“[...] and then when it got to $3 billion, they bid pi,” the source said, adding the bid was $3.14159 billion.

Soviel dazu.

NASA

Eine Computersimulation von AMS, wie es sich auf der ISS häuslich eingerichtet hat. Inklusive Meeresblick.

Disclaimer: Andrés Diplomarbeit befasste sich mit der Inbetriebnahme eines Teils des AMS-Experiments, so dass er einen ganz guten Überblick über das Experiment gewinnen konnte.

Eigentlich wäre es schon am 29.04. abends soweit gewesen: der letzte Start¹ des Space Shuttles Endeavour mit Startnummer STS-134 stand an. Wegen technischer Probleme² wurde der Start auf später verschoben. Der nächste Versuch ist heute. Um 14:56 Uhr unserer Zeit hören wir hoffentlich den Countdown auf »… LIFTOFF!« runterzählen.

Mit an Bord: der »Alpha Magnetic Spectrometer« (AMS). Ein faszinierendes Experiment, das angedockt an die internationale Raumstation ISS das Weltall nach Hinweisen auf Dunkle Materie, schwere Antimaterie und weiteren lustigen Physikdingsies untersuchen soll. Im folgenden Artikel möchten wir versuchen, euch ein bisschen von der Fuckyeah-haftigkeit der zu untersuchenden Sachen mit auf den Weg zu geben. Ein paar technische Hintergründe, wie das ganze realisiert wird, kommt dann die Tage. Wenn unsere Hormonspiegel sich wieder vom Raketenstart erholt haben und unsere Finger nicht mehr so sehr zittern.

AMS sucht, was es finden kann

Aus bisherigen Messungen weiß man, dass die kosmische Strahlung größtenteils (99 %) aus Protonen und Helium-Kernen besteht, alles andere teilt sich das mickrige Rest-Prozentchen. Und an diesem Restprozent ist man interessiert.
In dem Rest stecken nämlich viele Interessante Sachen, die teilweise extrem selten sind. Man braucht also ein sensibles Experiment, das einen möglichst großen Bereich gleichzeitig beobachten sollte. Und natürlich Zeit.
Genau dafür ist AMS-02 ausgelegt. »02« deswegen, weil es schonmal eine Art Generalprobe an Bord eines Space Shuttles gab. Die AMS-Experimente sind stark vereinfacht ein bisschen wie CMS³ in kompakt und mit dem Stromverbrauch einer Kaffeemaschine. Noch weiter vereinfacht ist es eine Kamera, die zwar keine hübschen Farbbilder von Galaxien macht, dafür aber sagen kann, woraus sich die Strahlung zusammensetzt. Extrem genau und für die nächsten 10-15 Jahre an der Raumstation angedockt (je nach dem, wie lange die ISS da oben und die Geldkonten hier unten durchhalten).

AMS ist eine Universalkamera, die dabei helfen soll, ganz viel unterschiedlichen Kram abzubilden, von dem Der Doktor noch nicht auf seiner Reise durch das Universum berichtet hat.
Beispiel gefällig? Man bestimme in der kosmischen Strahlung das Verhältnis von Beryllium-9 zu Beryllium-10 und berechne damit, wie lang das Beryllium bereits unterwegs war⁴. Beides entsteht nämlich in einem Stern im konstanten Verhältnis, die 10er Version ist aber instabil und zerfällt mit der Zeit. Weniger Beryllium-10 vorhanden, Teilchen länger unterwegs. Magic.

Neben der allgemeinen, universalen Messung, was in welchen Mengen zu uns gelangt, will AMS noch ein paar Special-Features untersuchen. Neben ultrahochenergetischer Gamma-Strahlung und Strangelets — auf die wir erstmal nicht weiter eingehen — gibt es noch zwei Haupt-Augenmerke, die Stoff für Science-Fiction-Geschichten liefern.

Dunkle Materie

Los gehts mit einem Begriff, den der ein oder andere Leser vielleicht schonmal gehört hat, unter dem sich die meisten aber vermutlich nicht viel vorstellen können. Wobei: »Dunkle Materie« beschreibt schon ziemlich gut, womit wir es hier zu tun haben: Einem Klumpen Etwas, das nicht sichtbar ist. Daher dunkel. Tada.
»Also so wie diese schwarzen Löcher, die alles schlucken?« — Nee! Zum einen weiß man bei denen relativ gut, wo sie herkommen⁵ und zum anderen kann man schwarze Löcher tatsächlich »sehen« (wenn auch nicht optisch).

Warum es Dunkle Materie geben muss

van Albada et. al

Misst man die Rotationsgeschwindigkeiten der Sterne in der Galaxie NGC-3198 kommt nicht das heraus, was man erwartet (»disk«). Erst das Hinzufügen zusätzlicher Materie in den Randbereichen (»halo«) löst das Problem (»disk« + »halo«).

Das mit der Dunklen Materie ist jedenfalls eine ganz andere Geschichte, die aber nicht weniger mysteriös ist. Denn bisher hat man sie noch nicht abbilden können. Aber aus verschiedenen Gründen weiß man, dass es sie geben muss.

Da ist zum Beispiel das mit den Rotationsgeschwindigkeiten. Hier bei uns im Sonnensystem drehen alle Planeten schön ihre Bahnen, so wie die Herren Kepler⁶ und Newton⁷ das festgelegt beschrieben haben. Kann man ausrechnen und wenn man sich nicht verrechnet, landet man auch da, wo man hinwollte.
Komischerweise passt das in größeren Maßstäben nicht mehr so gut: In Galaxien bewegen sich die äußeren Sterne zu schnell, als man anhand der sichtbaren Materie vermutet hätte. Da man massenweise Booster-Raketen und Knick in der Optik ausschließen kann, muss man sich was anderes einfallen lassen. Eine Lösung ist das Hinzufügen von weiterer Materie in die Räume zwischen den Sternen. Oder besser ausgedrückt: zwischen den Sternen ist nicht nur einfach nichts, sondern etwas, das wir nur nicht sehen können.

NASA

Große Massen beeinflussen die Lichtausbreitung und verzerren somit Lichtquellen.

Klingt erstmal bescheuert und weit hergeholt, aber andere Phänomene lassen sich ebenfalls dadurch erklären. Gravitationslinsen sind eines von ihnen. Ihr habt sowas vielleicht schonmal im Zusammenhang mit einer Darstellung von schwarzen Löchern gesehen: um ein schweres Objekt herum sind andere Lichtquellen verzerrt (wie in dem Bild rechts). Große Massen ziehen nämlich nicht nur noch mehr Massen an, sondern auch das Licht. Dummerweise hat man auch hier wieder Beispiele gefunden, die nur mit den sichtbaren Sternen und Galaxien nicht erklärt werden können. Nimmt man aber ein bisschen Dunkle Materie ins Boot, stimmen die Vorhersagen wieder mit den Messungen überein.

