Wissenschaft und Technologie auf Weltklasse-Niveau: Die Geheimnisse hinter GSI und dem FAIR-Beschleunigerzentrum
Das GSI Helmholtzzentrum in Darmstadt betreibt eine der weltweit führenden Teilchenbeschleunigeranlagen. Aktuell wird bei GSI das FAIR-Projekt umgesetzt, ein bedeutendes internationales Beschleunigerzentrum für die Forschung mit Antiprotonen und Ionen.
Foto: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Dieses Großvorhaben, das von der wissenschaftlichen Community bei GSI angestoßen wurde, wird zusammen mit internationalen Partnern realisiert. Darüber sprechen wir heute mit Dr. Frank Becker vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, dort verantwortlich für die strategische Entwicklung des Technischen Geschäftsführungsbereiches
Wie kam es zur Entscheidung, das internationale Beschleunigungszentrum Fair in Darmstadt zu errichten, und welche strategischen Überlegungen wurden dabei angestellt?
Dr. Frank Becker: Die GSI blickt seit ihrer Gründung im Jahre 1969 auf eine inzwischen 55-järige Expertise in der Entwicklung sowie den sicheren Betrieb von Schwerionenbeschleunigern mit anspruchsvollen und wissenschaftlich herausragenden Experimentprogrammen zurück. Zu den wissenschaftlichen Meilensteinen der GSI zählen unter andrem die Erfolge in der Synthese neuer chemischer Elemente (Bohrium (107), Hassium (108), Meitnerium (109), Darmstadtium (110), Roentgenium (111), Copernicium (112)) und die Tumortherapie mit Kohlenstoffionen mit den durch GSI Knowhow realisierten Therapiezentren in Heidelberg und Marburg. Großforschungseinrichtungen wie die GSI werden in Deutschland über die Helmholtzgemeinschaft kontinuierlich bewertet und strategisch gesteuert, um die Großforschungs-infrastrukturen und -geräte für nationale und internationale Nutzer möglichst effektiv und den maximalen wissenschaftlichen Nutzen bereitzustellen.
Bereits seit den 90er Jahren entwickelten die Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen wissenschaftliche und technologische Konzepte für eine leistungsfähige Erweiterung der bestehenden GSI-Anlage, welche schließlich zum Projektantrag und Gründung der Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) GmbH führten.
Das zugehörige wissenschaftliche Programm gehört zu den umfangreichsten und international hochrangig eingestuften Forschungsprogrammen in der physikalischen Grundlagenforschung weltweit. Der FAIR Beschleunigerkomplex wird später Tausende von Forschenden in vier großen Forschungskollaborationen mit den spezifischen Teilchenstrahlen bedienen sowie deren Experimente beheimaten.
Ein wesentlicher Aspekt der Realisierung des FAIR-Projekts ist die Beteiligung internationaler Partner durch sogenannte In-Kind-Beiträge. Dabei entwickeln verschiedene Institute unserer FAIR Partnernationen Beschleunigerkomponenten und Forschungsinfrastruktur, die dann als maßgeschneiderte Hightech-Bauteile in die FAIR-Anlage integriert werden. Diese Beiträge ermöglichen es den Partnern den Projektverlauf sowie den späteren Betrieb mitzugestalten und gleichzeitig die Wertschöpfung und Knowhow Entwicklung in den Partnerländern voranzubringen. Dieses Modell fördert die internationale Zusammenarbeit und stellt sicher, dass alle Beteiligten als Gesellschafter Zugang zur gemeinsamen Forschungsinfrastruktur erhalten.
Hoher wissenschaftlicher Wert des Forschungsprogramms
Wie ist der aktuelle Status des FAIR-Projekts?
Wir haben die Rohbauphase des aktuellen Bauabschnitts erfolgreich abgeschlossen. Das bedeutet, dass sämtliche Beschleunigergebäude und die Innenräume fertiggestellt sind. Momentan befinden wir uns in der Hauptphase der Installation der technischen Gebäudeausrüstung. Kürzlich haben wir die nächste Phase, die Montage der Beschleunigerkomponenten im Tunnel gestartet und ein bedeutendes Presseevent dazu veranstaltet. Dies ist ein wesentlicher Meilenstein für die internationale Community, da es signalisiert, dass die Beschleunigerteile nun tatsächlich eingebaut werden.
