Außer Betrieb für Erweiterung!

Der Lego Assembled Toy Accelerator „LAToyA“ ist derzeit wegen Bauarbeiten zur Erweiterung außer Betrieb. Aktuell wurde die Baustelle eingerichtet, der Vorbeschleuniger für das Upgrade demontiert. So langsam trudeln auch die Lieferungen der Bauteile ein – die allermeisten Bauteile, die ich für die gegenläufige Erweiterung und die Experimente verwenden werde, sind gebrauchte Lego-Teile, die ich über Bricklink beziehe. Kaum eines der Teile kommt „neu“ ins Haus, zumal die gebrauchten genauso gut und zudem günstiger sind. Allerdings ist durch die Menge ungewöhnlicher Teile notwendig, von mehreren Verkäufern Teile zu beziehen.

Was mich ein bisschen verblüfft hat, war die Tatsache, dass an einen blauen Technic-Stein, 1×2 Noppen, normale Höhe, aber zwei Löchern statt nur einem für Achsen oder Pins, nur äußerst schwer heranzukommen war. Auch 1×1-Steine in durchsichtigem Rot sind derzeit in Deutschland entweder nur in kleinen Mengen bei unterschiedlichen Shops oder ziemlich teuer zu bekommen. So werden es doch ein paar mehr Sendungen, als ich mir das eigentlich gewünscht hätte. Aber es kommt zusammen – die ersten Pakete sind angekommen, auf Vollständigkeit geprüft, die Verkäufer haben ihr positives Feedback bekommen und nun harre ich der restlichen Sendungen.

Die Baustelle – Teile für die Experimente und Erweiterungen stapeln sich bereits, aber da kommt noch eine Menge mehr. Im Vordergrund der bereits zusammengebaute Transmutations-Forschungsreaktor FaNTASy und das Betriebsbuch.

Bis jetzt lief die Teilebeschaffung sehr gut – Fehler gab’s so gut wie keine in den Sendungen, die Verkäufer haben schnell versandt. Als Unterlage der Baustelle fungiert bereits jetzt die blaue Acrylglasplatte, die ich für den Beschleuniger beschafft habe – denn: Als ich mein geplantes Projekt im Programm Studio mal vermaß, musste ich feststellen, dass es 120 Zentimeter breit und über einen Meter lang ist! Unser Tisch misst aber nur 95 Zentimeter in der Breite. Also musste ich aufstocken.

In Zahlen: Der fertige Beschleuniger mit allen Experimenten wird 120 Zentimeter breit, 105 Zentimeter lang und 25 Zentimeter hoch sein. Das Gewicht liegt nach der Prognose von Studio bei etwa sechs Kilogramm, es sind zwischen 5000 und 6000 Teile, die in der Maschine stecken. Verbaut sind dann zwei 9V-Motoren, eine normale und eine regelbare Akku-Box, mehr als 100 Bauteile von STAX für Beleuchtung und andere Gimmicks. Vom 1×1 Plates und 1×1 Tiles bis hin zu 16×8 Plates und den großen 6×6 Panels als Scheiben sind diverse Größen dabei.

Auch wenn ich als Kind mit umfangreich zusammengeworfenen Lego-Space-Sets aus klassischen Serien, den beiden Blacktron- und den beiden ersten Space-Police-Generationen sowie M-Tron und der ersten Monorail aus den Achtzigern in der Mitte meines Zimmers auf 6×3 Grundplatten viel gebaut habe, bin ich fest davon überzeugt, dass LAToyA CoRE mit seinen fünf Experimenten und drei Service-Einrichtungen das größte Lego-Projekt ist, mit dem ich mich jemals befasst habe.

Lego-Beschleuniger-Physik

Tja, mein Teilchenbeschleuniger LAToyA aus Lego, er beschäftigt mich weiter! Ich bin ja Physikerin, auch wenn ich nicht mehr selbst forsche, sondern im Bereich des Strahlenschutzes bei einer Behörde arbeite. Einerseits finde ich daher meine „LAToyA“ so klasse, andererseits kann ich auch nicht umhin, ein paar Berechnungen anzustellen.

Teilchenbeschleuniger werden natürlich auch an ihrer physischen Ausdehnung gemessen – ca. 250 Bricks Umfang hat der Speicherring von LAToyA – aber wesentlich sind die anderen, „inneren“ Werte: Welche Teilchen werden beschleunigt? Auf welche Maximalenergie?

Die Frage nach der Teilchenart ist bei LAToyA schnell beantwortet: Es sind Lego-Bälle aus ABS-Kunststoff – also aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer. 