Tatsächlich haben wir ziemlich viel Dunkle Materie in unserem Universum. Schätzungen gehen davon aus, dass etwa 5 % die normale, sichtbare Materie ausmacht und ganze 23 % auf die Dunkle Materie gehen⁸.

Und was ist jetzt Dunkle Materie?

Dunkle Materie ist also etwas massives; etwas, das gravitativ wechselwirkt, also der Gravitation unterliegt. So wie der Apfel und die Planeten. Gleichzeitig wechselwirkt sie nicht elektromagnetisch, wir können sie schließlich nicht sehen⁹.
Ganz schön seltsam.

Wegen dieses untypischen Verhaltens weiß man nicht genau, was Dunkle Materie eigentlich ist. Aber man kann sich mögliche Szenarien ausdenken. Eines davon besagt, dass sie sich aus dem leichtesten, neutralen¹⁰ Teilchen der supersymmetrischen Erweiterungen zum Standardmodell (SUSY) zusammensetzt. Was jetzt ein wenig wie Bullshit-Bingo für Elementarteilchenphysiker anhört ist die Folge einer ziemlich komplexen Theorie, die man nicht mal eben in der Mittagspause versteht.

au_riverhorse

SUSY-Teilchen sehen nicht so aus. Aber der LEGO-Einhorn-Bausatz könnte so aussehen.

Hindert uns natürlich nicht daran, es trotzdem in ein paar Zeilen zu versuchen, um wenigstens ein bisschen mehr als »Hä? Wie? Susi wird erweitert? Die Arme!« zu verstehen. Die Teilchenphysiker arbeiten nämlich mit einer Art LEGO-Katalog für Elementarteilchen: mit 17 Teilchen wird der LEGO-Bausatz »Universum«¹¹ realisiert. Leider hat keines die oben von der dunklen Materie geforderten Eigenschaften, so dass wir gerne eine Erweiterung hätten. Quasi der »LEGO+«-Katalog. Mit der Bedingung, dass die Teilchen aus der Erweiterung auch zu unseren Standardteilchen passen. Wär ja blöd, wenn das Einhorn aus dem +-Katalog nicht auf unsere Standard-Löwenzahnwiese passen würde.

Bisher ist das aber nur eine Theorie. Vor allem ist es eine von vielen Theorien. Aber um die richtige Wahl zu treffen, braucht es Experimente. Und AMS ist eines davon¹². Es sucht in der kosmischen Strahlung nach Signalen, die diese Theorie bekräftigen würden¹³. Wenn das gelingt, ist das zwar noch nicht sicher die einzige und ultimativ richtige Erklärung, aber man hätte immerhin schonmal eine Richtung, in der ein weiteres Experiment genauer gucken kann.
Und wenn man dann irgendwann mal weiß, was Dunkle Materie ist, dann kann man damit bestimmt super Sachen machen. Wie z.B. Ninja-Anzüge, Darkrooms oder ultracoole Sonnenbrillen.

An dieser Stelle passt natürlich das PhD-Comic-Video von letztens wunderbar. Falls ihr es noch nicht gesehen habt, macht eine kurze Pause und lasst euch berieseln. Wir treffen uns dann in ca. 364 Sekunden wieder hier.

Antimaterie

Ein weiteres Ziel von AMS ist die Suche nach Antimaterie. Dieses Fancy-Zeugs, das im CERN in großen Mengen für den Weltvorrat Antimateriebomben hergestellt wird — NICHT!¹⁴ Das ist nämlich ungefär genauso realisitisch, wie die Photonentorpedos oder der Warp-Antrieb aus Star Trek. Trotzdem ist Antimaterie ein interessantes Forschungsgebiet. Und dabei gar nicht mal so unnatürlich: In unserer Atmosphäre entstehen ständig Anti-Protonen und Anti-Elektronen — und vernichten sich kurz später wieder.

Von Annihilation, Asymmetrien und Antisternen

NASA

Am Anfang war Licht, dann kommt ein Gitter und irgendwann war das Universum mit Galaxien und Affen da.

Der Grund dafür ist, dass Energie und Materie ineinander überführt werden können. Großmeister Einstein fand heraus, dass Blitz gleich Klotz, oder abgekürzt E=m·c². Links Energie, rechts Masse und Lichtgeschwindigkeit. Nimmt man sich genug Energie auf einem Punkt, kann dabei Masse entstehen. Die Materie, die wir kennen, hat aber eine elektrische Ladung¹⁵ und weil man in einem geschlossenen System keine Ladungen erzeugen kann, muss die Gesamtladung vorher und nachher gleich sein. Man braucht also Materie und Antimaterie, die genau umgekehrt geladen ist. Soweit klar?
Ungefär das ist auch damals™ beim Urknall passiert: Eine verdammischt große Energiedichte hat dafür gesorgt, dass aus dem Nichts Materie entstehen konnte. Und eigentlich auch genausoviel Antimaterie. Nur: wo ist sie?

Zwar vernichtet sich Antimaterie wieder, wenn sie mit Materie zusammentrifft (man nennt es Annihilation), aber dann wäre ja nichts mehr übrig. Man vermutet daher eine Asymmetrie bei der Produktion. Aus irgendeinem Grund ist etwas mehr Materie als Antimaterie produziert worden, so dass wir heute aus Materie bestehen¹⁶.
Trotzdem kann man sich vorstellen, dass es irgendwo da draußen Antimaterie-Ansammlungen gibt. Allerdings würden sich gemischte Gebiete schnell verraten, weil bei der Annihilation charakteristische Strahlung erzeugt wird. Da man die bisher nicht gesehen hat, ist zumindest in unserer Umgebung ausgeschlossen, dass es Antimaterie-Ansammlungen gibt¹⁷.
Aber irgendwo ganz weit draußen? Vielleicht eine ganze Anti-Galaxie? Mit Anti-Sternen, Anti-Planeten und Anti-Katzen¹⁸? Prinzipiell kein Problem. Weil Antimaterie elektromagnetisch genauso wechselwirkt wie normale Materie, würden wir den Unterschied im Licht nicht sehen. Was wir aber sehen könnten wären Überreste aus alten Sternen.

Genauso wie man in der kosmischen Strahlung Helium, Kohlenstoff und weitere Stoffe messen kann, die ein Stern mal ausgesch… produziert haben muss¹⁹, würde ein Anti-Helium bedeuten, dass es irgendwo Anti-Sterne gibt — oder zumindest irgendwann mal gab.