Für die wissenschaftliche Community stellt dies einen entscheidenden Fortschritt dar, weil der Start der schrittweisen Beschleunigerinstallation und der bevorstehenden Inbetriebnahme die absehbare wissenschaftliche Nutzung der Anlage markiert. Aus Sicht der Öffentlichkeit mag der Unterschied möglicherweise weniger sichtbar sein, doch für die beteiligten Wissenschaftler bedeutet dies eine neue Zeitrechnung hin zum Tag der ersten Experimente in der neuen Anlage.
Zusätzlich ist unser FAIR-Experimentprogramm von mehreren hochkarätigen Review-Committees als herausragend bewertet worden. Dies unterstreicht den hohen wissenschaftlichen Wert unseres Forschungsprogramms. FAIR ist zudem auf der europäischen Roadmap für Spitzenforschung, der sogenannten ESFRI Roadmap, zentral verankert. Dies zeigt, dass Europa FAIR als Schlüsselprojekt für den Fortschritt in der Physik ansieht und verdeutlicht den bedeutenden wissenschaftlichen Impact, den unser Projekt haben wird, sobald die Anlage vollständig in Betrieb genommen ist.
Welche internationalen Partner sind am FAIR-Projekt beteiligt?
Zur Realisierung von FAIR wurde die FAIR GmbH als internationale Gesellschaft nach deutschem Recht gegründet. Die Gesellschafter stammen aus neun Ländern: Deutschland, Finnland, Frankreich, Indien, Polen, Rumänien, Russland, Slowenien und Schweden. Großbritannien ist als assoziierter Partner beteiligt, während die Tschechische Republik als Aspirant-Partner den Status einer Anwartschaft hat.
Neben den Gesellschaftern sind Partneruniversitäten und Forschungszentren aus über 50 Nationen Teil unseres lebendigen Netzwerkes zur Realisierung des Forschungsvorhabens.
Das internationale Partnernetzwerk ist ein dynamischer Prozess, der sich über die Jahre entwickelt hat. Die FAIR GmbH wurde 2010 gegründet, und die internationale Zusammenarbeit wurde durch die FAIR Konvention, einen völkerrechtlichen Vertrag zwischen den Partnerländern geregelt. Dieses vertragliche Konstrukt bildet die Grundlage für die Zusammenarbeit und stellt sicher, dass alle teilnehmenden Länder aktiv in das Projekt eingebunden sind.
Hohe Komplexität des Projekts erfordert besondere Maßnahmen
Das Bauvorhaben für die FAIR-Anlage umfasst auf rund 20 Hektar einzigartige Gebäudestrukturen. Welche Herausforderungen gab es bei der integrierten Bauablaufplanung, und wie wurde sichergestellt, dass Hoch-, Tief- und Ingenieurbau, Beschleunigerentwicklung und wissenschaftliche Experimente nahtlos aufeinander abgestimmt werden?
In der Tat, die hohe Komplexität des Projekts erfordert besondere Maßnahmen. Ein entscheidender Erfolgsfaktor für das Großbauprojekt ist eine starke, firmeneigene Bauherrenvertretung. Dies haben wir durch ein renommiertes, fachlich hervorragendes Team an Expert*innen erreicht. Sie übernehmen die Verantwortung für die Bauherrenvertretung und die Koordination mit den beauftragten Unternehmen. Durch diese Expertise konnten wir sicherstellen, dass Steuerung des Bauprojekts effektiv und professionell durchgeführt werden.
Für FAIR werden neueste Technologien und innovative Messmethoden entwickelt. Welche spezifischen technologischen Neuentwicklungen sind besonders hervorzuheben, und wie tragen sie zur Leistungsfähigkeit der Beschleuniger- und Experimentieranlagen bei?
Wir müssen zwischen der Gebäudeinfrastruktur, also dem Großbauprojekt, und den wissenschaftlichen Einbauten, also der Großforschungsanlage, die später in den Gebäuden installiert und in Betrieb genommen wird, unterscheiden.
