Megaprojekte
CERN: Teilchen verstehen, um die moderne Welt zu bauen
CERN als Ursprung der modernen Wissenschaft
Die Europäische Organisation für Kernforschung, kurz CERN, ist eine der wichtigsten Einrichtungen der Welt für das Studium subatomarer Teilchen und der fundamentalen Physik.
This is important work, as quantum physics and relativity have been the fundamental sciences behind many, if not most, of the modern worlds technological innovations, including Computer, Handys, Laser, Telekommunikation, Satelliten, MRT, Solarpaneele, fortschrittliche Mikroskope, Kernenergie usw.
Das liegt daran, dass all diese Technologien ein tiefes Verständnis des Verhaltens von Atomen, Elektronen und anderen Teilchen auf kleinster Skala erfordern. Und diese sind alles andere als intuitiv und gehen weit über das vereinfachte Modell von Elektronen, die den Atomkern umkreisen, hinaus. Zum Beispiel erfordert selbst das einfachste mögliche Atom, Wasserstoff, eine komplexe Gleichung, um das wahre Verhalten seiner Elektronen zu beschreiben.
Quelle: Department of Energy
CERN war zudem eine wirklich globale und internationale wissenschaftliche Initiative, aus der viele weitere Entdeckungen hervorgegangen sind, darunter das Internet selbst.
Schließlich waren der Bau, Betrieb und die Modernisierung der CERN-Anlagen ein wichtiger Treiber zur Förderung von Forschung und Ingenieurwesen in vielen fortgeschrittenen Wissenschaftsfeldern wie Supraleitern, Sensoren sowie ultra‑leistungsstarken Lasern und Magneten.
Ambitionierte Wissenschaft von Anfang an
CERN wurde 1954 von 12 europäischen Ländern gegründet, wobei das französische Akronym “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” ihm seinen Namen gab.
Quelle: Wikipedia
Es wäre keine Übertreibung zu sagen, dass ein großer Teil der modernen Teilchenphysik im CERN geboren wurde, insbesondere:
- Die Entdeckung der schwachen Bosonen, die eine der vier Grundkräfte tragen, wurde mit dem Nobelpreis für Physik 1984 ausgezeichnet.
- Die erste Erzeugung von Antiwasserstoff‑Atomen.
- Die Entdeckung eines neuen Aggregatzustands, des Quark‑Gluon‑Plasmas.
- Der Nobelpreis für Physik 1992 ging an einen CERN‑Forscher für seine Erfindung und Entwicklung von Teilchendetektoren.
- Der Nobelpreis für Physik 2013 wurde an CERN‑Forscher für die Beschreibung und Beobachtung des Higgs‑Bosons (verantwortlich für die Masse der Teilchen) verliehen.
Quelle: CERN
Heute umfasst CERN 25 Länder als Vollmitglieder und 10 assoziierte Mitglieder, was der erste Schritt vor einer möglichen Vollmitgliedschaft ist. Hinzu kommen enge Beziehungen zu drei Ländern mit Beobachterstatus (Japan, Russland, USA) sowie Zusammenarbeit oder wissenschaftlicher Kontakt mit fast jedem Land der Erde.
CERN beschäftigt direkt 3.500 Personen, wobei die größte Gruppe aus Wissenschaftlern und Ingenieuren besteht, gefolgt von Technikern, und knapp unter einhundert Forschungsphysiker bilden die Führungsebene.
Quelle: CERN
CERN-Infrastrukturen
Keine der Errungenschaften von CERN wäre ohne die erstklassige Ingenieurkunst, die in den Bau seiner Teilchenbeschleuniger und Detektoren geflossen ist, möglich gewesen.
Teilchenbeschleuniger funktionieren, indem sie Teilchen in einem starken Vakuum bewegen, das frei von Luft oder Staub ist. Leistungsstarke Elektromagnete und elektrische Felder beschleunigen die Teilchen und halten sie im Beschleuniger gefangen. Das beschleunigte Teilchen, manchmal mit 99,9 % der Lichtgeschwindigkeit (299 792 458 Meter pro Sekunde / 186 000 Meilen pro Sekunde), trifft entweder auf einen anderen Teilchenstrahl oder ein festes Ziel.