Nach diesen schweren Antimaterie-Teilchen sucht AMS. Auch wenn man nichts findet, so kann man doch die Grenze, bis zu der es ziemlich sicher keine Antimaterie-Klumpen gibt, weiter ausdehnen. Übrigens weiß man bisher, dass auf 300 Millionen Heliumkerne weniger als ein Antihelium-Kern kommt²⁰.

Ein spannendes Kapitel in der Astroteilchenphysik beginnt

Die Ziele, die mit AMS-02 verfolgt werden, sind zwar ein bisschen Abgefahren, aber durchaus nützlich. Es ist wie immer in der Grundlagenforschung: Man weiß vorher noch nicht so richtig, was bei rumkommt. Außer, dass man hinterher mehr weiß als vorher. Bis man soweit ist und tolle Dinge herausgefunden hat wird es vermutlich noch ein bisschen dauern.
Aber der letzte Schritt zum Start der Erkenntnisreise wird heute um 14:56 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit angegangen: Das Space Shuttle Endeavour mit AMS-02 an Bord startet. (Hoffentlich.)

Wir werden es jedenfalls im Live-Stream der NASA verfolgen. Und ein paar der ehemaligen Kollegen ein bisschen beneiden, weil sie am Kennedy Space Center in Florida einen Logenplatz beim Start haben.

Rllacey

Das Space Shuttle Endeavour wartet auf der auf der Abschussrampe, dass endlich mal jemand anfängt rückwärts zu zählen.

1. Und der vorletzte geplante Space-Shuttle-Start überhaupt!
2. Eine Heizung an einer Treibstoffleitung hat nicht funktioniert. Und da momentan alle verfügbaren Heizungen an der Klimarerwärmung arbeiten, musste man erstmal Ersatz organisieren.
3. Dieses Experiment am LHC, über das wir hier auch schon berichtet haben.
4. Damit will man sogenannte »Propagationsmodelle« erstellen bzw. verfeinern. Also Beschreibungen, wie Materie durch unsere Galaxie wandert.
5. Sie entstehen, wenn ein großer Stern stirbt und in seinem Kollaps so klein wird, dass die Rest-Materie extrem stark verdichtet wird. Wie bei einer Schrottpresse der Chuck Norris Waste Corporation. In groß.
6. Der hat gesagt, wie zwei Körper zueinander Kreisen, also auch Planeten um eine Sonne.
7. Der mit dem Apfel und der Schwerkraft.
8. Ihr habt es sicherlich gemerkt: Da fehlt noch ein bisschen bis 100 % und mit Rundungsfehlern ist das schwer erklärbar. Der Rest wird größtenteils von Dunkler Energie beansprucht, die nochmal verrückter ist als Dunkle Materie. Lassen wir hier aber raus. Hat nämlich nichts mit AMS zu tun.
9. Elektromagnetismus ist das, was Element zu Molekülen werden lässt. Aber auch das, was dazu führt, dass Photonen aufgenommen und wieder abgesondert werden können. Gemeinhin führt das zu einem Phänomen, was im Humanwortschatz mit »Sehen« bezeichnet wird.
10. Keine elektromagnetische Wechselwirkung, ihr erinnert euch…
11. Empfohlen für Kinder mit abgeschlossenem Physikstudium.
12. Ein paar andere suchen in Bergen oder links vom Urknall.
13. Was man sich da im Detail von erwartet kommt dann im Folgeartikel.
14. Zwar produziert das CERN tatsächlich Antimaterie und speichert sie, allerdings in verschwindend geringen Mengen. Gerade mal 309 Anti-Wasserstoff-Atome hat man desletzt für etwa 17 Minuten speichern können, also fast nichts.
15. Jaja, es gibt noch andere Ladungen, liebe Teilchenphysiker…
16. Tatsächlich ist das eine beliebige Wahl. Genausogut könnten wir aus Antimaterie bestehen, aber es Materie nennen.
17. Wen der Zahlenwert interessiert: Antimaterie-Ansammlungen müssen mindestens 20 Mpc weit weg sein, ganze Galaxien sogar etwa 1 Gpc.
18. Ich rate euch übrigens dringend davon ab, Anti-Katzen zu streicheln. Die sind nicht antistatisch!
19. Eine zufällige Produktion von Helium durch vier Protonen, die sich auf ihrer Reise im Nichts treffen, ist quasi ausgeschlossen. Und wird zu schweren Kernen immer ausgeschlossener.
20. Das aktuellste Ergebnis stammt von der BESS-Gruppe, die 2009 diesen Wert veröffentlicht hat.

Nick Russell

Verlassenes Gebäude des SSCs.

Was man manchmal vergisst, bei all der Internationalität und Größe des Lieblingsbeschleunigers: Es gibt noch viele mehr. Eine Liste der Universität Bonn hält über 100 Stück bereit.
Seit den 50ern des letzten Jahrhundert forscht man auf dem Gebiet der kleinsten Teilchen – und baut seitdem auch immer fetzigere Beschleunigungsapparate.

Häufig werden Strukturen der älteren Beschleunigerexperimente aktualisiert oder in neuere Experimente verwendet. So ist die 27 km lange Röhre des LHCs eine Röhre, die für das Vorläuferexperiment LEP gebaut wurde. Hätte man neben dem Bau all der spacigen neuen Maschinen auch noch einen neuen Tunnel finanzieren müssen, der LHC wäre vielleicht immer noch in der Antragsphase.

Dass es auch nicht so glücklich ablaufen kann, zeigen die beiden folgende Beispiele. Die Links zu den Galerien gingen die letzten Wochen im Internet rum – wir fassen sie hier zusammen und erklären ein bisschen Hintergrund.

Superconducting Super Collider in Super United States

Quantum

Hier hätten Magnete getestet werden sollen.

An der »Super«-Dichte dieses Beschleunigerkomplexes sind die Dimensionen erkennbar, mit denen er die Teilchenphysik hätte revolutionieren sollen: Fast 90 km im Umfang, eine Schwerpunktsenergie von 40 TeV (LHC: 14 TeV, irgendwann mal).
Nach acht Jahren Planung startete 1991 der Bau des amerikanischen SSCs in der Nähe von Dallas. Man setzte hübsche Blechgebäude hin und fing an, den Tunnel zu graben. Zwei Jahre später stellte man fest, dass die veranschlagten 4 Milliarden Dollar wohl nicht ausreichen werden, sondern man mit einem 12-Milliarden-Dollar-Budget kalkulieren müsste.
Das war ungefähr der Betrag, der ein anderes, heißes Wissenschaftsprojekt zu der Zeit die USA kosten sollte: Die internationale Raumstation ISS.
Im Oktober 1993 entschloss sich der Kongress dagegen, den SCC weiter zu finanzieren. 2 Milliarden Dollar waren aufgewendet, 23 km Tunnel bereits gebohrt worden.

