Vorstoss in Nanowelten

Paul Scherrer Institut: Nussbaum und der neue SwissFEL Elektronenlaser


Um zu den kleinsten physikalischen Teilchen unserer Welt vorzudringen, braucht es riesige Hightech-Anlagen. Jüngstes Beispiel in der Schweiz ist die Grossforschungsanlage SwissFEL (Freier Elektronenröntgen-Laser) im Paul Scherrer Institut in Villigen. Ihre technische Infrastruktur, realisiert u.a. mit Optipress-Systemkomponenten, ist beeindruckend. Trotz ihrer 740 m Länge ist die Anlage für Ortsunkundige aber kaum sichtbar.

Text: Andreas Stettler, Olten / Fotos: Roland Spring, Oberburg


Das Objekt auf einen Blick
•    Paul Scherrer Institut, Villigen; Neubau Freier Elektronen-Röntgenlaser (SwissFEL)
•    Fläche: 16’900 m2
•    Volumen: 89’600 m3
•    Inbetriebnahme: schrittweise ab Sommer 2016
•    Investitionsvolumen: rund CHF 275 Mio.

Eingesetzte Nussbaum Systeme
•    Optipress-Rohre, Edelstahl, Dimensionen 15 bis 88,9 (2700 m), inkl. Fittings, Armaturen und Druckreduzierventile
•    Optipress-Therm, Edelstahl, Dimensionen 15 – 54

Am Bau Beteiligte
•    Bauherrschaft: Paul Scherrer Institut, Villigen
•    Totalunternehmer: ARGE EquiFEL Suisse/Federführung Alpiq Infra AG
•    Infrastruktur: ARGE SwissFEL-InTec c/o Alpiq InTec Ost AG
•    Sanitärplanung: ahochn AG, Dübendorf
•    Sanitärinstallationen: Alpiq InTec Ost AG, Winterthur



Der zweistöckige Neubau des SwissFEL ist so behutsam in die Waldlandschaft neben dem PSI-Hauptgelände eingebettet, dass man ihn beim Vorbeifahren nicht wahrnimmt. Auf weiten Teilen unterirdisch, ist er äusserlich unscheinbar wie funktional spektakulär. Es gibt derzeit nur zwei solcher Forschungsanlagen weltweit, drei weitere sind im Bau. Wissenschaftler rund um den Globus stehen permanent miteinander in Kontakt, während SwissFEL geplant und ausgeführt wird. Sie werden sich weiterhin austauschen, um an gemeinsamen Experimenten teilzuhaben oder über Forschungsergebnisse informiert zu werden.

Ganz neue Möglichkeiten    
Der Freie Elektronenlaser SwissFEL produziert kurze Pulse von Röntgenlicht mit den Eigenschaften von Laserlicht. Es ermöglicht den Forschenden, extrem schnelle Vorgänge – wie beispielsweise die Entstehung von Molekülen – zu erfassen. Damit erhalten sie Einblicke in die Natur, wie sie sonst mit heute verfügbaren Methoden nicht möglich sind. Sie erlauben unter anderem die Optimierung von Prozessen in der chemischen Industrie, die Entwicklung neuer Materialien für immer kleiner werdende Elektronikteile und neuer Medikamente sowie die Erforschung alternativer Energiequellen. Nutzer des SwissFEL werden andere Forschungszentren, Universitäten und die Industrie sein.

Optipress schafft die richtigen Bedingungen
Damit eine solch komplexe, kostspielige Hightech-Anlage auch wirklich tadellos funktionieren kann, müssen die Rahmenbedingungen perfekt sein. Das Gebiet im Würenlinger Wald ist beispielsweise fast frei von seismischen Vibrationen. Die Raumtemperatur im Strahlkanal darf ausserdem um höchsten 0.2 K schwanken, was  unter anderem von einer Vielzahl pneumatischer Regelventilen abhängt, die über Optipress-Aquaplus-Rohre und mehr als 30 Druckreduzierventile (DRV) mit Druckluft gesteuert werden. Die hohe Anzahl DRV ermöglicht das äusserst präzise Ansteuern der Monoblocks und somit die Einhaltung einer sehr konstanten Raumtemperatur.

Das Erreichen der enorm hohen Genauigkeit beim Aufbau der Laseranlage ist eine Höchstleistung der Ingenieurkunst; die Bereitstellung des Kühlkreislaufes eine Höchstleistung der Sanitärtechnologie. Das Wasser dafür wird zuerst enthärtet und anschliessend in einer Aufbereitungs- und Verteilanlage osmosiert. Mit nur 10 Mikrosiemens hat dieses Wasser praktisch keinen Leitwert mehr und stört deshalb die äusserst heiklen Vorgänge im Strahlkanal nicht. Entgasungsleitungen sorgen zudem dafür, dass es chemisch stabil bleibt. Transportiert wird es – wie auch das Trink- und Brauchwasser für die Nasszellen – in Optipress-Rohren, -Pressfittings (Typ A) und Armaturen aus Edelstahl von Nussbaum.

Druckluft treibt Ventile an
Man hätte die vielen Ventile des Kühlkreislaufes durchaus auch elektrisch antreiben können. Aber auch bei einem so renommierten Hightech-Projekt spielt das Kostenbewusstsein mit. Die Druckluft-Technologie war die wirtschaftlichere Variante und erlaubt den Einsatz von kleineren Kolbenventilen. Die Optipress-Verteilleitung (Dim. 76,1 und 88,9) erstreckt sich über beide Stockwerke und ist somit über 1,5 km lang. Eine Leitung dieser Länge und in diesem anspruchsvollen Umfeld muss höchsten Ansprüchen genügen. Deshalb haben die Installateure die Druckprüfung mit 15 bar durchgeführt, obwohl der Normalbetrieb mit 6 bar vorgesehen ist. Das Ergebnis beeindruckte selbst Armin Scheidegger, einen der verantwortlichen Projektleiter von Alpiq InTec. „Jede Verbindung mit den Optipress-Fittings wurde von unseren Leuten zu 100 % fehlerfrei ausgeführt“, rühmt Scheidegger seine Kollegen. „Hier zählte jedes Detail, wie zum Beispiel das konsequente und exakte Einhalten der Einstecktiefe.“ Über 130 Abgänge (Dim. 42) wurden montiert, um die Ventile und Arbeitsstationen – z.B. für die Reinigung von Anlageteilen – zu erschliessen. Die Druckluft dient auch zum Manövrieren eines Luftkissen-Transportgerätes zum Einbringen der rund 18 Tonnen schweren Maschinenteile für den Strahlkanal.


Das Paul Scherrer Institut (PSI) in Kürze
Das PSI ist das grösste Forschungsinstitut für Natur- und Ingenieurwissenschaften in der Schweiz. Die Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf drei Themenschwerpunkte: Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Das PSI entwickelt, baut und betreibt komplexe Grossforschungsanlagen. Jährlich kommen mehr als 2'500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Schweiz und der ganzen Welt ans PSI, um an den einzigartigen Anlagen Experimente durchzuführen, die so woanders nicht möglich sind.

Das PSI beschäftigt 2'000 Personen und hat ein jährliches Budget von rund CHF 370 Millionen. Es wird zum grössten Teil von der Schweizerischen Eidgenossenschaft finanziert. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL. Das Institut befindet sich im Kanton Aargau auf dem Gebiet der Gemeinden Villigen und Würenlingen, auf beiden Seiten der Aare.