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veröffentlicht am:

  • 17.07.2019
ATLAS-CERN-Collaboration

Prof. Dr. Michael Karagounis: „Diese Teile müssen unbedingt funktionieren“

Prof. Dr. Michael Karagounis: „Berkeley, Stanford, FH Dortmund.“ (Foto: FH Dortmund)

Die Fachhochschule Dortmund ist in das ATLAS-Forschungsnetzwerk des Europäischen Kernforschungszentrums CERN aufgenommen worden. Dieser Erfolg ist das Verdienst von Dr. Michael Karagounis, Professor für Elektrotechnik an der FH Dortmund.

Im Interview spricht er über seinen Beitrag zu zwei der wichtigsten physikalischen Experimente der Gegenwart, die Sexyness von Energieversorgung und einen wiederkehrenden Albtraum.

Professor Karagounis, die Aufnahme der FH Dortmund in das Atlas-Team am CERN klingt erst mal eindrucksvoll, auch für den Laien. Wie super ist die Nachricht für Sie als Fachmann?

Berkeley, Stanford, FH Dortmund.

Ein schöner Dreiklang.

Finde ich auch. In dieser Collaboration arbeiten Forscher*innen von 233 Hochschulen weltweit an einem der größten und wichtigsten Experimente der Teilchenphysik der Gegenwart. Die FH Dortmund ist die erste Fachhochschule in diesem Kreis, zu dem auch so klangvolle Namen wie das Berkeley National Lab und die Stanford University gehören.

Das ATLAS-Experiment

ATLAS war ursprünglich die Abkürzung für A Toroidal LHC ApparatuS und wird mittlerweile als Eigenname benutzt. Es ist der Name eines Teilchendetektors im Large Hadron Collider (LHC) von zylindrischer Form, 46 Meter lang und 25 Meter Durchmesser. Der Detektor wiegt 7000 Tonnen – so viel wie die Stahlkörper des Eiffelturms. Mehr als 3200 Mitarbeiter an 233 Hochschulen in 38 Ländern bilden das ATLAS-Forschungsnetzwerk, die ATLAS CERN Collaboration.

Das ATLAS-Experiment bildet mit dem CMS-Experiment zwei der wichtigsten und aufwendigsten Experimente, die am LHC des Europäischen Kernforschungszentrums CERN bei Genf durchgeführt werden. Einer der größten Erfolge des ATLAS-Experiments in Zusammenarbeit mit dem CMS-Experiment war der Nachweis des bis dahin nur vermuteten Higgs-Bosons, ein für die physikalische Erklärung der Masse wichtiger Bestandteil.

Ein wichtiger Forschungsbereich des ATLAS ist die Frage, warum die Masse-Unterschiede von Elementarteilchen so groß sind – das schwerste Elementarteilchen ist mindestens 200-Milliarden-mal schwerer als das leichteste. Wichtige Ziele des CMS-Experiments sind zum Beispiel das Studium der Kollision schwerer Ionen und die Entdeckung von Hinweisen aus bisher unbekannte Teilchen.


Wie sieht die Zusammenarbeit konkret aus?

Wir arbeiten an zwei Teilprojekten für das Experiment. Das eine ist ein Spannungsregler, der nötig ist, um die Module des Detektors in Reihe geschaltet betreiben zu können.

Warum ist das wichtig?

Aufgrund eines Upgrades, das gerade durchgeführt wird. Es ist so: Im Moment gibt es eine Milliarde Kollisionen pro Sekunde. Aber die für die Physik interessanten Ereignisse sind sehr, sehr selten, weil die meisten Arten von Kollisionen schon erforscht sind. Man muss also sehr lange warten, bis man ausreichend interessante Daten für die Statistik hat. Deswegen wird die Kollisionsrate erhöht, und der LHC und die Detektoren werden so umgebaut, dass sie höhere Raten verkraften können.

Bei den Detektoren macht man das, indem man die einzelnen Pixel verkleinert und gleichzeitig ihre Anzahl erhöht. Dadurch treffen dann – bei höheren Raten – zwar mehr Teilchen auf den Detektor, aber nicht mehr auf jeden einzelnen Pixel. Pro Pixel bleibt die Rate gleich.
Aber auch die Stromaufnahme pro Pixel bleibt gleich, mehr Pixel brauchen also mehr Strom. Und wenn wir mehr Strom brauchen, wird die Energieeffizienz schlechter. Das hat ein Maß erreicht, das man nicht mehr so lassen kann.

Was hat das mit der Reihenschaltung zu tun?

Unsere Überlegung ist die: Bei parallel geschalteten Verbrauchern summiert sich der aufgenommene Strom. Bei in Reihe geschalteten nicht. Dadurch bleiben die Leistungsverluste gleich, egal wie viele Verbraucher dranhängen. Ein enormer Vorteil also. Ich vergleiche das gern mit einer Lichterkette für den Weihnachtsbaum.

Wenn bei einer Lichterkette eine Lampe ausfällt, wird die ganze Kette dunkel. Besteht dieses Risiko auch beim Detektor?