Zum ersten Teil, der Gebäudetechnologie, wurden in vielen Bereichen technologische Grenzen erreicht. Beispiele hierfür sind:
- Grundwasserhaltung: Innovative Methoden zur Grundwasserhaltung wurden während des Bauvorgangs entwickelt und umgesetzt.
- Pfahlgründung: Über 1.300 Stahlbetonpfähle wurden aufgrund statischer Anforderungen und Bodengutachten unterhalb der Bodenplatten der Tunnel und Bauwerke installiert.
- Spezial- und Massenbeton: Die Betriebssicherheit und speziell die Sicherstellung der strengen Strahlenschutzauflagen sind unsere höchste Priorität und erforderten in der baulichen Umsetzung teilweise meterdicke Betonwände vorgegebener Dichte.
- Raumluftbehandlung: Die Raumluft um den Beschleuniger wird durch ein spezielles Verfahren in einem kilometerlangen und mehrere Meter durchmessenden Rohrsystem kontrolliert und geprüft, um eine strahlungsfreie Luftumwälzung sicherzustellen.
- Gebäude- und Anlagentechnik: Eine der größten Flüssigheliumanlagen weltweit wurde vor Ort eingerichtet, um die supraleitenden Magnete des Beschleunigers mit flüssigem Helium zu versorgen. Weitere wichtige Aspekte sind die Versorgung mit flüssigem Stickstoff sowie die Medienversorgung durch Gase, Wasser und Luft. Die Versorgungsgebäude sind stark verdichtet, um die Leistungs- und Steuerkabel bei möglichst geringem Flächenverbrauch aufzunehmen. Zudem wurde der FAIR-Beschleunigerkomplex über zwei neue Trafostationen an das öffentliche Hochspannungsnetz angeschlossen.
- Baustellenlogistik: Eine große Herausforderung war die Gestaltung der Baustellenlogistik, um eine möglichst störungsfreie Integration der Großbaustelle in die Umwelt und Umgebung zu gewährleisten. Die Betonmischanlagen werden vor Ort betrieben, sodass nur die Zuschlagstoffe transportiert werden müssen, was die Fahrten durch die anliegenden Ortschaften erheblich reduziert hat. Zudem wurde eine temporäre Baustraße errichtet.
Diese technologischen Herausforderungen und Lösungen sind entscheidend für den Erfolg und die Funktionalität des Projekts.
Moderne Technologien und einzigartige Experimente
FAIR arbeitet mit hochmodernen Technologien, um Teilchen auf Materialproben zu schießen und kosmische Materie im Labor zu erzeugen. Was sind die größten technologischen Innovationen, die bei diesem Prozess zum Einsatz kommen?
Die neue Anlage, insbesondere der supraleitende Kreisbeschleuniger SIS100, stellt einen wesentlichen technologischen Fortschritt dar. Sie ermöglicht eine signifikante Steigerung der Teilchenenergie und des Teilchenstroms. Das besondere Merkmal der SIS 100 ist die Fähigkeit, Teilchen mit schnellen Wiederholungszyklen auf die benötigte Sollenergie zu beschleunigen. Dies wird durch die einzigartige Bauweise der supraleitenden Magnete ermöglicht, deren Magnetfelder schnell hoch- und runtergefahren werden können, ein Alleinstellungsmerkmal der FAIR-Anlage.
Zusätzlich ist die Modernisierung der bestehenden GSI-Beschleunigeranlage ein wichtiger Schritt für FAIR, da die bestehende GSI-Beschleunigeranlage der Injektor für die FAIR-Anlage ist. Die GSI-Anlage wurde auf die zukünftigen Anforderungen hin angepasst und in ihren Leistungsdaten verbessert, um die Schwerionen Erzeugung für FAIR zu unterstützen.
Mit Experimentierstationen, die sich über mehrere Kilometer große Areal verteilen, ermöglicht FAIR eine Vielzahl von Experimenten. Welche Arten von Experimenten sind in diesen speziellen Experimentierringen und -stationen geplant?
Die NUSTAR Kollaboration untersucht mit vier großen Experimenten mit Hilfe von Sekundärteilchenstrahlen, die an einem Super Fragment Separator an einem Target erzeugt und herausgefiltert werden. Die durch die Kollision erzeugten Teilchen werden in ihren Zerfällen und Kerneigenschaften weiter untersucht und versprechen Antworten auf Fragestellungen hinsichtlich der Struktur von Atomkernen, der nuklearen Astrophysik sowie Kernreaktionen.