Die extreme Geschwindigkeit und Energie dieser Kollisionen ermöglichen es Wissenschaftlern, mehr über die grundlegende Natur dieser Teilchen zu verstehen.
Quelle: Department of Energy
Heute ist der wichtigste Teilchenbeschleuniger von CERN der LHC (Large Hadron Collider), der in Genf, Schweiz, liegt. Der LHC ist ein unterirdischer Tunnel mit einer Tiefe von bis zu 175 Metern (575 Fuß) und bildet einen Kreis von 27 Kilometern (17 Meilen) Umfang.
In Zukunft könnte er von einem noch größeren 90‑100 km‑Beschleuniger, der unter dem Genfersee und rund um die Stadt verläuft, in den Schatten gestellt werden (mehr dazu weiter unten).
Quelle: Swisstopo
Heute betreibt CERN zusätzlich zum „Haupt“-LHC 11 weitere Teilchenbeschleuniger für spezifische Forschungsbedürfnisse bei schwereren Teilchen, Protonen, Plasma, Studien zu instabilen Kernen usw. Diese Teilchenbeschleuniger ergänzen sich häufig, wobei viele die benötigten Teilchen in ein komplexes, ineinandergreifendes System in die anderen einspeisen.
Quelle: CERN
Die Institution verfügt zudem über nicht weniger als 11 stillgelegte Teilchenbeschleuniger und Kollider, die seit den 1950er‑Jahren gebaut wurden.
CERN-Technologie
LHC
Die tiefe Untergrundlage des LHC resultierte aus einer Mischung wissenschaftlicher und finanzieller Gründe. Es ist günstiger, einen Tunnel zu graben, als ein Kreis von 27 km Durchmesser an Oberflächenland zu erwerben, besonders in der teuren Region Genf. Die Gesteinsschichten schützen die Anlage zudem vor kosmischer und Oberflächenstrahlung.
Quelle: CERN
Der LHC ist der stärkste jemals gebaute Teilchenbeschleuniger. Er verbraucht im Durchschnitt 600 GWh pro Jahr, etwa die Hälfte des gesamten Energieverbrauchs von CERN von 1,3 TWh. Zum Vergleich verbraucht ganz Frankreich 500 TWh, die EU 3.400 TWh und die Welt 20.000 TWh.
Der LHC erzeugt zwei Teilchenstrahlen, die jeweils fast mit Lichtgeschwindigkeit reisen und miteinander kollidieren. Sie werden von 9.593 supraleitenden Elektromagneten gesteuert und eingeschlossen, die mit flüssigem Helium bei -271,3 °C (-456,34 °F) gekühlt werden.
Der größte Teil des Energieverbrauchs des Betriebs entfällt auf die Elektromagnete, sowohl für deren Betrieb als auch für den Energieaufwand zur Erzeugung dieser riesigen Menge an flüssigem Helium.
LHC-Ziele
Der LHC führte 2008 seine erste Kollision durch und soll bis in die 2040er‑Jahre betrieben werden. Nach einem ersten Lauf, der die Entdeckung des Higgs‑Bosons einschloss, laufen derzeit massive Upgrade‑ und Wartungsarbeiten, um den zweiten Lauf vorzubereiten, bei dem die Leistungsstufen des LHC auf 13 TeV (Tera‑Elektronvolt) Kollisionen erhöht werden.
Nach der Entdeckung des Higgs‑Bosons wird erwartet, dass der LHC dazu beiträgt, grundlegende Fragen zum Universum zu beantworten, einschließlich der Rolle und Natur der sogenannten dunklen Energie und dunklen Materie.
Die erreichten extremen Energieniveaus sollten uns auch Einblicke in die frühe Phase des Universums geben, in einem Zustand des „Quark‑Gluon‑Plasmas“.
ATLAS
Eine wichtige Ergänzung zum LHC ist der ATLAS‑Teilchendetektor. Er ist der größte jemals gebaute Teilchendetektor, 46 Meter (150 Fuß) lang und 25 Meter (82 Fuß) im Durchmesser.
Die Detektoren enthalten über 100 Millionen empfindliche elektronische Kanäle, um die bei den Kollisionen erzeugten Teilchen aufzuzeichnen.
Er enthält viele Sub‑Detektoren, die jeweils eine separate Rolle spielen, um gleichzeitig Photonen, Elektronen, Myonen, Pionen usw. zu detektieren.