Ja. Anders gesagt: Das Risiko, dass in so einem Fall größere Teile des Detektors nicht mehr sensitiv sind, steigt. Also muss man Risiko und Nutzen ausbalancieren. Man hat sich auf bis zu 14 Module pro Strang geeinigt.

Für diese Reihenschaltung braucht jedes Modul einen Spannungsregler, der den Strom, der bei dem Modul ankommt, in Spannung verwandelt – und den entwerfen wir hier an der FH Dortmund.

Leiterplatte mit einem Testchip (Mitte), in den der Spannungsregler integriert ist. (Foto: FH Dortmund / Tilman Abegg)

Ist der Regler einsatzbereit?

Er ist jetzt ausgereift. Jetzt sind wir gerade dabei, bis August/September eine vollständige Version in den Pixelchip zu integrieren. Dazu gehören sehr viele Simulationen, damit wirklich jeder denkbare Fall abgedeckt ist. Denn: Wenn das einmal installiert ist, muss das zehn Jahre lang in Betrieb bleiben. Das muss wirklich robust sein.

Sie haben also die Verantwortlichen des Experiments am CERN überzeugt, dass Sie das können, und deswegen ist die FH nun in die Collaboration aufgenommen worden?

Ja, genau. Es gibt zwei große Experimente am LHC, ATLAS und CMS, und der Regler wird auch im CMS-Experiment übernommen. Das heißt, wenn mein Regler nicht funktioniert, dann werden zwei große Experimente am CERN nicht mehr laufen.

Zwei Experimente, an denen viele tausend Forscher*innen an mehreren hundert Hochschulen auf der ganzen Welt seit Jahrzehnten arbeiten, sind auf die Qualität Ihrer Arbeit angewiesen. Können Sie noch schlafen?

Ich habe manchmal einen Albtraum: Ich wache auf, mache den Rechner an und lese auf Spiegel Online: LHC abgeschaltet wegen Energieversorgungsproblemen, und dann gehe ich in mein Büro und die Kollegen fangen an mich damit aufzuziehen – und dann wache ich meistens auf [er lacht laut]. Das habe ich letztens einem Kollegen am CERN erzählt und der sagte, er habe das gleiche, aber bei ihm war es kein Traum. Der konnte nicht aufwachen!

Die Zusammenarbeit in der ATLAS-Collaboration

Prof. Karagounis: Die Zusammenarbeit in diesem ganzen, großen System der vielen Hochschulen ist sehr kollaborativ, sehr verzahnt. Ein Beispiel sei die Strahlungfestigkeit der Chips.

An der FH Dortmund allein arbeiten Prof. Karagounis und sein Team an der Schaltungsentwicklung, der Entwicklung von Testsystemen und den Messplatinen als Sockel für die Chips. Weil die FH Dortmund jedoch nicht über eine Bestrahlungseinrichtung verfügt, schickt Prof. Karagounis die Chips und Platinen direkt ans CERN oder an das Physikalische Institut der Universität Bonn.

Dort werden die Chips bestrahlt, um ihre Strahlungsfestigkeit zu testen, und anschließend charakterisiert. Prof. Karagounis: Deren Forscher kennen sich mit der Dosierung besser aus. Die wissen zum Beispiel, wann eine lange, niedrige Bestrahlung erforderlich ist und wann eine sehr starke, plötzliche. Da stecken die Physiker besser drin als ein Ingenieur.

Die Strahlungsfestigkeit ist eine entscheidende Eigenschaft der Bauteile, sagt Prof. Karagounis: Über ihre Lebenszeit hinweg kriegen sie ein Gigarad an Strahlung ab, und das ist wirklich heftig. Zum Vergleich: In der Weltraumelektronik geht es um Strahlungsdosen im Kiloradbereich.


Das ist also wirklich mal passiert?

Ja. Energieversorgung ist nicht besonders sexy, macht sehr viele Probleme und man kriegt schnell den Schwarzen Peter. Wir müssen da einfach sehr gewissenhaft vorgehen.

Und Sie brauchen gute Nerven.

Ja, das hilft. Aber da will einem ja niemand etwas Böses.

Trotzdem, Ihre Teile müssen funktionieren.

Die müssen unbedingt funktionieren. Die sind auch sehr robust, es läuft alles sehr, sehr gut bisher. Aber man weiß immer erst, was es für Probleme gibt, wenn sie im echten Betrieb auch wirklich auftauchen.

Leiterplatte mit Prototyp des Pixelchips, in dem neben der Pixelelektronik auch der Spannungsregler integriert ist. Die Leiterplatte ist genauso groß wie die auf dem Foto darüber. (Foto: FH Dortmund / Tilman Abegg)

Der Spannungsregler ist das erste Projekt. Was ist das Zweite?

Das hängt eng mit dem ersten zusammen. Wir nennen es DCS, Detector Control System. Es geht darum, den Zustand des Pixeldetektors zu überwachen, und zwar vor allem den Spannungsabfall über die Module und die Temperatur.