Jetzt, fast zehn Jahre nach der Aufgabe des Beschleunigerzentrums, sind die Gebäude leergeräumt und nur noch wenig zeugt davon, welche neue Physik hier einmal hätte gefunden werden können.

Bilder davon gibt’s im PhysicsCentral Buzz Blog – inklusive ein paar Vorher-Nachher-Vergleiche

UNK- und VLEPP-Beschleuniger am IHEP in Protvino / Russland

English Russia

U-Bahn-Haltestelle Z-Prime. Endstation. Bitte alle aussteigen.

Südlich Moskaus gelegen befindet sich das Wissenschaftsstädtchen Protvino, in dem das Institut für Hochenergiephysik der russischen Staatsfirma für Atomkrams, RosAtom, gelegen ist. Ende der 80er plante man dort einen Teilchenbeschleuniger von bis dato unbekannter Größe hinzubauen: 21 km Umfang sollte UNK² haben und dabei Protonen bei 6 TeV Schwerpunktsenergie kollidieren lassen. Zusätzlich wollte man mit VLEPP auch noch zwei Linearbeschleuniger für Elektron-Positron-Kollisionen bauen – natürlich kompatibel zu UNK, für Proton-Elektron-Kollisionen. Sucht man nach Papern zum Thema, findet man sogar einige Veröffentlichungen.
Man fing fleißig an zu bauen — bis 1996. Nach dem ganzen Stress in Russland³ stoppte man den Bau und damit das gesamte Projekt.

Übrig blieben Tunnel, 60 m unter der Erde, die leerstehend für jährlich ca. 2 Millionen Euro von Wasser befreit werden. Laut eines Forumbeitrags ist der Tunnel fertiggebohrt worden – und es liefen sogar schon Vorexperimente darin⁴.

Bilder von Exkursionen in die hochenergetische Unterwelt Russland gibt’s bei English Russia, im bereits erwähnten Forumbeitrag auf 28dayslater und bei urban3p.ru (Danke, Maxim, für den Link!).
Sollten euch die Bilder etwas an die Aachener U-Bahn erinnern, liegt das daran, dass die Russen damals zum Bau stinknormales U-Bahn-Bohr-Equipment, wie es in unser aller Vorgarten rumliegt, verwendet haben. Pragmatisch!

Kennt ihr noch weitere, verlassene Teilchenbeschleunigerkomplexe? Nur zu, ab in die Kommentare damit!

Bonus: Katzencollider

Endlich ein Grund, dieses außerordentlich tolle Video zu bringen. Katzen sind zwar wie Käse (gehen immer), aber wenn’s um Teilchenbeschleuniger geht, ist hier der noch besser passende Platz dafür.
Et voila: Kollidierende Katzen.

http://www.youtube.com/watch?v=u011XHmYq1Q

1. ODER?!!
2. Steht für irgendwas Russisches. Vermutlich lässt es sich mit »Ultrasuperdupersbeschleunigerallerzeiten,echtjetzt« übersetzen. Vielleicht aber auch nicht. Edit: Maxim hat’s rausgefunden. UNK steht für УНК, was für Ускорительно-накопительный комплекс steht, was soviel heißt wie: Beschleuniger- und Speicher-Komplex. Klingt naheliegend.
3. Lies: Dem Zerfall der Sowjetunion und den folgenden Finanzschwierigkeiten.
4. Hat in den Kommentaren Maxim aus der russischen Wikipedia herausgefunden!

Illustration zum Catino. Hier sind, wie ihr sicherlich bemerkt haben werdet, Signal und Monte Carlo vertauscht. Leider hat eine Quantengravitationswelle das Programm durcheinander gewirbelt. Sorry.

Ein Abstract aus einem internen ATLAS-Paper erschütterte letzte Woche die Welt der Teilchenphysik. Der »Leakstract« beschreibt das angebliche Auffinden des lange gesuchten Higgs-Bosons. Gestern kümmerten wir uns darum.

Weshalb es interne Dokumente gibt und wie aus einer kleinen Analyse eine Veröffentlichung wird, die den Stempel des gesamten Experiments mit seinen tausenden Mitarbeitern trägt, das erläutern wir euch heute in der kleinen Publikationsschule des physikBlogs.

Aufgeklapptes CMS-Experiment mit Teilchen.

Dazu wollen wir der Geburt des fiktiven Catino-Teilchens (s.o.) samt passendem Paper »On the mass distribution of certain particles leading to the discovery of the Fourth Generation Leptoquark Catino« hautnah beiwohnen.

Der folgende Verlauf bezieht sich darauf, wie er beim CMS-Experiment ablaufen würde. Mehr oder weniger gilt das wohl auch für ATLAS und andere große Teilchenbeschleunigerexperimente. Aber da kennen wir uns nicht so genau aus. Selbst bei einem einzelnen Experiment ist das schon kompliziert genug. Die Beschreibung hier beruht auf Annex 6 der CMS-Verfassung¹.

Phase 1: Die Frucht der Daten

Vermutlich ist es spät, das Licht gedämpft, die Luft knistert. Lüfter scharren, Kaffeetassen bedecken den Tisch. Zweisamkeit erfüllt den Raum: Der Experimentator und sein Computer.
Der Experimentator streckt seine Finger und legt sie vorsichtig auf die Tastatur, um die letzten Zeilen Datenanalyse zu implementieren. Aus unzähligen vorherigen Versuchen, aus hunderten Grafiken und tausenden Zeilen Code weiß er, dass nun der Moment gekommen ist, bei dem sich alles entscheidet.
Hatte er damals, als er per Zufall diesen Fliegendreck-artigen Fleck in der Zeichnung beobachtete, einen richtigen Riecher gehabt? Oder waren die letzten Monate nervenkostende Auseinandersetzung nur großartig verschwendete Zeit?
Enter.
Die Maschine werkelt. Einsen und Nullen verschmelzen. Der Monitor flackert.
In einem Moment voller Anspannung, am Höhepunkt der Ausführung, endlich:
Break. Segmentation Violation.
Semikolon vergessen. Wieder mal. Also noch mal: Enter.
Dieses Mal ist alles korrekt eingegeben. Das Programm wird ausgeführt.
Und es zeigt das, wonach sich Experimentator und Rechenmaschine in unzähligen schlaflosen Nächten sehnten: Der vorher kleine Hinweis entpuppt sich zu einer ernsthaften Besonderheit. Das Feature ist tatsächlich vorhanden.
Die Erhöhung im Spektrum der invarianten Masse von strahlachsennahen b-Quarks, leichten Jets und sieben Photonen, die später als Catino bekannt werden wird, ist gefunden. Die Zellteilung der Ideen möge beginnen.

