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Mobilität
Personen- und Güterverkehr bestimmen unser tägliches
Leben in einem Ausmaß, das früher undenkbar
erschien. Grundlage dieser Entwicklung sind enorme
Ingenieur-Leistungen, die zu immer schnelleren und
zuverlässigeren Transportmitteln führten - man denke
nur an die Entwicklung des Luftverkehrs. Möglich wurde
dies durch den Einsatz immer besserer Materialien,
wobei deren Potential immer häufi ger bis an die Grenzen
ausgereizt wird. Die Verkehrstechnik ist deshalb
nicht nur auf die Entwicklung neuer Materialien angewiesen,
sondern auch auf Methoden, die es erlauben,
ganze Bauteile zuverlässig unter realen Bedingungen
- auch unter Grenzbelastungen - zu testen. Insbesondere
müssen verlässliche experimentelle Daten gewonnen
werden, die zur Validierung von mathematischen Modellierungen
von Bauteilen, z. B. Finite-Elemente-Rechnungen,
herangezogen werden können. Damit können
dann belastbare Standzeiten für Maschinen festgelegt
werden.
Eigenspannungsanalyse
Insbesondere aufgrund ihrer Fähigkeit, tief in Metalle
einzudringen, wurden Neutronen in den letzten Jahren
für Ingenieure ein immer wichtigeres Werkzeug. Diese
Eigenschaft erlaubt zum Beispiel, Spannungszustände
auch im Inneren eines massiven metallischen Bauteils
quantitativ zu bestimmen. Ungünstige Verteilungen
solcher Spannungen sind häufi g Auslöser eines fatalen
Materialversagens.
ICE-Radbruch wäre vermeidbar gewesen
Ein Beispiel aus jüngster Vergangenheit stellt die
Erforschung der Ursachen eines Radbruchs an einem
ICE-Waggon dar. Dieser Radbruch führte zu einem der
schwersten Unglücke in der Geschichte der deutschen
Eisenbahn. Nach dem Unglück wurde der Radring des
ICE-Rades mit Neutronendiffraktometrie untersucht;
eine Zugspannung (blaue Zone in Abb. 3.5) wurde als
Ursache des Materialversagens identifiziert. Finite-
Elemente-Rechnungen hatten während der Entwicklungsphase
diese Gefahr nicht erkennen lassen. Eine
frühzeitige Untersuchung mit Neutronen während der
Testphase dieses Typs von Radreifen hätte den Unfall
aber verhindern können.
Diesel auch im tiefsten Winter
Ein interessantes Beispiel für die Bedeutung der Forschung
mit Neutronen für das tägliche Leben in einer
mobilen Gesellschaft ist die Entwicklung von speziellen
organischen Substanzen – Additiven – für Dieseltreibstoffe
(Abb. 3.6). Diese sorgen dafür, dass sich bei winterlichen
Temperaturen keine größeren Wachskristalle
bilden, die die Treibstofffi lter verstopfen können. Zusatz
von Polymeren fördert die Bildung vieler Kristallkeime
und verhindert so die Entstehung großer Aggregate. Die
Aufklärung dieses Wirkungsmechanismus und parallel
dazu die Optimierung der Additiv-„Rezeptur“ wurden
ganz wesentlich durch Neutronenstreuexperimente
vorangetrieben. In nur vier Jahren wurde Grundlagenforschung
in ein marktreifes Produkt umgesetzt! Heutzutage
fi nden sich diese Additive während der kalten
Jahreszeit in allen gängigen Dieseltreibstoffen.
Bildgebende Verfahren
Das hohe Durchdringungsvermögen gepaart mit
besonderer Empfi ndlichkeit für einzelne chemische
Elemente prädestiniert die Neutronen für tomographische
und radiographische Untersuchungen. Dies gilt
insbesondere für das zerstörungsfreie Sichtbarmachen
von Materialien, die leichte Elemente wie Wasserstoff,
Lithium oder Bor enthalten und sich im Inneren metallischer
Objekte befi nden. Ein Beispiel ist in Abb. 3.7
dargestellt. Es zeigt die Abgasleitung eines Flugzeugtriebwerkes,
in dem Öl- und Treibstoffreste gefährliche
Ablagerungen bildeten. Eine komplette Verstopfung
könnte zur Zerstörung des Triebwerks mit katastrophalen
Folgen führen. Die Ablagerungen konnten mit
Neutronentomographie detailliert abgebildet werden,
ohne die Abgasleitung aufschneiden zu müssen. Unterschiedliche
Farben in der Darstellung entsprechen dabei
unterschiedlichen Dichten. Über eine genaue Analyse
der Dichteunterschiede können Rückschlüsse auf die
Entstehungsgeschichte der Ablagerungen gemacht
werden, was wiederum für die Ursachenforschung
erheblich ist. Diese Untersuchungen wurden von der
britischen Flugunfallbehörde und der Flugzeugindustrie
in Auftrag gegeben.
a) Große Wachskristalle in Dieselöl
verstopfen die Düsen.
b) Zusatz von Polymer-Aggregaten.
Abb. 3.5. Eigenspannungsuntersuchungen an ICE-Rad.
Mit Neutronendiffraktometrie wurde nach dem verheerenden
Eisenbahnunglück von Eschede im Jahre 1998, das
durch einen Radbruch ausgelöst worden war, der Radring
des ICE-Rades untersucht. Die Zugspannung (blaue
Zone) wurde als Ursache des katastrophalen Materialversagens
identifiziert.
c) Die Polymer-Aggregate
fungieren als Nukleationszentren.
Abb. 3.6. Wirkungsweise der Dieselöl-Additive, deren Entwicklung
durch Neutronenstreuexperimente möglich gemacht wurde.
d) Viele kleinste Kriställchen ohne Verstopfungsgefahr.
Abb. 3.7. Öl- und Treibstoffablagerungen in der Abgasleitung
eines Flugzeugtriebwerkes.
Die Ablagerungen im Inneren der Abgasleitung konnten
durch Neutronentomographie zerstörungsfrei abgebildet
werden. Unterschiedliche Farben in der Darstellung entsprechen
dabei unterschiedlichen Dichten.
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