Die Compressed Baryonic Matter (CBM) Kollaboration wird das gleichnamige Experiment direkt hinter dem SIS 100 Beschleuniger betreiben, mit dem Ziel, Materiezustände extremer Dichte zu erforschen.
Die APPA Collaboration befasst sich mit einem weiten Forschungsfeld von Atom- und Plasmaphysik bis hin zu Biophysik/Strahlenbiologie und der Materialforschung.
Die PANDA Kollaboration mit dem zugehörigen Experiment wird die gespeicherten Antiprotonen nutzen, um die Struktur der Kernbausteine weiter zu erforschen.
Die Reihenfolge der Implementierung sieht zunächst die Inbetriebnahme der Nustar-Experimente, dann das CBM-Experiment, gefolgt von den dedizierten Aufbauten der APPA Kollaboration und schließlich den PANDA Detektor vor.
Menschen hinter den Innovationen
Sie haben viel über den technischen Bereich berichtet. Doch hinter jeder Technik stehen auch Menschen. Welche Qualifikationen und Fachkenntnisse sind besonders gefragt, um in diesem Bereich erfolgreich zu arbeiten?
Für unsere Spitzenforschung suchen wir ein erstklassiges Team (m/w/d), das nahezu die gesamte Bandbreite der Ingenieurwissenschaften abdeckt. Besonders gefragt sind Physik-, Maschinenbau-Ingenieur*innen, da sie eine zentrale Rolle in der Entwicklung und Betrieb des Beschleunigers und der Experimente spielen. Darüber hinaus benötigen wir Experten aus allen Ingenieurdisziplinen, insbesondere Elektroingenieur*innen, IT-Spezialist*innen, Maschinenbau, Logistik sowohl für die Herstellung als auch für den Betrieb der Anlage.
Unsere Anforderungen erstrecken sich von akademischen Berufen mit Berufserfahrung bis hin zu Berufseinsteigern, die Interesse an einem innovativen Umfeld haben. Wir suchen Mitarbeitende für die gesamte Palette – von Werkstatt- und Montagetechniker*innen bis zu hochqualifizierten Ingenieur*innen.
Welche Strategie verfolgen Sie, um Fachkräfte langfristig an Ihr Unternehmen zu binden?
Unsere Strategie zur Bindung von Fachkräften basiert auf mehreren Schlüsselmaßnahmen. Wir bieten langfristige oder direkt unbefristete Verträge, welche die notwendige Sicherheit und Planungsperspektiven gewährleisten. Zudem arbeiten unsere Mitarbeitende in einem innovativen, internationalen Umfeld, das von modernen Technologien geprägt ist. Die kontinuierliche Anwendung und Verbesserung von Technologien ermöglicht es unseren Fachkräften, sich ständig weiterzuentwickeln und über Jahrzehnte an der Spitze der Forschung und Entwicklung zu bleiben.
Zusätzlich bieten GSI und FAIR Karriereentwicklung, Gesundheitsangebote, familienfreundliche Arbeitsbedingungen, Betriebssportverein „Schnelle Ionen“, mobiles Arbeiten, Arbeiten im Grünen, gute Erreichbarkeit zentral im Rhein-Main Gebiet (ÖPNV, Auto, Fahrrad), kostenloses Parkhaus, abwechslungsreiche Kantinenverpflegung, Cafeteria und weitere Angebote für ein hervorragendes Arbeitsumfeld.
Wie viele Mitarbeitende haben Sie insgesamt?
Mit beiden Unternehmen zusammen – GSI und FAIR – beschäftigen wir insgesamt etwa 1.700 Mitarbeitende. Zudem besuchen uns jährlich bis zu 3000 Gastwissenschaftler*innen für die Durchführung Ihrer Experimente und Forschungsarbeiten.
Fotomontage der zukünftigen FAIR-Anlage.
Foto: ion42, D. Fehrenz, GSI/FAIR
FAIR und der Arbeitsmarkt
Welche Auswirkungen hat die Präsenz von GSI und FAIR auf den Arbeitsmarkt in Darmstadt und allgemein auf den Arbeitsstandort?