Ungefähr so kann man sich das vorstellen. Nur weniger romantisch. Und mehr langwierig.

Natürlich gibt es neben dem Zufall noch mehr Möglichkeiten, um etwas Neues zu entdecken. Häufig geht eine theoretische Vorhersage der experimentellen Findung voraus und es wird gezielt nach dem neuen Teilchen gesucht. Eine weitere Möglichkeit ist gezielt ungezieltes Suchen. Dabei werden viele, viele, ganz ganz viele Daten mit speziellen Werkzeugen² untersucht, in der Hoffnung, dass sich irgendwann Besonderheiten herauskristallisieren.

Phase 2: Arbeitsgruppe

Etwas, was man andauernd im CERN macht: In Meetings sitzen. Bild via CERN-Love-Blog.

Hat der Experimentator Programmcode und Ergebnisse noch ein paar mal geprüft, kann er damit zur nächsten Station gehen: Seine Arbeitsgruppe.

Das sind meistens Leute, die sich ähnlich gut auskennen, aber an einem leicht anderen Thema arbeiten. So wie Automechaniker A hinten rechts nach der Bremse schaut, während Automechaniker B vorne links den Reifen wechselt. Mit der Gruppe wird vermutlich viel diskutiert und jeder kleinste Schritt des Analysators hinterfragt und umgeschlagen. Manchmal gibt es neben der lokalen, heimischen Arbeitsgruppe, mit der man sich Büro und Flur teilt, auch noch eine international verstreute, größere Fassung der Arbeitsgruppe.
Hier werden ebenfalls Ergebnisse präsentiert, mögliche Fehler oder Effekte diskutiert und so lange iteriert, bis nur noch die Wahrheit übrig bleibt: Die Erhöhung muss das Catino sein. Es bleibt einfach keine andere Schlussfolgerung.
Nun heißt es ran an die Schreibmaschine.

Phase 3: Analysis Note

Der erste Schritt, mit dem es raus geht aus dem familiären Kreis der Arbeitsgruppe, ist die Analysis Note (AN). Diese Notiz ist mitnichten ein gelbes Post-It, das man auf die Tür zum Gebäude klebt. Die Note beschreibt das Vorgehen zur Entdeckung des Catinos im Detail. Seitenlang. Welche Datensätze wurden benutzt? Mit welchen Parametern wurden sie weiterverarbeitet? Welche Softwareversion wurde verwandt? Wie sind die Schnitte gesetzt, mit denen die Daten gefiltert wurden? Wie wurden die Fehler ermittelt? Wie groß ist die Systematik?

Auch ein häufig benutztes internes Mittel der Kommunikation von Teilchenphysikern. Bild von Rob Baird.

Die Analysis Note ist die erste, strikt interne Vorfassung eines eventuellen Catino-Papers. Sie soll Menschen, bei denen sich die großartige Entdeckung des Catinos noch nicht durch das Luftpostsystem herumgesprochen hat, die nötigen Details liefern, dass sie den Vorgang verstehen und replizieren können. Ein Mindestmaß an Qualität wird schon auf dieser niedrigsten Ebene gewahrt, da die Arbeitsgruppe der internen Veröffentlichung zustimmen muss.

Phase 4: Pre-Approval

Ist die Analysis Note weit genug gediehen, kann sie zum Pre-Approval der Analyse eingereicht werden. Dazu gehört ein Meeting der Physik-Arbeitsgruppe, bei dem erstmals Gruppenvorsitzende und andere wichtige Menschen anwesend sind. Hier wird die Analyse noch einmal genau unter die Lupe genommen, so wie sie in der Analysis Note beschrieben wurde. Ebenfalls wird die Note³ in Wortlaut und Struktur bearbeitet, so dass sich daraus langsam eine öffentlichere Version entwickeln kann.

Mindestens eine Woche vor dem Meeting muss die Note allen Teilnehmenden zugänglich gemacht und entsprechend beworben werden. Alle Änderungen, die innerhalb der Woche in die Präsentation und damit die Analyse einfließen, müssen dort kenntlich gemacht werden. So dass die Streber, die sich minutiös vorbereitet haben, keinen cholerischen Anfall bekommen, wenn auf einmal alles ganz anders ist und das Catino plötzlich Caton oder Dogino heißt. Tut es nicht, zum Glück.

Zur Analyse gibt es an der Stelle nicht nur eine passende Note und ein Pre-Approval-Meeting, sondern auch ein Analysis Review Committee (ARC). Das begleitet die Analyse ab dem Zeitpunkt und schaut, dass Stil und Qualität des Experiments eingehalten werden. Darin sitzen Spezialisten aus dem Publikationskomitee, der thematisch passenden Physik-Arbeitsgruppe und ein etwas höheres Tier des Experiments.

Im Pre-Approval-Meeting wird, natürlich, festgestellt, dass die Analyse mit hervorragender Genauigkeit durchgeführt wurde und das Catino ein ganz sonderbar haariges und wuschiges Teilchen ist, was unbedingt ans Geburtsorgan weitervermittelt werden muss.

Phase 5: Physics Analysis Summary

Ein zufällig herausgepickter Physics Analysis Summary: Measurement of the thing of a thing of things in other things with special things-conditions.

Diese Phase und die nächste Phase, irgendwie auch die vorherige Phase, laufen parallel ab. Aber irgendwie müssen wir die Phasen ja hinbekommen, ne?
Die Analysis Note, die die Analyse für interne Zwecke beschrieben hat, evolutioniert sich nun zu einem Physics Analysis Summary (PAS). Wichtigster Unterschied: Den Physics Analysis Summary sehen später auch externe Physiker. Sie ist die Dokumentation der Entdeckung des Catinos und, je nach Wichtigkeit des neuen Teilchens, die Vorarbeit für eine Veröffentlichung als Paper oder die einzige Veröffentlichung dazu. Es steht wohl außer Frage, was aus unserem Catino-PAS wird, oder?

Der Physics Analysis Summary muss also entsprechend genau geschrieben werden. Drei bis vier Seiten ist die Maximallänge — darüber hinaus liest, wie bei Blog-Artikel mit jenseits von 1000 Wörtern, eh keiner mehr.

