labor in Bestrahlungsexperimenten getestet, indem sie mit Ionen beschossen werden, wie sie in der kosmischen Strahlung vorkommen. Für die bemannte Raumfahrt sind zudem systematische Untersuchungen an biologischen Zellen unverzichtbar, um vorab Risiken und Strahlenschäden bei Langzeitmissionen abzuschätzen.

Geowissenschaften, Umweltphysik und Klimaforschung

Das Alter von Gesteinen, Sedimenten, Meteoriten und der Erde selbst kann mit Hilfe langlebiger radioaktiver Nuklide präzise bestimmt werden. Erosionsraten sowie Vorgänge in der Atmosphäre lassen sich durch die Analyse spezifischer Radionuklide wie Beryllium-10, Aluminium-26 und Mangan-53 über einen weiten Zeitbereich verfolgen. Die Massenspektrometrie wurde mithilfe von Beschleunigern zu einer hochempfindlichen Technik weiterentwickelt, die es erlaubt, winzige Konzentrationen von Spurenelementen oder Schadstoffmolekülen in Erde, Wasser und Atmosphäre nachzuweisen bis weit unter eine relative Konzentration von 10^-15, das entspricht einem Atom oder Molekül pro eine Trillion anderer Teilchen. Im Bodensee ließe sich mit der Methode beispielsweise noch Alkohol nachweisen, selbst wenn man nur ein einziges Glas davon hineingeschüttet hätte.

Für die Klimadiskussion sind Erkenntnisse, die mit kernphysikalischen Methoden gewonnen werden, ganz wesentlich. In mächtigen Eisbohrkernen der Arktis und Antarktis wird aus dem Isotopenverhältnis von Sauerstoff-16 und Sauerstoff-18 die mittlere Jahrestemperatur über einen Bereich von vielen tausend Jahren genau analysiert. Die Daten erlauben es unter anderem auch, langfristige Änderungen der Sonneneinstrahlung und deren mögliche Auswirkung auf das Klima der Erde in der Vergangenheit festzustellen.