Als Ausbildungsbetrieb legen wir großen Wert darauf, uns in Zukunft noch stärker in verschiedenen Berufsgruppen aufzustellen, sei es in unseren Werkstätten, bei den Ionenquellen im Bereich der Energietechnik oder in der Verwaltung. Damit leisten wir einen wichtigen Beitrag zur gesellschaftlichen Verantwortung und unterstützen den Standort, indem wir Fachkräfte ausbilden und fördern.
Darüber hinaus sind wir ein bedeutendes Drehkreuz für akademische Berufe und bieten eine wertvolle Plattform für Personen, die nach einer wissenschaftlichen Ausbildung in die Industrie wechseln möchten, oder auch mit entsprechender Erfahrung aus der Industrie die Arbeit in einem attraktiven, innovativen Forschungsumfeld bevorzugen. Unser Ziel ist es, sowohl die talentierten Fachkräfte, die ihre Forschungsarbeiten bei uns abschließen, als auch zukünftige Mitarbeitende langfristig zu binden und für unsere anspruchsvollen Aufgaben zu gewinnen. Durch eine attraktive und individuelle Karriereplanung möchten wir sicherstellen, dass wir das benötigte Fachpersonal für den erfolgreichen Betrieb der Anlage langfristig an unser Unternehmen binden können.
Wir planen, unsere Zusammenarbeit mit Universitäten, Hochschulen und Schulen weiter zu intensivieren. Dazu gehören konkret verstärkte Partnerschaften mit den Universitäten und Hochschulen in der Umgebung, um frühzeitig Kontakt zu Studierenden aufzubauen. Unser Ziel ist es, sowohl Werkstudierende als auch Absolvent*innen gezielt und so früh wie möglich auf die vielfältigen Jobmöglichkeiten und Chancen hinzuweisen, die wir bieten. Durch diese enge Kooperation möchten wir sicherstellen, dass den Studierenden bereits während ihrer Studienzeit die Karriereperspektiven und Möglichkeiten bei uns klar sind und wir so die besten Talente frühzeitig an unser Unternehmen binden können.
Klare Vorstellung von den Möglichkeiten geben
Haben Sie Tipps für junge Absolventen, die sich für eine Karriere in diesem Bereich interessieren, sich aber noch unsicher sind, sich zu bewerben? Was würden Sie aus Ihrer Erfahrung heraus empfehlen?
Unsere aktuellen Stellenanzeigen sind über diesen Link zu finden: https://www.gsi.de/jobskarriere
Speziell für den VDI Recruiting Day haben eine wir in unserem Online Registrierungsformular die Rubrik „Recruiting Messe (VDI) ergänzt und bitten alle Interessierten sich darüber auf eine spezifische Stelle oder sehr gerne auch per Initiativbewerbung direkt zu registrieren: https://www.gsi.de/jobskarriere/stellenangebote/online-bewerbung
Wir bieten verschiedene Programme an, um den Kontakt zur GSI möglichst niedrigschwellig zu gestalten. Ein Beispiel ist das Get Involved Programm, das auch bei Veranstaltungen wie dem VDI Recruiting Day vorgestellt wird. Dieses Programm richtet sich an internationale und nationale Studierende, die erste Einblicke in unsere Arbeit erhalten möchten.
Zusätzlich haben wir ein Sommerstudentenprogramm, bei dem Studierende für ca. 8 Wochen in einer Forschungsgruppe arbeiten können. Dieses Programm bietet die Möglichkeit, einen tieferen Einblick in die wissenschaftliche Arbeit zu gewinnen und für sich zu prüfen, ob eine Karriere in der Forschung, einschließlich einer Promotion oder einer Position als Postdoc, für einen langfristig in Frage kommt.
Unser Ziel ist es, jungen Absolventen eine klare Vorstellung von den Möglichkeiten zu geben, die bei uns bestehen, und sie möglicherweise bald schon Teil unseres Teams werden, gemäß unserem Motto „Spitzenforschung. Spitzenteam“.
Mehr Infos erfahren Sie bei unserem Recruiting-Tag in Darmstadt am 13.September (Messestand 5 und drei Key Notes) – wir freuen uns mit Ihnen in Kontakt zu kommen!
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