Phase 6: Approval Meeting

Frühestens zwei Wochen nach dem Pre-Approval-Meeting kann ein Approval-Meeting einberufen werden⁴. Zum Zeitpunkt der Einladung wird der Physics Analysis Summary gelockt, also abgeschlossen. Kleine Änderungen darin, im Vergleich zur Analysis Note, müssen ausgewiesen sein. Bei großen Änderungen heißt’s zurück auf Feld »Pre-Approval«, ohne Einzug von 4000 Euro.

Beim Approval Meeting ist das ganze Experiment eingeladen und darf Input geben. Ist auch diese Hürde überwunden und die Analyse findet Zustimmung, werden eventuelle Änderungen in den Physics Analysis Summary eingearbeitet⁵ und der PAS schließlich öffentlich zugänglich auf einer passenden Webseite gepostet.

Ab jetzt darf auch außerhalb der Kollaboration mit den Daten und Plots gearbeiteten werden — so lange der Zusatz »vorläufig« immer nervig-prominent vom wichtigen Plot ablenkt.

Phase 7: Publikationsvorbereitung

Paper-Liste von CMS auf dem CERN Document Server, aber soweit sind wir noch nicht ganz.

Das Catino ist geboren und hat als Frischling das erste Mal die Welt jenseits des Experiments erblickt. Es erlebt nun seine Kindheit zur Vorbereitung der eigentlich Publikation.

Der Physics Analysis Summary evolutioniert weiter, zum Publikationsentwurf, dem »Draft«⁶. Hier wird besonders genau gearbeitet und aller Experiment-eigener Slang entfernt. Ziel: Ein Nicht-CMS-Teilchenphysiker muss verstehen, wieso gerade sieben Photonen genommen wurden und weshalb das Catino deswegen das haarigste aller Teilchen ist. Außerdem sollte auch von der Form her der Standard des Experiments eingehalten werden.

Meist sind all die Kriterien bereits beim PAS erfüllt, so dass der Schritt zum Draft kein großer mehr ist. Alles sollte nur jetzt wirklich sauber sein, damit die ganze Welt das Catino auch ernst nimmt und sich nicht an irgendwelchen Formfehlern aufhängt.

Die ganze Kollaboration wird noch ein mal benachrichtigt und hat die Chance, über den Draft zu meckern. Es wird ein zweiter Draft erstellt, der alle seit dem ersten Draft geführten Diskussionen und Änderungswünsche berücksichtigt. Die Kurve des Catino-Signals ist jetzt ein anderes blau, weil das alte blau auf dem Sekretariatsdrucker zu sehr nach ATLAS aussah.
Der zweite Draft sollte so gut wie nicht mehr von der Finalversion unterscheidbar sein.

Phase 8: Publikation

Ein Team aus Autoren, Publikationskomitee und Analysis Review Committee trifft sich und schaut sich den zweiten Draft an. Wenn alles zur Zufriedenheit, das Catino-Signal mit dem richtigen blau gesegnet und mit absoluter Sicherheit kein »NOTE TO SELF: RECHECK THIS TWICE« mehr im Literaturverzeichnis des Dokuments ist, beschließen sie, den Draft zu publizieren. Man einigt sich auch auf einen Titel, hier passender Weise: »On the mass distribution of certain particles leading to the discovery of the Fourth Generation Leptoquark Catino.«

Tada!

Publizieren können sie aber nicht selbst, denn der Kollaboration sitzt ein gewählter Sprecher vor, der das letzte Wort hat. Sie können ihm nur den Vorschlag unterbreiten, den Catino-Draft zu veröffentlich. Aber dem wird er natürlich nachkommen, wir befinden uns hier schließlich in einer repräsentativen Demokratie.

Das Catino im Pier Re-View. Bild von skithund.

Der Draft wird zum Peer Review veröffentlicht und ist nun ein Paper. Bevor es auch die Review-Phasen von Nicht-CMS-Physikern durchlaufen hat und in Physik-Journalen auftaucht, findet man es in Pre-Publikations-Plattformen, wie arXiv oder beim CERN direkt.

Das Catino-Paper ist in seiner Adoleszens und muss sich all den neuen großen Gefahren da draußen stellen⁷. Die ganze Teilchenphysik-Welt, aber natürlich auch andere Physiker oder interessierte Laien stürzen sich nun auf das neue Paper: Üblicherweise wird es wohlwollend-skeptisch betrachtet⁸.
Erst wenn es auch dies überwunden hat, ist es erwachsen geworden und das Catino zum vollwertigen, neuen Teilchen aufgestiegen.

Herzlichen Glückwunsch.

Noch mehr

Natürlich war das noch nicht alles, was möglich ist.
Es gibt noch den »Fast Track«, bei dem der ganze Prozess beschleunigt wird — eingeführt, um auf die Veröffentlichung von KonkurrenzMit-Experimenten zu reagieren, oder die fingernagelbrennende Entdeckung des Higgs durchzudrücken.
Es gibt spezielle technische Detektor-Notes, für die ähnliche Prozesse gelten, und rein interne Notes, die es erst gar nicht bis nach draußen schaffen. Und für Doktor- und Diplomarbeiten gilt auch noch mal etwas anderes.

Und der Leakstract…? Zum Abschluss etwas Pathos

Irgendwo auf dem Weg, relativ am Anfang, hat jemand den Abstract einer solchen Note bei ATLAS geklaut, die ganzen Qualitätssicherungsphasen übersprungen und ihn der Öffentlichkeit preis gegeben⁹.
Kein netter Stil.
Bei so einem großen Experiment funktionieren Veröffentlichungen nur, wenn sie nach einem festen Prinzip durchgeführt werden. Denn nur dann kann dort die Unterschrift aller Mitglieder drunter stehen, die es verdient haben. Und nur mit dieser Unterschrift ist auch derjenige berücksichtigt, der hervorragende Arbeit leistete, als er sich vor zehn Jahren Siliziumdetektoren mit äußerst guter Auflösung ausdachte.

Ein Überbrücken der Gremien publiziert nicht nur physikalische Ereignisse, die ungetestet und damit im schlimmsten Fall ein Programmierfehler undoder Quatsch sind, sondern führt das ganze Prinzip einer solchen Korporation mehr oder minder ad absurdum. Jeder arbeitet für den Anderen mit, jeder macht ein kleines Zahnrädchen der Maschine, die erst mit allen Teilen die großartige Leistung erbringt. Erforscht die Maschine etwas tolles, dann hat jeder daran mitgewirkt. Und er muss sichergestellt sein, dass nichts Falsches unter seinem Namen die Runde macht.

