Seit dem letzten Post ist der Magnet nochmal gewachsen; d.h. eigentlich ist er nur „aufgestanden“. Er steht jetzt außerdem auf einem Tischrahmen, damit man auch von unten gut an ihn herankommt. Die Größe ist schon imposant. Auch der Kran kommt langsam an seine Grenzen, jedenfalls was die Höhe betrifft. Wir müssen uns noch etwas ausdenken, um die Montage des oberen Teils zu vereinfachen. Und vor allen Dingen muss die Sicherheit gewährleistet sein. Also die Einrüstung, die sowieso geplant war, muss wohl noch um eine Art zentrale Plattform ergänzt werden. Außerdem muss noch ein kleiner Flaschenzug am Kran als Ergänzung nachgerüstet werden.

Es ist eben doch so, dass im Vorfeld nicht jedes Detail genügend bedacht werden kann, dazu sind unsere Aufgaben einfach zu komplex und die Zeit ist eigentlich immer knapp. Was nicht passt, wird passend gemacht.

Die nächsten Wochen werden dann mit der Montage des „Turmes“ auf dem Magneten gut ausgelastet sein. Hier klafft bislang nur eine große Öffnung mit Dichtflansch.

In den Turm hinein kommen die Stromzuführungen, die 20.000 Ampere möglichst verlustfrei von Raumtemperatur an die tiefkalte Spule bringen. Das sind sehr delikate Teile, die in einer Kooperation mit einem Schweizer Forschungsinstitut entstanden sind. Hierfür wird auch ein Supraleiter verwendet, aber ein ganz Besonderer vom Typ „HTS“ (High Temperature Superconductor). Der bleibt auch noch im Übergangsbereich von 4 Kelvin bis 50 Kelvin supraleitend. Die Supraleitung ist wichtig, damit keine Ohmsche Wärme entsteht, welche die gesamte kalte Masse erwärmen würde.

Warum man eigentlich keine ganze Spule aus diesem HTS wickelt? Daran wird zwar geforscht, aber noch hält das Material die enormen Kräfte gar nicht aus. Und ist derzeit auch noch viel zu teuer. Hier braucht man noch ein gutes Stück Forschung. Und genau dafür haben wir ja auch den Magneten gebaut – hier schließt sich also wieder der Kreis. Andere Anwendungen von solchen verbesserten Supraleitern sind z.B. in der Energieübertragung und Speicherung.

We are currently setting up the working environment on top of the magnet. The turret that is going to be attached to the flange, which is now on the top of the magnet vessel, will contain the electric current and liquid helium connections.

Until that is done we will have to be very careful with all tools we use up there. Because everything that falls in the magnet will stay in the magnet with almost no chance to take it out again. Therefore we have to clear all our pockets before we climb the scaffold and every tool that is needed is secured with a rope. In a couple of days the stage will be set for the turret assembly.

Straight edge and torch on the rope. The hole is covered up most of the time.

The bucket lift: On the lower right you can see one halve of the resistive insert housing.

It has been a packed week. The external frame has been attached to the magnet and the warm to cold links have been completed. (The eight warm to cold links basically are strings that carry the superconducting coil and hold it in its position in the evacuated vessel. The challenge is that a 4 K cold mass is connected to a vessel at room temperature. So we want these heat bridges to be as narrow as possible. Therefore the material these strings/rods are made of must be strong in order to stay slim. So the designers chose titanium at a 20 mm diameter).
The housing of each of the eight links is now equipped with strain gages and so is able to measure the load that is connected to it. The links have been pre tensioned to 10 kN (that’s equivalent to 1000 kg) and afterwards closed with a weld. During this process the position of the coil has been monitored with dial indicators. When the magnet stands on its feet the load on the four links that point upwards and carry the coil will be some 40 kN. The other four links pull the coil down i.e. create 10 kN pre-tension.
When the final leak test of the cold link housings has been passed we are ready to flip the magnet and place it onto its feet.



Setting up the frame

Dial indictors at the sc bus tips monitor the coil position


A warm to cold link housing gets weld (The 10 kN are carried by the yellow fixture as long as the housing is removed)
The last weeks of assembly went smooth and fast. This would not have been working without our main technician Christof who helped us so many times. A project like this is simply not possible without people like him who are able to fix pretty much everything, whether this is soldering, welding, milling, driving the fork lift, obtaining or building rare tools that are suddenly needed; and all this pressed for time.

Endlich! Alle Lecks sind gefunden und verarztet, das Vakuum ist stabil. Der Hochfeldmagnet wartet nun darauf, gedreht zu werden, damit das Magnetfeld parallel zum Neutronenstrahl verlaufen kann. Schon wieder eine Aufgabe, die viel Fingerspitzengefühl erfordert. Denn während des Aufrichtens muss die supraleitende Spule im Innern genau zentriert werden. Mit den äußeren Schichten darf sie nicht in Berührung kommen. Und das bei zirka zwanzig Tonnen, die der Magnet zusammen mit seinem Kryostaten wiegt.

Um den Koloss in perfekter Balance zu halten, verwenden die Ingenieure deshalb acht Zugstangen. Vier halten das gesamte Gewicht und zusätzlich die Kraft, die von den anderen vier Stangen in die entgegengesetzte Richtung aufgebracht wird. Während des Aufrichtens werden die Zugstangen mit sogenannten Dehnmessstreifen genau überwacht. Das sind Kraftmesser, die auf Dehnen und Stauchen reagieren. Wird ein Dehnmessstreifen gedehnt, nimmt sein elektrischer Widerstand zu, wird er gestaucht, nimmt sein elektrischer Widerstand ab. Legt man eine Spannung an den Dehnmessstreifen an, kann man erkennen, wie sich der Widerstand durch das Einwirken der Dehn- und Stauchkräfte ändert. Jeder Spannungswert entspricht einer bestimmten Kraft, die wirkt.

Wenn der HFM aufgerichtet ist, erwarten die Ingenieure eine Kraft von 32.000 Newton (3,2 Tonnen) an denjenigen vier Streben, an denen dann der Großteil des Gewichtes hängt und nur noch 2.000 Newton an den anderen vier.

