China baut 192 Meter langes „Supermikroskop“ – es soll Batterien und Chips durchleuchten

Warum verliert eine Batterie mit der Zeit an Leistung? Was passiert im Inneren neuer Materialien, und wo entstehen winzige Strukturen oder Defekte, die später über ihre Eigenschaften entscheiden? Viele dieser Vorgänge spielen sich auf einer Skala ab, die selbst leistungsfähige gewöhnliche Mikroskope nicht mehr erfassen können.

In Hefei baut China deshalb eine Forschungsanlage, die wegen ihrer enormen Auflösungsmöglichkeiten auch als eine Art „Supermikroskop“ beschrieben wird. Herzstück der Hefei Advanced Light Facility (HALF) ist ein 192 Meter langer Linearbeschleuniger. Die Anlage soll extrem intensives Röntgenlicht erzeugen, mit dem Forscher unter anderem Batteriematerialien, Halbleiter und neue Werkstoffe untersuchen können.

Nun hat das „Supermikroskop“ einen wichtigen technischen Meilenstein erreicht. Wie das National Synchrotron Radiation Laboratory der University of Science and Technology of China (U STC) berichtet, durchlief am 20. September erstmals ein Elektronenstrahl den vollständigen Linearbeschleuniger. Die Elektronen wurden dabei auf 2,2 Gigaelektronenvolt beschleunigt. Nach Fertigstellung soll HALF weiches Röntgenlicht erzeugen, dessen Helligkeit und Kohärenz mehr als 100-mal höher liegen als bei Synchrotronquellen der dritten Generation.

Elektronen rasen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit

Der Linearbeschleuniger liefert die Elektronen für den nächsten Teil der Anlage. Über eine Transportstrecke gelangen sie in einen Speicherring, in dem sie nahezu mit Lichtgeschwindigkeit kreisen. Werden die Teilchen dort auf ihrer Bahn abgelenkt, entsteht intensive elektromagnetische Strahlung.

Für die Forschung ist vor allem ein Teil dieses Spektrums interessant: weiches Röntgenlicht. Es kann Informationen über Strukturen sowie elektronische, chemische und magnetische Zustände von Materialien liefern, die anderen Untersuchungsmethoden schwer zugänglich sind.

Nach dem erfolgreichen Test des Linearbeschleunigers beginnt nun die Inbetriebnahme der Einspeisung in den Speicherring. Erst wenn auch dieser Teil funktioniert, kann die eigentliche Lichtquelle schrittweise in Betrieb genommen werden.

Röntgenlicht soll mehr als 100-mal heller werden

HALF gehört zur vierten Generation von Synchrotronanlagen. Laut der offiziellen Projektbeschreibung von HALF soll das weiche Röntgenlicht der fertigen Anlage eine mehr als 100-mal höhere Helligkeit und Kohärenz erreichen als bei Synchrotronquellen der dritten Generation.

Helligkeit bedeutet bei einer solchen Anlage nicht einfach, dass etwas stärker beleuchtet wird. Ein intensiverer Strahl ermöglicht es, auch sehr schwache Signale zu messen. Eine hohe Kohärenz wiederum bedeutet, dass die Lichtwellen besonders gleichförmig aufeinander abgestimmt sind. Das ermöglicht hochauflösende Abbildungsverfahren.

Davon sollen mehrere Forschungsbereiche profitieren. Die Chinese Academy of Sciences (CAS) nennt unter anderem:

neue Energiebatterien und ihre Materialien,
Hochtemperatur-Supraleiter und andere neue Werkstoffe,
Anwendungen in Luft- und Raumfahrt sowie Biomedizin.

Auch Halbleiter gehören zu den Forschungsfeldern, für die solche Lichtquellen eingesetzt werden können. Dort lassen sich Strukturen und Materialeigenschaften auf sehr kleinen Skalen untersuchen.

Batteriematerialien lassen sich bis ins Detail untersuchen

Für die Batterieforschung sind vor allem die Eigenschaften der verwendeten Materialien entscheidend. Ihre chemischen und elektronischen Zustände beeinflussen, wie sie sich für Energiespeicher einsetzen lassen. HALF soll Wissenschaftlern ermöglichen, solche Eigenschaften mit weichem Röntgenlicht detailliert zu untersuchen.

Bei Halbleitern und anderen modernen Werkstoffen geht es ebenfalls um Strukturen, Zustände und Defekte auf kleinsten Skalen. Veränderungen, die mit gewöhnlichen Lichtmikroskopen nicht sichtbar sind, können für die Eigenschaften eines Materials entscheidend sein.

Steuersystem hält Elektronenstrahl extrem stabil

Eine Voraussetzung für die späteren Experimente ist ein möglichst stabiler Elektronenstrahl. Nach Angaben der USTC erreicht das eigens entwickelte digitale Steuersystem eine Amplitudenstabilität von weniger als 0,03 Prozent und eine Phasenstabilität von weniger als 0,03 Grad.

Die Universität berichtet zudem von mehreren eigens entwickelten Komponenten. Dazu gehört ein Festkörpermodulatorsystem, dessen Leistungsdichte nach Angaben der Entwickler doppelt so hoch liegt wie bei vergleichbaren Anlagen im In- und Ausland. Größe und Gewicht konnten zugleich reduziert werden.

Beim Bau kam außerdem Building Information Modeling, kurz BIM, zum Einsatz. Damit wurden Komponenten und Installationsschritte digital geplant und mögliche Probleme bereits vor der eigentlichen Montage überprüft.

HALF soll im Oktober 2028 fertig sein

Der Bau von HALF begann im Juni 2023 in Hefei, der Hauptstadt der ostchinesischen Provinz Anhui. Eine 2026 veröffentlichte technische Beschreibung im Fachjournal Photon Science nennt für HALF einen 2,2-GeV-Speicherring und zunächst zehn Experimentierstationen. Die Autoren geben Oktober 2028 als geplanten Fertigstellungstermin an.

Bis zur wissenschaftlichen Nutzung stehen noch mehrere Schritte bevor. Nach dem erfolgreichen Betrieb des Linearbeschleunigers arbeitet das Team nun an der Einspeisung der Elektronen in den Speicherring. Anschließend müssen der Ring selbst und die Experimentierstationen in Betrieb genommen werden.

Erst nach der Inbetriebnahme lässt sich messen, ob die Anlage die angekündigte mehr als 100-fache Helligkeit und Kohärenz gegenüber Synchrotronquellen der dritten Generation tatsächlich erreicht.

Kurz zusammengefasst:

HALF ist ein 192 Meter langes „Supermikroskop“, das mit intensivem Röntgenlicht kleinste Strukturen und Zustände in Batteriematerialien, Halbleitern und anderen Werkstoffen untersuchen soll.
Die fertige Anlage soll mehr als 100-mal höhere Helligkeit und Kohärenz als Synchrotronquellen der dritten Generation erreichen, erstmals wurde der Elektronenstrahl nun auf 2,2 GeV beschleunigt.
HALF soll im Oktober 2028 fertiggestellt werden; ob die angekündigte Leistung tatsächlich erreicht wird, lässt sich erst nach der Inbetriebnahme überprüfen.

Übrigens: Während Chinas „Supermikroskop“ kleinste Strukturen in Batteriematerialien untersuchen soll, können Forscher Akkus schon heute durch ihr Metallgehäuse hindurch analysieren, ohne sie zu öffnen. Selbst winzige Mengen des Elektrolyten lassen sich dabei nachweisen – mehr dazu in unserem Artikel.