Interne Diskussionen müssen sein. Bei einem derart großen Experiment heißt »intern« aber, dass dort ein paar tausend Menschen mitmachen können — und sollen! Das funktioniert nur, wenn sich alle darauf verlassen können, dass alles Interne auch so bleibt: intern¹⁰.

Man kann sicher sein: Wenn es an der Stelle tatsächlich den Fund eines Higgs gibt, dann wird das gar nicht mehr so lange dauern, ehe wir davon erfahren.
Und dann so richtig. Mit Details und so.

Bonus-Information: Dieser Beitrag hatte über 2000 Wörter.

1. Die Verfassung ist frei zugänglich für jeden. Ich mache hier die kommentierte Übersetzung, aus dem Englischen, dem Verfassungsischen und dem Physikalischen.
2. Und damit meinen wir jetzt nicht die Kombizange aus Papas Werkstatt sondern verschiedene Experimente und dazu passende Auswertungsmethoden.
3. Fun: Das wort »Note« im Text deutsch aussprechen. Gnihihi.
4. Einladefrist: Zwei Wochen. Experiment-weit!
5. Änderungen werden einzeln an diejenigen, die sie mitgeteilt haben, geschickt.
6. Genauer: Evolutioniert zum Draft_1. Yeah, LaTeX-Code im Fließtext.
7. Andere böse Teilchen, die dem Catino das Leben schwer machen. Drogen. Waffen. Wirtschaftskrisen.
8. Euphemismus für: Es wird zerfleischt und es entstehen eine Vielzahl Witze über die verantwortliche Kollaboration.
9. Bei ATLAS gibt es vermutlich nicht die Notwendigkeit einer Arbeitsgruppenzustimmung beim Posten einer Analysis Note, die dort COM heißt. In diesem untersten aller Veröffentlichungsebenen kann jeder schreiben, der das möchte. Das hat viele Vorteile — aber auch Nachteile.
10. Wenn ihr so denkt, physikBlog, warum habt ihr dann überhaupt darüber geschrieben? Weil bereits viele Medien darüber berichtet haben, wir von einigen angeschrieben wurden, was wir davon halten, und wir das Beispiel nutzen wollten, um einmal den Publikationsprozess zu beschrieben, den warnenden Finger zu heben und diese Fußnote… Wisst ihr?

DigitalGlobe

Das Erdbeben vor Japan hat zu großen Schäden und enormen Problemen am Kernkraftwerk Fukushima I geführt.

Disclaimer: Andi und André haben Physik an der RWTH studiert und als Nebenfach Reaktortechnik belegt. Unfehlbar macht uns das allerdings noch lange nicht. Leider. Fehler? → Kommentar!

»Die Kacke ist am Dampfen« schrieben wir am Samstag letzter Woche in der Vorgängerversion dieses Artikels. Leider tut sie das im Kernkraftwerk Fukushima I immer noch ordentlich.
Das Problem an der ganze Chose: Ereignisse und damit Meldungen überschlagen sich, Emotionen sind im Spiel und das ganze wird mit einer Prise Fehlinformationen gewürzt. Heraus kommt ein Brei aus gefährlichem Halbwissen und politischen Meinungen, die eine sachliche Diskussion erschweren.
Wir hier im physikBlog wollen aber eine ebensolche führen, basierend auf wissenschaftlichen Erkenntnissen. Es folgt, wie schon am Samstag, ein Versuch, die Geschehnisse zu ordnen und erklären¹.
Dieser Artikel befand sich fünf Tage lang im Ofen, durchlief mehrere Iterationen und einige Erweiterungen. Herausgekommen ist ein 6000-Wörter-Text, der hoffentlich das meiste zum Thema abdeckt. Puh. Beim Schreiben haben uns unsere Kommentatoren Susi und Tr kräftig unterstützt. Ein ganz großes »Danke« dafür!

Stand:
5. April 2011, 15:00 Uhr
Es gibt jetzt ein Diskussions- & Info-Forum!

Bitte beachtet das, schließlich behandeln wir hier ein aktuelles und sich schnell entwickelndes Ereignis. Am Ende des Artikels seht ihr übrigens das Änderungs-Log.

Technischer Hintergrund der Vorgänge im Kernkraftwerk

Um die Situation verstehen und vor allem ein bisschen einschätzen zu können, müssen wir uns leider auch mit ein paar technischen bzw. physikalischen Details zu den Vorgängen beschäftigen. Wir haben uns etwas ausführlicher schon in einem anderen Artikel damit beschäftigt.

Kernkraftwerk im Normalbetrieb

In einem Kernkraftwerk wird über atomare Spaltprozesse Energie freigesetzt, die Wasser erhitzt, schließlich zum Verdampfen bringt und dadurch Turbinen antreiben kann. Die Turbinen sind an einem Generator angeschlossen, der schließlich den gewünschten Strom produziert.
Die antreibende Kernspaltung findet in einer Kettenreaktion statt: Ein Uran-235-Kern spaltet sich — induziert durch ein stoßendes Neutron — in zwei kleinere auf, setzt dabei 2-3 Neutronen und einiges an Energie frei. Die Neutronen fliegen weiter und treffen andere Uran-235-Kerne, die sich dann ihrerseits spalten. Damit sie das tun können, müssen die Neutronen auf die richtige Geschwindigkeit abgebremst werden, sonst fliegen sie einfach dran vorbei. Dafür kommt ein Moderator zum Einsatz. In Fukushima sind verschiedene Reaktoren verbaut: Mark-I-Reaktoren von General Electric, andere von Toshiba und Hitachi. Allesamt sind Siedewasserreaktoren, bei denen Wasser der Moderator ist. Er bremst die Neutronen, weil die dauernd anecken und dadurch Impuls an das Wasser abgeben². [↫]

Störfall und Notabschaltung

Schema eines SWRs. (Bild: Wikipedia)

Kommt es nun zu unvorhergesehenen Störungen, wird automatisch eine Notabschaltung eingeleitet. Dabei werden Neutronengifte in den Reaktorkern gebracht, die wie ein Staubsauger für die umherfliegenden Neutronen wirken und somit die Kettenreaktion unterbrechen. Das geschieht über Steuerstäbe mit Bor oder Cadmium oder über den Zusatz von Borsäure zum Kühlwasser.
Ist die Kettenreaktion auf diese Weise einmal gestoppt, kann sie ohne weiteres nicht wieder in Gang gebracht werden.