Der Vorgang des Aufrichtens ist für Mittwoch geplant und wird den ganzen Tag dauern. Jede einzelne Zugstange muss dabei penibel überwacht werden, damit die Ingenieure im Notfall sofort einschreiten können, falls etwas nicht nach Plan läuft. Wir sind jedoch zuversichtlich, dass alles klappt, schließlich sind Profis am Werk: Neben dem HZB-eigenen Hallenkran kommt zudem ein hydraulisches Portal einer externen Firma zum Einsatz, das den HFM ganz kontrolliert „umkippt“.

(In January, just before the arrival of the high field magnet in Berlin, I was interviewed by Kerstin Hoppenhaus for the #HZBzlog. This is the English version of the complete interview.)

There really is a whole team working on the High-Field Magnet. What brought this team together?

The High-Field Magnet is not the average project for us here at HZB. And if you do a project beyond your own area of expertise, then there have to be people from outside as well. They all had to be found. For very specialised tasks. And for that reason they are quite a varied bunch. Everyone has very specialised tasks and very specialised talents.

What were you looking for in particular?

Actually, there were two different things. We have only a few, but important administrative areas in the group. For that reason, one of the first hires was our Controller. It is always important to have a comprehensive view of the finances.
And the second important area is certainly the engineering work. We have several physicists in the group also, but the engineers are almost even more important for us. This is because we couldn’t just simply discuss the finer points of the design, but rather had to actually get the thing built. And then someone had to do the calculations in detail for it. Starting with Matthias Hoffmann, he is a mechanical engineer who can design and lay out the complete details of his cryostats in 3D with the accuracy within a hair’s breadth. That is important – so that everyone understands what their area is and how these interface.

Or when you look at Stephan Kempfer, who is an electronics engineer who looks after basically all the technology in the infrastructure building. He works closely there with Jochen Heinrich, who is responsible for the helium liquefaction. They have to coordinate things really closely.

Robert Wahle joined the group a bit later and is somewhat closer to the science end. He is building what are called sample cryostats, the devices that make sure the samples can later be held at various temperatures necessary for the measurements.

And there is our technician Christof Fritsche. A technician probably does not have such an easy time of it in a group like this. Everyone pulls him in different directions – give me a hand here, help me out there... And we also travel a great deal, which many technicians normally don’t care for that much. We had a stroke of luck in that Fritsche could already speak excellent English, which helped make our traveling easier.

Hartmut Ehmler also had a lot experience traveling. He was with our colleagues at MagLab in Tallahassee even more frequently than I was, weeks at a time, and made sure that we really understood everything they were building for us there. Nothing would have been worse than not knowing exactly what we were taking delivery of! At some point, we will be standing there having to operate the thing by ourselves.

The High-Field Magnet is a hybrid magnet, which is rather unusual. Why are you building it this way?

“Normal” magnets today would actually be the superconducting types. You can do a great deal with them and we have already accumulated a lot of experience with them here at HZB and previously at HMI. But the way things are now, superconducting magnets have several physical limitations.

So then you consider utilizing resistive magnets - at enormous cost, because they require huge amounts of electrical power and result in unbelievably high operating costs. Or you have to increase the complexity of the thing. You have to combine superconducting magnets of a particular type, referred to as cable-in-conduit coils, which are available, then add on as many resistive magnets while keeping the operating costs within reason. Then you get a considerably higher magnetic field.

This is not that easy. You very quickly have to contend with various technical limitations. These are, for example, the very high forces that can arise between the individual coils, but primarily it is the high complexity. All at once you no longer have just ten, but a hundred things that have to work simultaneously. And ‘simultaneous’ really does mean that. If one thing doesn’t work, everything shuts down. And that is a real challenge. Which is why a hybrid magnet is rather rare.

The expenditure for the magnet is pretty large. Development and construction have taken years, the whole infrastructure needs a separate new building – how has that happened?

The keyword as to why it is all so complicated is hybrid magnet. You have to meet quite different technical requirements for the superconducting and resistive coils simultaneously. This produces large-scale systems in the end. And there are not many people in the world who want to go to the trouble of building a device like this. But it offers the means of creating very strong magnetic fields while at the same time keeping the operating costs within reason.

You need to keep in mind that in creating such strong magnetic fields, we are still not very far along actually and that we are really working at the edge of the envelope. We are improvising with things that we have – the superconducting and resistive magnets – even though they are not very compatible with one another, to enable us to carry out leading edge research. In the hope we learn enough in the process that things with the next magnet look a lot better.

What is it exactly that makes hybrid magnets so complex?

Well, there are two aspects. Firstly, it is frankly always better to have just one coil, rather than two. This is because you do not have as many forces working against one another, and you do not have to be so extremely cautious and careful with the many mechanical aspects, or with the electrical ones either. In normal operation, everything continues working fine with two, but quickly becomes dangerous if small perturbations occur.

The other point is that superconducting and resistive magnets are worlds apart. You have one magnet that you must cool to very low temperatures using liquid helium. You have to put it in an evacuated container and go to a lot of expense and trouble to prevent thermal radiation from penetrating the container. And then you have to combine it – with as little spatial separation as possible – with an installation that creates a great deal of heat, which you need an enormous quantity of cooling water for. So you therefore have one unit operating at very low temperatures in immediate proximity to another unit which you have to pump several dozens of litres of water each second through in order to get rid of the heat. And that creates vibrations, among other things, which naturally you don’t want. Incompatible operating characteristics simply have to be made compatible.

The reason is simple – they are two standalone systems that separately evolved over a period of years. Without one system considering the other. Then someone comes along and says “Now we have to co-locate and jointly operate the two”. That doesn't work at first, of course. Then you try to find compromises. There have to be compromises. And that is what makes it so difficult probably.

You developed and built the High-Field Magnet in close collaboration with the National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida. How did this collaboration develop?