Quelle: ATLAS
Über 5.900 Physiker, Ingenieure, Techniker, Studierende und Administratoren haben am Bau und Betrieb von ATLAS mitgewirkt, was 180 wissenschaftliche Institutionen aus über 40 Ländern repräsentiert.
CERN – Geborene Technologien
All diese Kilometer an Teilchenbeschleunigern haben im Laufe der Zeit zahlreiche nützliche Technologien für die Menschheit hervorgebracht.
Erfindung des Internets
Vielleicht war die einflussreichste Technologie, die jemals aus dem CERN hervorging, das Internet; wirklich.
CERN entwickelte das TCP/IP‑Protokoll für sein eigenes internes Netzwerk, und das Konzept des World Wide Web wurde im CERN von Tim Berners‑Lee erfunden, der die erste Website überhaupt erstellte (Folgen Sie dem Link, um zu sehen, wie sie aussah).
Ursprünglich wurde es als Mittel gedacht, damit Forschende Daten und Ideen leichter austauschen können.
Quelle: CERN
1993 stellte CERN die World‑Wide‑Web‑Software der Welt als gemeinfreies geistiges Eigentum zur Verfügung. Es war zudem ein Pionier im Grid‑Computing, dem Prozess, Berechnungen über mehrere über das Netz verbundene Computer hinweg durchzuführen.
Vielleicht paradox, aber einer der größten Beiträge des CERN, einer Forschungsorganisation für Teilchenbeschleuniger, war die Förderung des freien Austauschs von Wissen, Daten und Software, anstatt eines Quantenphysik‑Experiments.
Medizinische Anwendungen
Eine Anwendung der CERN‑Forschung ist ein tieferes Verständnis von Teilchenbeschleunigern. Kleinere Beschleuniger werden heute routinemäßig in Krankenhäusern für die Strahlentherapie bei Krebsbehandlungen eingesetzt. Kontinuierliche Forschung hat sie im Laufe der Zeit immer effizienter, kleiner und kostengünstiger gemacht.
Ein weiterer Beitrag zur Krebstherapie liegt im Bereich der Nuklearmedizin, also der Nutzung seltener Isotope zur Zerstörung von Krebszellen.
Einige dieser Radioisotope werden ausschließlich im CERN produziert.
Die medizinische Bildgebung ist ein weiteres Feld, in dem Teilchenphysik entscheidend ist, von Röntgenstrahlen über MRT, PET‑Scans bis hin zur Computertomographie (CT).
Mehrere Verbesserungen in der Hadron‑Strahlentherapie sowie in der medizinischen Bildgebungg, direkt von den für den ATLAS‑Teilchendetektor entwickelten Sensoren.
Während der Covid‑Pandemie entwickelte CERN ein Open‑Source‑Tool (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA), um die Viruskonzentration in geschlossenen Räumen mit unterschiedlichen Parametern zu modellieren, wie Raumgröße, Verweildauer, Maskentragen, Personenanzahl und Belüftung.
Energie‑ und Grüne Technologie
CERN arbeitet mit Airbus zusammen, indem es seine Expertise in supraleitenden Kabeln einbringt, um potenziell leichtere Flugzeuge oder sogar Elektroflugzeuge zu ermöglichen.
Die Erfahrung der Institution mit der Prüfung von Materialien bei extrem niedrigen Temperaturen ist ebenfalls nützlich, um das Potenzial von Wasserstoff im Flugzeugtransport zu testen.
CERN arbeitet zudem eng mit ITER zusammen, dem weltweit größten Kernfusionsprojekt, das bei Erfolg eine unbegrenzte Versorgung mit sauberer Energie bieten könnte. Da die Kernfusion hauptsächlich auf ultra‑leistungsstarken Magneten und Supraleitermaterialien beruht, ist die Überschneidung mit der Expertise von CERN offensichtlich.
Datenverarbeitung
Wenn Teilchen detektiert werden, ist der in Mikrosekunden erzeugte Datenfluss enorm. Noch problematischer ist, dass diese 40 Terabyte pro Sekunde unmöglich für eine spätere Verarbeitung gespeichert werden können.
Dies hat die CERN‑Wissenschaftler zu Experten im Entwerfen von Algorithmen gemacht, die in Echtzeit entscheiden können, welche Daten am interessantesten sind.