Spannender aber ist die Maximalenergie. Da hoch beschleunigte Elementarteilchen beinahe lichtschnell sind und die Geschwindigkeit sich (zumindest in Zahlen) fast nicht mehr von der Lichtgeschwindigkeit unterscheiden lässt, ist die reine Geschwindigkeit bei Teilchenbeschleunigern keine praktische Einheit. Die Teilchen werden nur noch ganz wenig schneller, sie benehmen sich – hier greift die Relativitätstheorie – so, als würden sie bei fast Lichtgeschwindigkeit immer schwerer, je mehr man sie beschleunigt. So erklärt sich, dass trotz der absoluten Obergrenze „Lichtgeschwindigkeit“ beim weiter „Beschleunigen“ eines bereits fast lichtschnellen Teilchens die Durchschlagskraft weiter wächst, auch wenn die Geschwindigkeit (fast) nicht mehr steigen kann. Statt der Geschwindigkeit in Kilometern pro Stunde (km/h) oder auch Metern pro Sekunde (m/s) oder läufertypischer „Pace“ in Minuten pro Kilometer benutzt man also die kinetische Energie, die in der Bewegung des Teilchens steckt. Kinetische Energie heißt nichts anderes als Bewegungsenergie – und für Energie kennen wir ja die eine oder andere Einheit: Im sogenannten SI-System sind Joule die Energieeinheit, für chemische Energie sind oft auch Kalorien oder Kilokalorien üblich, vor allem, wenn’s um die chemische Energie in unserer Nahrung geht. Ebenfalls eine Energieeinheit sind die Tonnen, Kilotonnen oder Megatonnen TNT-Äquivalent, die bei der Einschätzung der Energiefreisetzung von Nuklearwaffen verwendet werden. 

Allerdings sind das alles „makroskopische“ Energieeinheiten. Bei Teilchenbeschleunigern werden aber in der Regel Elektronen, Protonen oder Atomkerne, also mikroskopische Teilchen beschleunigt, und weil die Teilchen und ihre Massen klein sind, ist auch ihre Bewegungsenergie eher klein. Physiker benutzen dafür als Einheit „Die Bewegungsenergie, die ein Elektron hat, wenn es von einem elektrischen Feld der Spannung ein Volt beschleunigt wird“, das Elektronenvolt oder eV. Über die Ladung des Elektrons kann man Joule und Elektronvolt ineinander umrechnen, wie man das z.B. auch mit Kalorien und Joule kann: Eine Kalorie sind 4,187 Joule – der Umrechnungsfaktor von Elektronenvolt in Joule ist aber „etwas“ größer: 6,24 mal zehn hoch achtzehn … also eine eins mit 18 Nullen dahinter. Aber schließlich sind ein Gramm Wasserstoff auch eine Sechs mit 23 Nullen dahinter an Protonen! 

Genug der Vorrede. Ich habe nun also ausgerechnet, wie viel Bewegungsenergie die Teilchen in meinem Beschleuniger haben. Dafür habe ich die aus dem Physikunterricht bekannte Formel Energie ist ein Halb mal Masse mal Geschwindigkeit zum Quadrat verwendet: E = 0,5 v². Die Masse der Lego-Bälle liegt bei ungefähr anderthalb Gramm, die Geschwindigkeit der Bälle im Beschleuniger habe ich mit etwa 12,5 km/h abgeschätzt. Um das Ganze mit anderen Teilchenbeschleunigern zu vergleichen, habe ich das Ergebnis direkt in Elektronenvolt umgerechnet: Es sind 56 Petaelektronenvolt, also das Zehntausendfache des großen Hadronenbeschleunigers LHC am CERN. Nach ersten kleinen Fehlern, die lustigerweise ziemlich genau im Bereich der Energie von LHC herauskamen, habe ich nochmal alle Einheiten richtig zusammengepuzzlet und kommen nun zu diesem Ergebnis. Himmel, was man mit einem solchen Beschleuniger alles anstellen könnte… 