At the moment, there are just four hybrid magnet projects world-wide. That is not very many. And there is actually only one single hybrid magnet at the moment that is being used in what we call scientific user-service, i.e. where scientists can go with their samples and make their measurements. And that is the hybrid magnet in Tallahassee.

Which means we did not have very many choices when it came to partners for the collaboration. What made Tallahassee attractive in addition is that the working group there is large enough. They have brought together breadth and depth of expertise in a group of forty or fifty people, so if you have to deal with many different issues, you can get them resolved through various people within the group. Despite the great complexity. It is doable there.

The magnet consists of many different components. How do you make sure that everything works together in the end?

There are a lot of opportunities to run tests during initial development, and you have to use every opportunity, because a magnet is indeed so very complex. But you are correct – we only get the really crucial result at the very end. And you have to make this risk as small as possible. For a superconductor, that means you cannot be 100.0% certain as long as the superconductor has not been cooled and then hit with power. And that can only happen once the coil has been finished. Naturally, you test the conductor by itself, at low temperatures as well. You run the power through and see if the conductor withstands the forces. But you can only be absolutely certain that the coil you’ve wound from this conductor also really works at the very end. That is the difficult point and really also the tough demand you have in working with superconductors…

Things are not so terribly complicated with the equipment and technical facilities, but here as well, all components are individually tested prior to commissioning the magnet.

That means you have to live with considerable uncertainty over quite a long period of time.

I don’t think there is any other way. It’s like this. You think about how it would be if life could be a little simpler – you would always like to have as much certainty as possible. But you also have to accept that at some point, a balance has to be struck between the efforts you go to, which all costs money that you have to get from somewhere, and the result. Risk assessment is a very important, but also very difficult task in almost every project. And I believe ... it is almost a philosophical matter, because zero risk is impossible anyway. We simply have to deal with it. The question is how close to zero can you reduce risk? Physicists recognise this. They call it approaching something asymptotically...

One of your most important tasks in this project was establishing and maintaining communication between the various partners. Were you prepared for this?

Actually I wasn’t. Communication is difficult at the best of times. People always experience this in their careers, once they have been around for awhile – that things don't work due to human shortcomings, even though they could work technologically. When you then notice how surprisingly large the differences are that can be seen between people, when you are working in an international arena, then I must say it is experience you have acquire yourself. I didn’t have this experience at the beginning.

And how did you deal with that?

You have to have the determination to find a solution, to find a way, and then also be flexible at the same time. To be willing to discuss things, even when difficult, and find areas of agreement. When various highly-qualified people work together, they all have to be convinced, they have to believe unanimously that the right way has been found. When only one person leads the way and the others say "Well, I will go along with it, but it is not going to work anyway” – that’s no way to proceed.

It becomes really difficult once there are no more technical arguments left. You try to get back to the engineering, to the calculations, that always works as a last resort. Then things become objective and you can come up with criteria. Saying that “I just don’t get along with this person well enough” is not a criterion.

The partners in this collaborative effort on the High Field Magnet are spread halfway around the world. How do you manage to communicate reliably?

That is an important point. We are working with very complex things and live permanently with the risk, sometimes a bit more or a bit less, that misunderstandings occur, that something hasn’t been explained well enough. You produce a lot of paper, you write a lot of emails, you meet via video conferencing, you communicate over the phone ... but despite all this, real certainty only ever comes through a conversation in person. It is only then that you can examine all the details in depth and in case of doubt, check whether your counterpart understands everything that you want. Because I will not get what I need if I haven't explained it well enough. And that doesn't happen without personal contact.

It is always enormously important that you can watch someone doing the work, and what is being worked on where, and how. They are such simple things like how the work place is organised, workplace safety, whether there is any risk that the work performed will be defective because the tools are not up to the task - there are lots and lots of little details. The worst is the more you think about things, the more things occur to you. And you can really only check them if you are on-site in person.

Perhaps we shouldn’t complicate it with reasons. It is simply a matter of conscientiousness. You have to be convinced that what is meant to happen actually will happen. That is a question of personal responsibility. Just writing up a contract and a couple pages of technical specifications – that would be unimaginable.

With as many things that can go wrong in a project like this, have you been able to sleep well the last few years?

Not always. You wake up lots of times... But you go back to sleep again too. Psychology is sometimes a difficult topic. Even if you have assembled as much information as humanly possible, the thought always surfaces: have I overlooked something, is there any kind of risk still, is there anything else that can be done? Because in the end, you simply want to get it right. And that leads to waking up in the middle of the night occasionally.

What do you do in case of doubt?

I have to articulate that doubt. A well-reasoned question has to form in my mind that I can pose to someone. And then I reach for the phone. We have various people with expertise in various areas, and I can discuss it. That is a most important point, if something is unclear: try to talk about it.

And also the other way around, in case someone comes to me with doubts. Not to shrug them off. Listen. And try to find an answer. It is possible that the answer is simply “impossible”. But it can also be possible, and necessary, to think something over, re-calculate something, or possibly even take action.

The magnet has now arrived in Berlin and this is the final stretch, so to speak. What is the schedule for the next steps?

Scheduling is always a difficult subject ... my aversion to talking about scheduling is a characteristic that has grown with the increasing duration of the project!

We think we will begin the cool-down in summer. But a hundred things can still go wrong that cause delays, because repairs are needed, etc. I hope that we do not have to chase down a leak again for a couple weeks like in Chivasso. And then we might just get started in summer... But we also do not know precisely how long it will take for the coil to cool down. A couple of weeks...

And then we will carry out all possible electrical tests very, very cautiously. Because when operating a superconducting magnet containing this much energy, you really have to have everything under control. All the control systems, the emergency shutdown systems, they all have to be tested in turn. That takes time... We are still writing the operational testing protocol, and I assume that the protocol will continue to be written even during the operational tests. And things will continue to occur to us that we want to test. It is just too important. We have invested too much effort to permit any risk during commissioning!

Jetzt ist der Magnet in Berlin angekommen und es geht in den Endspurt, sozusagen. Wie ist denn der Zeitplan für die nächsten Schritte?