CERN arbeitet mit Unternehmen wie CEVA (Sensoren) oder ABB Motors zusammen, um solche Algorithmen zu nutzen, um den Energieverbrauch der CERN‑Einrichtungen und -Ausrüstungen in der Entwicklung zu optimieren.
Dies wird auch von dem Autositze‑Sicherheitsunternehmen Zenseact verwendet, um latenzarme autonome Fahrsysteme zu entwickeln.
Die gleichen Prinzipien werden allgemein bei Drohnen und Robotiksystemen eingesetzt, insbesondere mit dem Unternehmen Terabee.
Luft- und Raumfahrt
CERN verfügt über langjährige Erfahrung im Umgang mit intensiver und teilweise exotischer Strahlung, die durch seine Geräte und Experimente erzeugt wird.
Dies kann in praktischen Anwendungen für den Strahlenschutz von Satelliten und bemannten Experimenten im Weltraum genutzt werden, häufig in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).
Zum Beispiel besitzt CERN die einzige Anlage auf der Erde, die in der Lage ist, die raue Strahlungsumgebung des Jupiter nachzubilden.
Weitere Anwendungen
CERNs Anforderung, alle Teilchendetektoren und Systeme bis auf die Nanosekunde perfekt zu synchronisieren, hat es ebenfalls zu einem Experten auf diesem Gebiet gemacht.
Die Open‑Source‑„CERN‑geborenen Zeit‑Synchronisations“‑Standards können in der Telekommunikation, an den Finanzmärkten und in Quanten‑Netzwerken verwendet werden. Zum Beispiel nutzt der Handelsanbieter Deutsche Börse sie in seiner Handelsinfrastruktur.
Bildung
CERN fungiert zudem als Bildungsressource für fortgeschrittene Wissenschaften und Physik.
Dazu gehört die kostenlose Bereitstellung eines 3D‑druckbaren Modells seiner Geräte, erklärender Cartoons und Comic‑Bücher sowie Unterrichtsmaterialien für Lehrkräfte.
Parallel dazu stellt es kostenlos sein eigenes flexible, leistungsstarke, Open‑Source‑Framework für digitale Bibliotheken bereit, das heute von Bibliotheken, Universitäten und globalen Institutionen genutzt wird.
Das Engagement von CERN für den Wissensaustausch zeigt sich auch in seinem Spin‑off Orvium, einer Publikationsinfrastruktur für Open‑Source‑ und dezentralisierte wissenschaftliche Veröffentlichungen.
Abschließend bietet CERN Bildungstouren durch die Anlagen, ein lokales Museum und Kunstausstellungen.
CERN‑Zukünftige Infrastrukturen & Erfolge
High‑Luminosity‑LHC (HL–LHC)
Während die CERN‑Forscher und Techniker hart daran arbeiten, das Maximum aus den aktuellen Anlagen herauszuholen, blicken sie gleichzeitig auf die nächsten Schritte.
Der erste Schritt wird der „High Luminosity LHC“, oder HL–LHC sein, ein Upgrade, das die Luminosität des LHC um das Zehnfache steigern soll. Beispielsweise wird der High‑Luminosity‑LHC mindestens 15 Millionen Higgs‑Bosonen pro Jahr erzeugen, verglichen mit etwa drei Millionen des LHC im Jahr 2017.
Quelle: CERN
Das Upgrade wird Verbesserungen bei Magneten, Supraleiter‑Verbindungen, verstärktem Schutz und besseren Beschleunigern umfassen.
Der HL‑LHC sollte Mitte der 2030er‑Jahre betriebsbereit sein, da die Tiefbauarbeiten im April 2018 begannen und seine ersten Magneten im Dezember 2024 erhielt.
Future Circular Collider (FCC)
Nach dem LHC wird ein gigantisches 90‑km‑Design voraussichtlich der nächste Schritt bei Teilchenbeschleunigern sein, genannt der Future Circular Collider (FFC). Er wird in einer durchschnittlichen Tiefe von 200 Metern (656 Fuß) gebaut.
Die ersten Experimente werden 15 Jahre dauern und Mitte der 2040er‑Jahre mit dem FCC‑ee, einem Elektron‑Positron‑Kollider, beginnen. Der Stromverbrauch des FCC‑ee wird voraussichtlich zwischen 1 und 1,8 TWh/Jahr liegen.