Ursprünglich sollte es möglich sein, einzelne Module zu überbrücken, wenn sie ausfallen, um den Lichterketteneffekt zu vermeiden. Vor etwa zwei Monaten hat man sich aber dagegen entschieden.

Warum?

Sie müssen sich das so vorstellen: Da kommt ein Teilchen geflogen und trifft auf eine Speicherzelle. Die einfachste Zelle, um eine digitale Information zu speichern, ist ein sogenanntes Flip-Flop, das entweder Null oder Eins speichern kann. Das ist genau das Bit, das steuert, ob ein Modul überbrückt wird.

Es konnte nicht komplett ausgeschlossen werden, dass es auf Grund solcher „Single Event Upsets“ zu Problemen während des Betriebes kommt. Deswegen hat die Task Force sich dagegen entschieden. Trotz meiner Bedenken.

Wieso hatten Sie Bedenken?

Weil ich jetzt noch mehr Verantwortung habe. Vorher konnte ich sagen: Wenn der Regler mal spinnt, können wir das Modul ausschalten, und der Rest funktioniert. Jetzt habe ich diese Möglichkeit nicht mehr.

Die Dauer der Zusammenarbeit mit dem Forschungsnetzwerk

Die Aufnahme der FH Dortmund in das Forschungsnetzwerk ist befristet. Das hat den Vorteil, dass dafür weder Aufnahmegebühr noch jährliche Kosten anfallen und der laufende Betrieb nicht unterstützt werden muss – im Gegensatz zu unbefristet als Physik-Institut aufgenommene Hochschulen, die regelmäßig Physiker zum CERN schicken.

Die Mitgliedschaft läuft bis 2025. Für diese Mitgliedschaft sind Arbeitspakete definiert worden, und wenn die abgelaufen sind, endet die Mitgliedschaft. Prof. Karagounis: Aber dann wird sehr wahrscheinlich etwas Neues kommen – wenn man einmal drin ist, mit den Kollegen kollaboriert und seine Kompetenz gezeigt hat. Wir können davon ausgehen, dass das keine kurzfristige Sache ist.“


Lassen Sie uns gedanklich bitte mal vom LHC an die Oberfläche fahren und auf die Welt schauen. Wenn diese beiden riesigen Experimente fertig sind, was ändert sich dann? Was bringen die Experimente?

Die Frage ist berechtigt und nicht so leicht zu beantworten. Zunächst geht es um reinen Erkenntnisgewinn. Es ist kaum absehbar, dass diese Experimente kurz- oder mittelfristig zu Innovationen führen.

Aber: Es gab in der Tat schon bisher eine Menge Spin-Offs. Die Experimente bringen technische Herausforderungen mit sich, die von den Forschern gemeistert werden, und diese Ergebnisse lassen sich auf praktische Probleme übertragen.

Zum Beispiel?

Das Offensichtlichste ist die Erfindung des WWW durch den britischen Physiker und Informatiker Tim Berners-Lee. Ende der 80er-, Anfang der 90er-Jahre, als er am CERN arbeitete, entwickelte er eine Form der Datenübertragung zwischen den Wissenschaftlern des CERN. Daraus ging ein Datenprotokoll hervor, das noch heute im Internet eingesetzt wird.

Die Detektoren für ionisierende Strahlung sind auch etwas, das außerhalb des CERN angewendet werden kann, zum Beispiel in der Medizin für bildgebende Verfahren beim Röntgen oder beim Computertomografen.

Und die eigentlichen Experimente, ATLAS und CMS?

Die Teilchenphysik an sich ist etwas anderes. Sie müssen sich das vorstellen: Damit man diese Zustände erreicht, muss man so viel Energie da hineinpumpen – es ist nicht vorstellbar, dass so ein System mittelfristig, eigentlich auch nicht langfristig, praktisch angewendet werden kann.

Aber auf dem Weg dahin werden gute Leute ausgebildet, das ist eine wichtige Sache. Das CERN ist sehr, sehr vielfältig, da arbeiten Menschen aus sehr vielen Kulturen und Ländern zusammen.

Der eigentliche Sinn dieser großen Experimente ist zu verstehen, woraus Materie besteht. Was die Welt in ihrem Innersten zusammenhält. Das muss man doch wissen!

 


Das ATLAS-Team der FH Dortmund

  • An der FH Dortmund arbeiten neben Prof. Dr. Michael Karagounis die Doktoranden Alexander Walsemann und Jeremias Kampkötter für diese Collaboration. Ein weiterer Doktorand, Andreas Stiller, hat zwei Jahre lang wichtige Arbeit für das Projekt geleistet und kürzlich eine Stelle in der Industrie angenommen.
  • Außerdem beteiligt sind die Studenten Philipp Leduc, Aaron Bär, Hendrik Zorn, Florian Winkler, Maurice Bankowsky, Andreas Pille, Semih Yilmaz, Tobias Fröse und Armin Kuka.