Peter Smeibidl: Zeitpläne sind immer schwierig… Das ist eine Eigenschaft, die sich mit zunehmender Projektdauer ergeben hat: Mein Widerwillen über Zeitpläne zu sprechen ist immer größer geworden!

Wir denken, dass wir im Sommer anfangen werden abzukühlen. Aber da können noch hundert Sachen schiefgehen, die zu Verzögerungen führen, weil Reparaturen notwendig werden oder ähnliches. Ich hoffe nicht, dass wir nochmal, wie es in Chivasso war, ein paar Wochen lang ein Leck suchen müssen. Und dann könnte es im Sommer losgehen... Aber wir wissen auch nicht ganz genau, wie lange es dauern wird, bis die Spule abgekühlt ist. Ein paar Wochen...

Und dann werden wir sehr, sehr vorsichtig alle möglichen elektrischen Tests machen. Denn um einen Supraleitungsmagneten mit diesem hohen Energieinhalt zu betreiben, da muss man wirklich alles unter Kontrolle haben. Da müssen alle Kontrollsysteme, die Notabschaltsysteme, das muss alles der Reihe nach getestet werden. Das dauert...

An dem Testbuch schreiben wir noch und ich nehme an, es wird auch während der Tests noch am Testbuch geschrieben werden. Es wird uns dann immer noch etwas einfallen, was wir testen wollen. Dafür ist es einfach zu wichtig. Wir haben zuviel Arbeit da reingesteckt, um jetzt bei der Inbetriebnahme ein Risiko zu erlauben!

Die Lecks sind gefunden, nun kann es ans Aufrichten des Hochfeldmagneten gehen. Auch das muss gut geplant sein: Denn der Hochfeldmagnet ist zwar ungefähr nur so groß wie ein Auto, aber etwa zwanzigmal so schwer, je nachdem was man alles noch mit einrechnet. Trotzdem bleibt für die Probe nur eine kleine Kammer, höchstens ein Zuckerwürfel hätte darin Platz. Das liegt daran, dass der Magnet wie eine russische Matroschka aus vielen Schalen besteht. In dieser extrem vereinfachten Grafik habe ich das mal skizziert:

Die äußerste Schale (grau) ist ein „Wärmeschild“, eine Art Thermoskanne für den gesamten Magneten. Ein Vakuum sorgt dafür, dass fast keine Wärme aus der Umgebung an die supraleitende Spule kommt, die das Hintergrundmagnetfeld erzeugt. Denn die muss mit flüssigem Helium auf minus 269 Grad Celsius oder 4 Kelvin abkühlt werden, damit sie supraleitend bleibt. Dabei fließt das Helium nicht nur außen um die Spule herum (wie in der Grafik hellblau angedeutet), sondern auch durch die Zwischenräume der supraleitenden Kabel. Diese supraleitende Spule (pink) erzeugt ein konstantes Magnetfeld von 13 Tesla. Das ist zwar schon hoch, aber nicht hoch genug für die spektakulären Einblicke in exotische Quantensysteme, die die Physiker am Hochfeldmagneten erreichen wollen.

Daher gibt es einen weiteren Magneten im Innern der supraleitenden Spule. Er besteht aus Kupferplatten (orange) und schafft weitere 14 Tesla. Genau in der Mitte, dort wo die Probe später sitzen wird, ist dann das Magnetfeld 27 Tesla stark. Doch Kupfer ist nicht supraleitend, sondern wird warm, wenn ein Strom fließt. Das Metall würde bei den angepeilten Stromstärken schmelzen. Deshalb hat das HFM-Team eine Wasserkühlung (blau) eingeplant, die gewaltige Wassermassen mit Hochdruck durch die Löcher innerhalb der Kupferplatten presst und so die Wärme abführt.

Als nächste Schale folgt wieder eine spezielle „Thermoskanne“, der Probenkryostat (hellgrün). Der Probenkryostat kühlt die Probe auf die gewünschten Temperaturen, bis fast an den absoluten Nullpunkt oder minus 273 Grad Celsius. Die Konstruktion dieses Kryostaten war knifflig, denn er muss in die nur 50 mm breite Bohrung passen und dabei gut erreichbar bleiben, um Proben wechseln zu können. Für die Probe selbst bleibt nur etwa ein Kubikzentimeter Platz, einen Zuckerwürfel könnte man gerade noch im Probenkryostaten platzieren. Gut, dass die neuartigen Materialien und Kristalle, die die Physikerinnen und Physiker hier demnächst untersuchen, meist noch deutlich kleiner sind.

Mehr Informationen zum Aufbau des Hochfeldmagneten finden sich auf der HFM-Webseite.

Und hier kommt noch die Legende zum Magnetquerschnitt, die farbigen Striche entsprechen etwa dem Durchmesser der entsprechenden Schale

Bei den vielen Dinge, die schiefgehen können in so einem Projekt: Haben Sie gut geschlafen in den letzten Jahren?

Peter Smeibidl: Nicht immer. Man wacht schon manchmal auf... Aber man schläft auch wieder ein. Psychologie ist manchmal was Schwieriges. Selbst wenn man sich so viele Informationen verschafft hat wie nur möglich, es kommen immer mal Gedanken hoch: hab ich was übersehen, gibt’s da noch irgendein Risiko, gibt’s da noch irgendetwas, was man tun kann. Denn am Ende ist es doch so: Man will’s halt richtig machen. Und das führt dann dazu, dass man nachts ab und zu mal wach ist.

Was machen Sie, wenn sich Zweifel rühren?

Ich muss die Zweifel artikulieren. Mir muss eine vernünftige Frage einfallen, die ich jemandem stellen kann. Und dann greife ich zum Telefon. Wir haben verschiedene Leute mit Expertise auf verschiedenen Gebieten, und dann diskutier ich das. Das ist einer der wichtigsten Punkte, wenn irgendetwas unklar ist: versuchen, darüber zu reden.