Wenn es nicht das kleine „Aber“ gäbe: Es ist nämlich wichtig, dass die betreffende Bewegungsenergie pro Nukleon der beschleunigten Atomkerne hoch ist. Die Teilchenenergie der Protonen am LHC sind sieben Teraelektronenvolt. Implizit steht da ein „pro Proton“ dahinter. Meine Bälle bestehen zwar nicht nur aus Protonen, sondern aus (vielen) Atomkernen, in denen auch Neutronen enthalten sind – Protonen und Neutronen sind Nukleonen. Um meinen heißgeliebten Teilchenbeschleuniger LAToyA also mit LHC vergleichen zu können, muss ich die Bewegungsenergie pro Nukleon ausrechnen – dafür brauche ich erstmal die Zahl der Nukleonen in meinem Ball. Das allerdings ist recht einfach: Die atomare Masseneinheit „u“ gibt an, wie schwer ein Nukleon ungefähr ist. Effekte wie Bindungsenergie (macht Atomkerne leichter als freie Protonen und Neutronen) oder dass ein Neutron schwerer ist als ein Proton werden bei der atomaren Masseneinheit am Beispiel des Kohlenstoffs schon rausgemittelt – und bei Kunststoffen wie auch ABS machen Kohlenstoffatome meist etwa sechs Siebtel der Masse aus. Damit werden aus meinen 56 Petaelektronenvolt (oder 56.000 Teraelektronenvolt) pro Ball nur 0,06 Mikroelektronvolt pro Nukleon.

Tja, leider wird’s doch nichts mit dem Übertrumpfen des LHC durch LAToyA auf unserem Esstisch. Aber es war ein tolles Gefühl, so lange es währte!

Ausbaubedürftig

Mein Nennbruder hat mir Light Stax geschenkt. Was Light Stax sind, fragt Ihr? Es sind mit Lego und anderen Klemmbausteinen kompatible Steinchen, die von einem USB-ladbaren Power-Brick mit Strom versorgt werden und durch LEDs in den Steinen leuchten.

Meine Light Stax, die ich von meinem Nennbruder bekommen habe.

Wo wir früher Licht durch 9-Volt-Blockbatterien in großen Kästen hatten, mit ganz spezifischen Steinen, auf denen die Lämpchen obenauf sitzen, kann man die Light Stax überall einbauen. Mehr noch: Der Power-Brick hat nicht nur die Optionen An und Aus, sondern auch akustisch ausgelöste Varianten, ein Blinken und ein Auf- und Abdimmen. Ausbaufähig sind nun aber nicht die Light Stax… sondern was ich damit tue.

Ich habe sie schon an meinem Beschleuniger angebracht. Nur in sehr spezifischen Positionen konnte ich das Ganze so einstellen, dass das Licht nur beim Vorbeirollen einer Kugel kurz durch den Lärm anging. Leider ist das Geräusch des Motors entsprechend laut, dass es sehr schwierig ist, die Light Stax am vom Motor abgewandten Teil des Rings nur vom Geräusch der rollenden Kugeln, nicht aber vom Geräusch des Motors ausgelöst werden. Ich experimentiere noch damit, das Ganze so einzustellen, dass ein netter Effekt mit einem Leuchten immer beim Vorbeirollen der Kugel eintritt und das zuverlässig. Vermutlich werde ich versuchen, das in den Detektor das AddOn zu integrieren – eine Chance wäre zum Beispiel, dass ein Teil des Detektors immer aufleuchtet, wenn eine Kugel durchrollt – und durch den Aufbau des Detektors als Tunnel wäre das Ganze gegen den Schall des Motors isoliert, die Kugel dagegen würde im Tunnel einen Heidenlärm machen – das Mikro müsste natürlich nach innen zeigen.

Allerdings werde ich das erst testen können, wenn ich die Teile für das AddOn bestellt habe. Die Alternative ist das Auf- und Abdimmen für das nächste Projekt zu nutzen – den Forschungsreaktor aus Lego, den ich derzeit plane, der aber ferne Zukunftsmusik ist. Es ist ganz schön krass, wie sehr mich der Beschleuniger und die Light Stax inspirieren!

Present Progressive [1]

Ich habe ja von meinem Mann einen Teilchenbeschleuniger bekommen! Einer der vielen supertollen Aspekte daran war, dass es ein erweiterbares Geschenk war und ist. Mit Hilfe von Stud.IO hat er den Ring und die Support-Strukturen designed, und das Modell im Stud.IO-Format gab’s zum Beschleuniger dazu. Also habe ich angefangen zu basteln.

Folgende Dinge waren klar: Gegenüber der Beschleuniger-Einheit mit Motor, die die orangen Bälle um den Ring schickt, war eine Gerade vorhanden. Die Verbindungsstücke dieser Gerade hatte mein Mann ganz bewusst nicht mit seinen herrlichen, weißen Ablenkmagneten bestückt. Dorthin wollte ich einen Detektor bauen, inspiriert von den Detektoren D0 und CDF am Tevatron bzw. CMS und ATLAS am LHC am CERN. Dazu sollte an einen der Ablenkmagneten ein Strahlrohr für Synchrotronstrahlungs-Experimente, sprich: dort wird durch die starke Ablenkung der geladenen Teilchen hochfrequentes Licht erzeugt, das für viele interessante Experimente taugt. Inspiriert ist diese Beamline mit Experimentierhütte vom Beschleuniger ANKA (bzw. KARA) am KIT. Schließlich musste noch ein Vorbeschleuniger her, der die Teilchen auf Tempo für die Injektion in den Ring bringt. Im Zuge dessen habe ich auch noch drei Sonderversionen der Ablenkmagneten designen müssen. Und so sieht das aus:

Lego-Teilchenbeschleuniger-Addon – alle zusätzliche Teile in einem Bild.
Ein einem Zyklotron nachempfundener Beschleuniger mit einem Strahlrohr zur Injektion der Teilchen in den Speicherring.
Ein Experiment am Beschleuniger – die schwarze Trommel bildet die Spurendetektoren nach.
Eine Detektorhütte für Synchrotronstrahlungsexperimente. Der abgewandelte Ablenkmagnet am linken Ende ist auch der Erzeuger von Synchrotronstrahlung, mit der in der Hütte experimentiert wird.

Ich habe all das mal in das Hauptmodell eingebaut. Alle Bilder basieren auf Konstruktionen in Stud.IO, mit dem man schön mit Lego konstruieren kann, damit kann man dann auch Anleitungen erstellen. Mein Mann hat mir die Stud.IO-Datei gegeben, in der er meinen Beschleuniger gebaut hat, so dass ich die Addons direkt einpflegen konnte.

Eine gerenderte Vorschau des Teilchenbeschleunigers mit Addon.

Nun müssen wir nur noch schauen, wie viel Geld ich in Einzelteilen in das Projekt verbraten habe, die Teile bestellen und eine Anleitung erstellen. Dann wird bald eine richtige Forschungseinrichtung draus – aus Lego!

Teilchenbeschleuniger

Immer wieder im Jahr 2019 zitierte ich Missy aus Dr. Who, also die weibliche Reinkarnation des Master. Sie äußert gegenüber dem Doctor, was sie sich wünscht… ein Pony und ein Teilchenbeschleuniger beschließen diese Liste. Da ich nicht reite, ist ein Pony für mich eher uninteressant, aber als Physikerin bin ich mit dem Teilchenbeschleuniger nun doch in Versuchung gewesen. Da ich immer wieder mit dem Teilchenbeschleuniger anfing, witzelten sie schon alle herum: Ich solle mir einen alten Röhrenfernseher schenken lassen, das ist immerhin ein Beschleuniger für Elektronen! Der hübscheste Vorschlag war allerdings die Zwille und ein Teller Puddingteilchen, von mir auch gerne als „eine Torte, ein Messer und ein Katapult“ variiert. Natürlich war meine Intention eine eher unrealistische Variante: ich wollte einen Linearbeschleuniger oder lieber noch ein Zyklotron, am liebsten jedoch ein Synchrotron!

Unrealistisch, sagt Ihr? Insbesondere Synchrotrons sind RIESIG (wie z.B. der KARA-Beschleuniger am KIT Campus Nord, der HERA-Beschleuniger an der GSI in Darmstadt oder gar der LHC am CERN), sagt Ihr? Ein Synchrotron passt nicht in unser Haus, sagt Ihr?

Ja. Ich sagte das auch. Ich hätte nicht falscher liegen können!

Ein Synchrotron! Ein Teilchenbeschleuniger!

Da ich ja weiß, dass Synchrotrons in aller Regel Großbeschleuniger sind, mit langer Bauphase und (in Deutschland) der Notwendigkeit einer Errichtungsgenehmigung nach § 10 des Strahlenschutzgesetzes, bin ich ganz froh, dass ich die dafür benötigten Teile Stück für Stück bekam – denn der Teilchenbeschleuniger ist das, was ich aus meinem Geburtstagskalender zusammenbauen durfte. Sprich: Die Phase, in der die Bauteile gesammelt wurden, dauerte 24 Tage. Am Heiligabend um Mitternacht erhielt ich dann in Form eines Ordners die Aufbauanleitung und damit die Errichtungs- und Betriebsgenehmigung!

Hier seht Ihr auf dem Youtube-Kanal meines Mannes und Mitautors Holger, wie der Teilchenbeschleuniger im Detail aussieht und wie er funktioniert. Video und Bilder gemacht von Holger Stahlmann.

Bis jetzt sind wir im Testbetrieb. Ein zusätzlicher Vorbeschleuniger mit Teilcheninjektor, ein Collider mit Detektoren und eine anstelle eines der Ablenkmagneten anzusetzende Synchrotron-Strahlungs-Beamline mit Experimentierhütte sind derzeit in Stud.IO in Planung.

Woohoo! Ein Teilchenbeschleuniger!