Eine zweite Maschine, der FCC‑hh, ein Proton‑Proton‑Kollider, würde im selben Tunnel installiert werden und in den 2070er‑Jahren starten und mehr als 25 Jahre laufen.
Das gesamte Projekt wird voraussichtlich rund CHF 15 Mrd. kosten, verteilt über 15 Jahre. Der Abschluss der Machbarkeitsstudie wird für 2025 erwartet, mit einer endgültigen Entscheidung des CERN‑Ausschusses bis 2027‑2028 und Baubeginn in den 2030er‑Jahren.
Der FCC könnte Teilchen untersuchen, die von Theorien jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik vorhergesagt werden, was entweder empfindlichere Detektoren oder leistungsfähigere Beschleunigung erfordern würde.
Dieses tiefere Verständnis der Physik wird voraussichtlich entscheidend sein, um die Leistung von Computern zu verbessern und neue Möglichkeiten für die Materialwissenschaften zu eröffnen. Und damit der Menschheit zu ermöglichen, eine wirklich fortgeschrittene Zivilisation zu werden, die die Sterne navigieren, echte künstliche Intelligenz erschaffen oder unbegrenzte, reichliche Energie genießen kann.
CERN‑verbundenes Unternehmen
CEVA
(CEVA )
CEVA ist ein Sensorunternehmen und Partner von CERN, um den institutionellen Algorithmus zur Verbesserung der Effizienz und des Energieverbrauchs seiner Sensoren zu nutzen. CEVA‑Lösungen und IP (200 Patente) sind in 18 Milliarden Geräte integriert.
Die Unternehmenslösungen werden von vielen führenden Elektronikmarken weltweit eingesetzt.
Quelle: CEVA
Die Hauptanwendung der Zusammenarbeit zwischen CEVA und CERN ist „Edge‑AI“, also KI‑Anwendungen, die auf Geräten außerhalb von Rechenzentren (der Cloud) und näher beim Endverbraucher (am Edge) eingesetzt werden.
Es ist nicht überraschend, dass Algorithmen der Teilchenphysik in KI‑Anwendungen wiederverwendet werden, da neuronale Netze beispielsweise bei der Suche nach dem Higgs‑Boson eingesetzt wurden. Die Analyse von Teilchenbeschleunigerdaten muss vor Ort durchgeführt werden, anstatt in der Cloud, aufgrund des enormen und schnell erzeugten Datenvolumens.
Ceva half CERN, neue Kompressionsalgorithmen zu entwickeln, die in zukünftigen Experimenten eingesetzt werden können und die das Unternehmen in seine Produkte integrieren wird.
„Dank unserer Zusammenarbeit mit CERN konnten wir einen innovativen Ansatz entwickeln, der es den Netzwerken ermöglicht, bis zu 15‑mal schneller zu laufen im Vergleich zu 16‑Bit‑Baseline‑Modellen.
Er erhöht die Netzwerkgeschwindigkeit und reduziert den Energieverbrauch um bis zu 90 %, bei gleichzeitig vergleichbarer Genauigkeit.“
Dies ist nur ein Beispiel für CEVAs technologische Fortschritte, wobei das Unternehmen in den Bereichen drahtlose Konnektivität, Sensoren (Vision, Audio, Bewegung) und neuronale Netzwerk‑Algorithmen aktiv ist.
Quelle: CEVA
CEVA profitiert stark vom Zusammenspiel der Trends 5G‑Konnektivität (einschließlich Satelliten‑5G) und IoT (Internet of Things) mit integrierten KI‑Lösungen, sowohl für industrielle als auch für Heimlösungen. Es ist zudem ein Marktführer bei Wi‑Fi‑6‑Lösungen und hat eine führende Position bei Wi‑Fi‑7.
Quelle: Ruije
Als Software‑ und IP‑Unternehmen ist CEVA bekannt und wird von Investoren, die an den IoT‑ und 5G‑Sektoren interessiert sind, häufig übersehen.
Es kann ein interessantes Unternehmen an der Spitze des technologischen Fortschritts in der Datenverarbeitung und Edge‑AI sein, wie die Auswahl durch CERN zur Unterstützung einiger der komplexesten Datenanalysen, die je von der Menschheit durchgeführt wurden, zeigt.