Und auch andersrum, wenn jemand mit Zweifeln zu mir kommt: nicht wegwischen. Zuhören und versuchen, eine Antwort zu finden. Das kann sein, dass die Antwort ist: Unsinn. Aber es kann auch sein, dass es notwendig ist, weiter nachzudenken, etwas nachzurechnen oder vielleicht sogar etwas zu tun.

Flugreise mit Beinfreiheit. Passagiersitze im Frachtraum mit dem Magneten (Foto: P. Smeibidl/HZB)

Der Hochfeldmagnet hat ja ein paar große Reisen hinter sich – mit dem Flugzeug von Tallahassee nach Italien und dann auf dem Lkw nach Berlin – und es waren erfahrene Spediteure, die diese Transporte durchgeführt haben. Trotzdem war auch immer mindestens einer vom HZB-Team mit dabei.

Ich glaube, das war einfach deswegen wichtig, weil wir am Anfang nicht genug über die Risiken wussten. Wir haben uns wirklich Sorgen gemacht! Und wenn Sie so viele Jahre Arbeit in eine Angelegenheit reinstecken, dann überlegen Sie sich hundert Kleinigkeiten, die schiefgehen könnten.

Der Punkt ist wirklich: auch wenn man keine absolute Sicherheit herstellen kann, muss man doch immer weiter daran arbeiten. Wir haben nicht nur eine namhafte Firma beauftragt, die uns die Transportsicherung, die Verpackung und all diese Dinge entworfen hat, sondern wir wollten auch sehen, was machen die Leute damit, welches Gerät verwenden sie, und so weiter.

Und ganz am Ende, ich weiß nicht, ob ich das sagen soll... Ganz am Ende kommt dann auch irgendwie die psychologische Komponente rein. Irgendwo denkt man dann, mann will dabei sein und sehen, ob irgend jemand einen Fehler machen könnte, dann fühlt man sich sicherer. Ohne dass man jetzt noch ein Argument hat, aber man steht daneben und fühlt sich wohl, weil man einfach denkt: Jetzt habe ich alles unter Kontrolle.

Die Kooperationspartner beim Hochfeldmagneten sind über die halbe Welt verteilt. Wie schafft man es da, zuverlässig zu kommunizieren?

Peter Smeibidl: Das ist ein wichtiger Punkt. Wir arbeiten mit sehr komplexen Dingen und da leben wir permanent, mal mehr, mal weniger, mit dem Risiko, dass Missverständnisse auftreten, dass irgendetwas nicht gut genug erklärt worden ist. Man produziert viel Papier, man schreibt viele Emails, man trifft sich über Video-Konferenzen, man kommuniziert per Telefon... aber die wirkliche Sicherheit ist trotz allem immer wieder ein persönliches Gespräch. Nur da kann man wirklich die letzten Details ausloten und kann eben im Zweifelsfall auch feststellen: hat mein Gegenüber alles verstanden, was ich haben will? Denn ich werde nicht bekommen, was ich brauche, wenn ich es nicht gut genug erklärt habe. Und das geht nicht ohne persönlichen Kontakt.

Bei uns ist es auch enorm wichtig, dass man sieht, wer arbeitet, und dass man sieht, wo gearbeitet wird, unter welchen Bedingungen. Das sind so ganz einfache Sachen wie die Organisation eines Arbeitsplatzes, die Sicherheit am Arbeitsplatz, gibt es Risiken, dass Arbeiten nicht funktionieren weil die Werkzeuge nicht gut genug sind – das sind viele, viele Detailfragen. Das Schlimme ist, je mehr man drüber nachdenkt, desto mehr Dinge fallen einem ein. Und die kann man eben nur überprüfen, wenn man irgendwo auch persönlich vor Ort ist.

Vielleicht sollte man es auch mit den Begründungen nicht so kompliziert machen. Das ist einfach eine Frage der Sorgfalt. Dass man sich überzeugt, ob wirklich das passiert, was vorgesehen ist. Das ist eine Frage der eigenen Verantwortung. Nur einen Auftrag schreiben und ein paar Seiten technische Spezifikation – das wäre unvorstellbar.

Geduldiges Erklären, immer wieder nachfragen - so lange, bis man sicher ist. (Photo: Phil Dera/HZB)

Diese Tage arbeitet das HFM-Team pausenlos daran, das Vakuum im Hochfeldmagneten herzustellen. Da stelle ich mir als Physikstudentin die Frage: Wozu wird dieses Vakuum überhaupt benötigt? Und was hat die Sache mit einer ganz gewöhnlichen Thermoskanne gemeinsam?

Die Antwort: Isolation. Wie Peter Smeibidl in den Interviews schon erklärt hat, ist das Besondere am Hochfeldmagneten, dass er sich aus zwei Magneten zusammensetzt. Und diese beiden sind grundverschieden: Der eine ist ein resistiver, also „normaler“ Magnet aus Kupfer, der andere ein supraleitender. Supraleitung kann jedoch nur funktionieren, wenn es sehr kalt ist. Die supraleitende Spule muss also gegen die Wärme, die durch den Kupfermagneten produziert wird, abgeschirmt werden – und das auf sehr kleinem Raum! Hier kommt das Vakuum ins Spiel: Es verhindert die Übertragung von Wärme, die eigentlich nichts anderes als Schwingung von Molekülen ist. Je weniger Moleküle vorhanden sind, die ihre Schwingungsenergie über Stöße auf ein anderes Medium übertragen können, desto weniger Wärmetransport findet statt. Da im Vakuum kaum Moleküle vorhanden sind, kann also auch kaum Wärme übertragen werden! Deshalb ist die supraleitende Spule von einem Hochvakuum umgeben.

In meiner Thermoskanne herrscht zwar kein Hochvakuum, jedoch zumindest ein kleiner Unterdruck zwischen dem Tee und der Umgebung. Das verhindert, dass der Tee seine Wärme rasch an die Außenwelt abgeben kann – und er bleibt heiß. Das gleiche Prinzip also wie beim HFM, nur im Taschenformat.

While the pumps are still running for the high field magnet, here's a very nice comic "demonstration" from [xkcd's][xkcd] ["What if"][whatif]-series about hypothetical vacuum situations in glasses of water:
[What if a glass of water was, all of a sudden, literally half empty?][halfempty]

[xkcd]: http://xkcd.com/
[whatif]: http://what-if.xkcd.com/
[halfempty]: http://what-if.xkcd.com/6/

Eine Ihrer wichtigsten Aufgaben in diesem Projekt war die Kommunikation zwischen den verschiedenen Partnern sicherzustellen. Waren Sie darauf vorbereitet?

Peter Smeibidl: Eigentlich nicht. Kommunikation ist ja sowieso schwierig. Man erlebt das immer in seinem Berufsleben, wenn man eine Zeitlang dabei ist, dass Dinge aufgrund menschlicher Unzulänglichkeiten nicht funktionieren, obwohl sie technisch funktionieren könnten. Wenn man dann aber feststellt, wie überraschend große Unterschiede zwischen Menschen erkennbar werden, wenn man international arbeitet, dann muss ich sagen, das ist einfach eine Erfahrung, die man selbst machen muss. Ich hatte die Erfahrung nicht.

Und wie sind Sie damit umgegangen?

Man muss den Willen haben, eine Lösung zu finden, einen Weg zu finden, und dann eben auch flexibel dabei zu sein. Bereit sein zu diskutieren, auch wenn’s schwierig wird, und eine Übereinstimmung zu finden. Denn wenn verschiedene hochqualifizierte Leute zusammen arbeiten, dann müssen sie überzeugt werden, dann müssen sie alle gleichzeitig glauben, das ist jetzt der richtige Weg. Wenn einer nur vorgeht und die anderen sagen „Naja, ich arbeite jetzt zwar mit, aber das funktioniert sowieso nicht“ – das ist keine Basis!

Wirklich schwierig wird es, wenn man keine technischen Argumente mehr hat. Das ja ist immer der Strohhalm, der am Ende noch funktioniert, dass man versucht, sich auf die Technik, auf die Berechnungen zurück zu ziehen. Dann wird’s sachlich und dann kann man Kriterien finden. Es ist eben einfach kein Kriterium zu sagen „Diese Person ist mir nicht sympathisch genug“.

Der Hochfeldmagnet besteht aus vielen verschiedenen Komponenten. Wie stellen Sie sicher, dass die am Ende auch alle zusammen funktionieren?

Peter Smeibidl: Es gibt viele Möglichkeiten im Vorfeld zu testen, und die muss man auch alle anwenden weil so ein Magnet eben sehr komplex ist.

Aber es stimmt, das wirklich wichtige Ergebnis bekommen wir erst ganz am Ende. Und dieses Risiko muss man so klein wie möglich machen. Und bei einem Supraleiter heißt das: man kann nicht Hundertkommanull-Prozent sicher sein, solange der Supraleiter nicht abgekühlt und dann mit Strom beaufschlagt wird. Und das geht eben erst, wenn die Spule fertig gebaut ist.

Man testet natürlich den Leiter allein, auch bei tiefen Temperaturen. Man schickt Strom durch und sieht zu, ob er die Kräfte aushält. Aber eine absolute Sicherheit, dass dann die Spule, die man aus diesem Leiter gewickelt hat, auch wirklich funktioniert, die gibt’s erst am Ende. Das ist der schwierige Punkt und wirklich auch die harte Anforderung, die man bei der Arbeit mit Supraleitung hat.

Bei der technischen Infrastruktur ist das nicht ganz so kompliziert, aber auch hier werden alle Komponenten vor der Inbetriebnahme des Magneten einzeln getestet.

Das heißt, man lebt mit einer beachtlichen Unsicherheit, über eine ziemlich lange Zeit.

Ich glaube, es geht nicht anders. Es ist schon so, dass man manchmal drüber nachdenkt, dass das Leben ein bisschen einfacher wäre – man will ja immer möglichst viel Sicherheit haben. Aber man muss auch akzeptieren, dass irgendwo eine Balance herzustellen ist zwischen dem Aufwand, den man betreibt, denn das ist ja alles auch Geld, das wir irgendwo bekommen müssen, und dem Ergebnis.

Risikobeurteilung ist eine sehr wichtige, aber auch schwierige Aufgabe in beinahe jedem Projekt. Und ich glaube... das ist jetzt fast schon Philosophie: Risiko null geht sowieso nicht. Das müssen wir einfach aushalten. Die Frage ist: wie nahe null kann man das Risiko bringen? Physiker kennen das. Das nennt man dann logarithmische Annäherung …

Aber was heißt schon leer? Wieviel (Luft-)Moleküle dürfen noch in einem Raum sein, den man als Vakuum bezeichnet?

Diese Frage ist gar nicht so einfach zu beantworten. Im Alltag spricht man zum Beispiel von vakuumverpackten Lebensmitteln, obwohl eigentlich nur etwas Unterdruck herrscht. Dieser entsteht, weil ein paar Sauerstoffmoleküle entfernt wurden und die Verpackungsfolie gasdicht und eng angelegt ist. Mit einem richtigen Vakuum im technischen Sinn hat das nichts zu tun.

Das Vakuum im Weltraum ist im Vergleich dazu deutlich extremer. Hier trifft ein Teilchen nur alle 10¹¹ Kilometer ein anderes Teilchen. Der Druck beträgt im Interplanetaren Raum deshalb nur 10^-18 Millibar.
Ganz so weit müssen es wir es hier am Hochfeldmagneten nicht treiben. Wir sind mit unserem Vakuum schon zufrieden, wenn wir im Inneren des Kryostaten einen Druck von 10^-4 bis 10^-6 Millibar erreichen. Das ist schon ein richtig ordentliches Hochvakuum und bedeutet: hier begegnet ein Teilchen einem anderen im Durchschnitt nach einem Kilometern.
Um das zu schaffen, pumpen wir in zwei Etappen. Die erste Etappe bis 1 Millibar, den sogenannten Vordruck, schafft eine mechanisch wirkende Vakuumpumpe, indem sie einen Sog erzeugt und die Moleküle gewissermaßen heraussaugt. Ganz nach dem Prinzip eines Staubsaugers.
Danach wird es schon schwieriger, und es ist eine [Turbomolekularpumpe (TMP)][tmp] gefragt. Diese erzeugt keinen Sog, sondern gibt den ankommenden Molekülen einen Impuls und schlägt sie gewissermaßen heraus. Das heißt, das Ganze dauert ein Weilchen, denn man muss warten, bis immer mal wieder ein Molekül an der Pumpe vorbeifliegt und auf die Rotorblätter auftrifft. Da sich Moleküle ziemlich ungeordnet bewegen und auch an Wänden haften, kann man sich das in etwa vorstellen wie beim Aufschütteln von Styropor.
Wir rechnen damit, dass das Pumpen mit der TMP zirka eine Woche dauern wird. Wir müssen also die Messwerte beobachten und schauen, wie es voran geht.
[tmp]: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cut_through_turbomolecular_pump.jpg

Sie haben den Hochfeldmagneten in enger Kooperation mit dem National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida, entwickelt und gebaut. Wie kam diese Kooperation zustande?
Peter Smeibidl: Momentan gibt es weltweit gerade mal vier Projekte für Hybridmagnete. Das ist nicht viel. Und es gibt eigentlich nur einen einzigen Hybridmagnet, der im Moment, wie wir sagen, im wissenschaftlichen Nutzerdienst verwendet wird, wo also Wissenschaftler hinfahren, ihre Probe mitnehmen und dann dort ihre Messung machen. Und das ist der Magnet in Tallahassee.
Das heißt wir hatten gar nicht so sehr viel Auswahl was den Kooperationspartner angeht. Was außerdem für Tallahassee sprach war, dass die Arbeitsgruppe dort nicht zu klein ist. Die haben eine ganze Menge unterschiedliche Expertise in einer Gruppe von vierzig, fünfzig Leuten vereinigt, so dass man das eben, wenn man verschiedenste Themen bearbeiten muss, innerhalb der Gruppe mit verschiedenen Leuten gelöst kriegt. Und das, obwohl die Komplexität sehr hoch ist. Das ist dort machbar.

Der Aufwand für den Hochfeldmagneten ist ganz schön groß. Entwicklung und Bau haben Jahre gedauert, allein die Infrastruktur braucht ein ganz neues eigenes Gebäude – wie kommt das?

Peter Smeibidl: Das Stichwort, warum das alles so kompliziert ist, ist Hybridmagnet. Man muss ganz unterschiedliche technische Anforderungen für die supraleitende und für die resistive Spule gleichzeitig erfüllen. Das ergibt am Ende sehr große Systeme. Und das tun sich nicht sehr viele Leute weltweit an, so ein Gerät zu bauen. Aber es bietet eben die Möglichkeit, sehr starke Magnetfelder zu erzeugen und gleichzeitig die Betriebskosten im Rahmen zu halten.

Man darf nicht vergessen, dass wir, um so hohe Magnetfelder zu erzeugen eigentlich noch nicht weit genug sind, dass wir wirklich im Grenzbereich arbeiten . Wir improvisieren die Dinge, die wir haben, die resistiven Magnete und die supraleitenden Magnete, obwohl sie eigentlich nicht gut zusammenpassen, damit wir im Grenzbereich Forschung machen können. In der Hoffnung, dass wir dabei soviel lernen, dass der nächste Magnet schon wieder besser aussieht.

Was genau macht Hybridmagnete so kompliziert?

Da gibt’s zwei Aspekte. Erstens ist es eigentlich immer besser, nur eine Spule zu haben und nicht zwei. Weil man dann eben nicht so viele Kräfte hat, die gegeneinander arbeiten, und man nicht so vorsichtig sein muss in vielen mechanischen aber auch elektrischen Dingen. Das funktioniert im Normalbetrieb noch gut, wird aber schon bei kleinen Abweichungen schnell gefährlich.

Der andere Punkt ist, dass resistive und supraleitende Magnete zwei ganz unterschiedliche Welten sind. Sie haben einen Magneten, den müssen Sie bei sehr tiefen Temperaturen mit flüssigem Helium kühlen. Sie müssen ihn in einen Vakuumbehälter stecken und eine ganze Menge Aufwand betreiben, um zu verhindern, dass Wärmestrahlung in den Behälter kommt. Und dann müssen Sie das – räumlich möglichst eng zusammen – kombinieren mit einer Anlage, die sehr viel Wärme erzeugt und für die Sie eine große Menge Kühlwasser brauchen. Sie haben dann also eine Einheit, die bei sehr tiefen Temperaturen arbeitet, und in unmittelbarer Umgebung haben Sie eine andere Einheit, wo sie mehrere Dutzend Liter Wasser pro Sekunde durchfördern müssen, um die Wärme wegzubekommen. Und das erzeugt dann Vibrationen, unter anderem, die wollen Sie natürlich nicht haben. Da kommen einfach Betriebseigenschaften zusammen, die nicht zusammen passen.

Der Grund ist einfach, dass das zwei Systeme sind, die beide für sich allein jahrelang optimiert wurden. Ohne dass der eine an den anderen gedacht hat. Und dann kommt einer daher und sagt, jetzt müssen wir aber die beiden Sachen zusammenbringen. Das passt dann natürlich erstmal nicht. Und dann versucht man den Kompromiss zu finden. Es muss ja ein Kompromiss sein. Und das macht’s wahrscheinlich so schwer.

Der Hochfeldmagnet ist ein Hybridmagnet, das ist eher ungewöhnlich. Warum bauen Sie den gerade so?

Peter Smeibidl: „Normale“ Magnete, heutzutage, das wären eigentlich Supraleiter. Damit kann man sehr viel machen und da haben wir hier am HZB und früher am HMI auch schon sehr viel Erfahrung gesammelt. Es ist aber nun mal so, dass Supraleitungsmagnete einige physikalische Grenzen haben, und dass man eben bei einem ganz bestimmten Magnetfeld nicht mehr weiter kommt.

Und dann kann man überlegen, ob man rein resistive Magnete einsetzt, für viel, viel Geld, denn die brauchen sehr viel elektrische Leistung und verursachen damit unglaubliche Betriebskosten. Oder man muss die Komplexität der Sache steigern. Man muss also einen besonderen Typ Supraleitungsmagnete, sogenannte Cable-in-Conduit Spulen, die man schon hat, kombinieren und gerade so viel an resistiven Magneten dazutun, dass die Betriebskosten im Rahmen bleiben, aber man ein deutlich höheres Magnetfeld bekommt.

Und das ist eben nicht so einfach. Da kommen ganz schnell verschiedene technische Grenzen ins Spiel. Das sind zum Beispiel die sehr hohen Kräfte, die dann zwischen den einzelnen Spulen auftreten, aber vor allem ist es die hohe Komplexität. Auf einmal hat man nicht mehr nur zehn, sondern hundert Sachen, die gleichzeitig funktionieren müssen. Und gleichzeitig heißt wirklich: wenn eine Sache nicht geht, dann wird abgeschaltet. Und das ist schon eine große Herausforderung. Deswegen ist ein Hybridmagnet auch etwas sehr Seltenes.

The HFM-Team will be busy over the weekend. Over the past days, they have assembled the various components of the magnet. Now they are very carefully beginning to evacuate the system. Only a few molecules are allowed to stay inside. This will take up to a week, depending on how many leaks they will have to deal with.

They started with a small pump, which will bring them to a pressure of 1 mbar. After that, they will be using a molecular vacuum pump – quite an impressive piece of machinery, as you will see.

Peter Smeibidl ist der technische Leiter für das Projekt "Hochfeldmagnet". In einem der wenigen ruhigen Momente kurz vor der Ankunft des Magneten habe ich ihn zur Vorgeschichte und zu den diversen Herausforderungen im Laufe der Produktion befragt. Seine Antworten werde ich hier über die nächsten Tage weitergeben.

Am Hochfeldmagneten arbeitet ja ein ganzes Team. Wie kam dieses Team zusammen?

Peter Smeibidl: Der Hochfeldmagnet ist kein Durchschnittsprojekt für uns hier am HZB. Und wenn man ein Projekt außerhalb seiner Kernkompetenz macht, dann müssen auch die Leute von außerhalb kommen. Die mussten alle gesucht werden. Für ganz bestimmte Aufgaben. Und deswegen sind die auch ganz unterschiedlich. Es gibt keinen zweimal. Jeder hat ganz spezielle Aufgaben und ganz spezielle Eigenschaften.

Wonach genau haben Sie gesucht?

Eigentlich sind’s zwei Sachen. Wir haben wenig, aber wichtige administrative Bereiche in der Gruppe. Deswegen war eine der ersten, die angestellt worden ist, unsere Mitarbeiterin im Controlling. Übersicht zu haben beim Geld ist ja immer wichtig!
Und der zweite wichtige Bereich ist eben die Ingenieurarbeit. Wir haben zwar auch mehrere Physiker in der Gruppe, aber die Ingenieure sind fast noch wichtiger bei uns. Weil wir halt nicht bloß über Konzepte reden können, sondern wir müssen das Ding wirklich gebaut kriegen. Und dann muss eben jemand die Berechnungen im Detail machen. Wenn Sie von Matthias Hoffmann ausgehen, der ist mechanischer Ingenieur, der kann konstruieren, der kann zum Beispiel seinen Kryostaten haarklein in allen Details in 3D darstellen. Das ist wichtig, damit jeder versteht, wo sein Bereich ist und wie die Schnittstellen funktionieren.

Oder wenn Sie Stephan Kempfer anschauen, der ist ganz speziell als Elektroingenieur angestellt und betreut inzwischen praktisch die gesamte Technik im Technikum. Da arbeitet er eng mit Jochen Heinrich zusammen, der für die Heliumverflüssigung verantwortlich ist. Die beiden müssen sich ganz genau abstimmen.

Robert Wahle kam etwas später dazu, der ist etwas näher an der Wissenschaft. Er baut den sogenannten Probenkryostaten, die Komponente, die dafür sorgt, dass die Proben später für die Messungen auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden können.

Und dann gibt es noch unseren Techniker, den Christof Fritsche. Ein Techniker hat es wahrscheinlich nicht so leicht in so einer Gruppe. Jeder zerrt an ihm, hilf mir hier, hilf mir da… Und dann reisen wir ja sehr viel und das machen Techniker normalerweise nicht so sehr. Da hatten wir Glück, denn der Herr Fritsche konnte schon vorher ganz gut Englisch und deswegen war das kein Problem mit dem Reisen.

Viel gereist ist auch Hartmut Ehmler. Er war noch häufiger bei den Kollegen am MagLab in Tallahassee als ich, immer wochenweise, und hat dafür gesorgt, dass wir wirklich alles verstehen, was die da für uns bauen. Nichts wäre schlimmer als dass wir nicht Bescheid wissen, was wir da geliefert kriegen! Denn irgendwann werden wir ja ganz allein dastehen und das Gerät betreiben müssen.

The magnet has arrived safely and everybody has - more or less - recovered from the excitement of the trip and the unloading. Very soon now, the testing will begin. Because no matter how careful you are on the road, there is no way you can control every single bump or pothole.

Over the next days, the team will check every bolt and seam (again), and then they will start the vacuum pumps. This is the most important thing at this stage. They have to make sure that there are no leaks in the vacuum vessel. All gaskets have to be super-tight. Because after this, the magnet will be raised to its final position and many of its parts will irreversibly be out of reach for the engineers. So they better fix everything now. Or never.

Für die weitere Montage des Magneten in Berlin musste ein eigenes Gebäude errichtet werden, denn Montage und Tests werden Monate dauern und solange kann der Messbetrieb in der Neutronenleiterhalle, in der der Magnet später stehen soll, nicht ruhen. Die nächste Station für den Magneten ist daher ersteinmal das Technikum.

Später soll das dann mal so aussehen (V15 ist der Hochfeldmagnet mit dem Experiment EXED).