Trotzdem wird es weiter heiß, weil im Brennstoff neben der Kernspaltung³ auch weitere Prozesse zur Kernumwandlung stattfinden. Diese setzen bei weitem nicht soviel Energie frei, wie die Kernspaltung, aber immer noch genug⁴, um weiterhin für eine Kühlung sorgen zu müssen. Im Artikel zur Nachzerfallswärme haben wir das näher erläutert.

Die Pumpen zur Kühlung laufen allerdings mit Strom⁵, daher ist es wichtig, dass dieser auch weiterhin zur Verfügung steht. Im Normalfall hat das Stromnetz genügend Kapazitäten, um das abzufangen. Sollte es mal nicht klappen, stehen zunächst Notstromaggregate und schließlich auch noch große Batterien zur Verfügung. [↫]

Ausfall der Kühlung

In Fukushima konnte aber der Stromzufuhr längerfristig nicht wieder hergestellt werden. Die Folge ist, dass die Kühlung ausfällt und mehr Wasser als gedacht verdampft. Das hat zwei entscheidende Nachteile:

Dampf kühlt wegen seiner geringeren Dichte nicht so gut wie Wasser. Durch den hohen Druck⁶ ist das nicht ganz so schlimm wie bei Atmosphärendruck, aber immer noch blöd.
Dadurch erhöht sich der Druck. Und das ganz gehörig. Um zu verhindern, dass einem der Druckbehälter um die Ohren fliegt, lässt man Druck ab. Das geschieht automatisch über Ventile und ist durchaus vorgesehen.
Weil der Wasserdampf aber direkt mit radioaktivem Material in Kontakt kam, möchte man den nicht in die Umwelt lassen⁷. Unter anderem deshalb gibt es um den Reaktordruckbehälter eine Sicherheitshülle, das Containment. Also ineinander verschachtelt wie die russische Matrjoschka. Das Containment ist gegen einen gewissen Innendruck ausgelegt, in Fukushima sind das 4 bar⁸. Bei zu hohem Druck muss aber auch hier Dampf nach außen in das Reaktorgebäude⁹ abgelassen werden.

Um zu verhindern, dass auf einmal Brennstäbe frei liegen und somit gar nicht mehr gekühlt werden, wird Wasser in den Druckbehälter eingespeist. Dafür gibt es Vorratsbecken mit extra Pumpen¹⁰, die den Wasserstand ausgleichen sollen. Klappt natürlich nur, wenn a) Strom da ist, b) noch genügend Vorratswasser vorhanden ist und c) alle Zuleitungen, Ventile und Steuerungen intakt sind. [↫]

Kernschmelze und mögliche Folgen

Werden die Brennstäbe schließlich zu heiß, z.B. weil sie teilweise ohne umgebendes Wasser sind, können sie schmelzen. Der Hauptbestandteil, Uranoxid, hat eine Schmelztemperatur von 2850 °C¹¹, kann also einiges aushalten. Was ab jetzt passiert hängt von vielen Rahmenparametern ab und ist schwer vorherzusagen, auch, weil Erfahrungswerte (zum Glück!) gering sind.
Der günstigste Fall ist, dass die Schmelze im Reaktordruckbehälter bleibt, die Stahlummantelung also standhält. Das wird nur klappen, wenn man irgendwie für eine äußere Kühlung sorgt. Ansonsten wird auch der Stahlbehälter schmelzen¹².
Wenn es also schlecht läuft, brennt sich der Klumpen regelrecht nach unten durch, je nach Materialmenge (Containment, Beton-Fundament) auf dem Weg kann das bis zum Erdboden und Grundwasser geschehen. Dann hat man ein Problem, weil verseuchtes Grundwasser nicht sonderlich gesund ist, wie man sich vielleicht vorstellen kann. Allerdings ist das lokal noch relativ eingeschränkt. Zur Geschwindigkeit, mit der das abläuft, haben wir weiter unten ein bisschen ausführlicher berichtet.
Wenn die Schmelze unterwegs auf Wasser trifft, kann es zu schlagartiger Verdampfung kommen, durch die Folgeschäden entstehen können. Vor allem aber steigt der Druck. Fängt man diesen steigenden Druck nicht ab, ist auch eine Beschädigung des Containments nicht ausgeschlossen und der direkte Kontakt zur Atmosphäre ist gegeben. Im schlimmsten Fall entsteht jetzt ein Feuer, dass radioaktive Partikel aufsteigen lässt. Der Wind tut sein übriges und es kann eine ziemlich große Fläche kontaminiert werden.
Prinzipiell kann es übrigens auch zu einer Knallgas-Explosion kommen, die ihrerseits die Schäden vergrößern kann. Das kann man aber mit Stickstoff als Schutzgas im Containment verhindern¹³. [↫]

Ereignisse in den Reaktorblöcken (Zusammenfassungen)

Allgemeine Situation

Nach dem Erdbeben wurden in diversen Kraftwerken Notabschaltungen durchgeführt, auch in 11 von 53 Kernkraftwerksblöcken¹⁴. Das heißt: Steuerstäbe mit Neutronenabsorbern rein, Borsäure zum Kühlwasser dazugeben. Dadurch wird die Kettenreaktion sofort gestoppt, die Stromproduktion des Kraftwerks wird eingestellt.
Kernkraftwerke müssen aber auch nach der Abschaltung weiter gekühlt werden und dafür brauchen sie Strom. Dummerweise hatten Erdbeben und Tsunami auch einen teilweisen Ausfall des japanischen Stromnetzes zur Folge. Kein Strom von außen heißt im Kernkraftwortschatz »Station Blackout« – das Kraftwerk muss sich also selbst versorgen. Spezielle Notstromgeneratoren¹⁵ stehen für genau diesen Fall bereit. Die sind auch angesprungen, in Fukushima I allerdings 55 Minuten nach dem Erdbeben aber wieder ausgegangen. Ob das direkt durch den Tsunami verursacht wurde ist nicht klar, da die erste Welle bereits sechs Minuten nach dem Erdbeben ankam¹⁶. Das Ergebnis war jedenfalls: kein Notstrom.

Aber auch dafür ist ein Kernkraftwerk eine gewisse Zeit durch Batterien gerüstet. Die halten den Kühlkreislauf provisorisch in Gang, bis von außen wieder Strom eingespeist werden kann. Hat man aber leider nicht so schnell geschafft, so dass es in den einzelnen Blöcken kritisch wurde. [↫]

Block 1 [460 MW_el, 292 BE im Abklingbecken¹⁷]

Diese Block war der erste mit argen Problemen. Ohne die funktionierende Kühlung ist im Reaktordruckbehälter immer mehr Wasser verdampft, dass über Ventile erst in das Containment und später¹⁸ die Umgebung abgelassen werden musste. Das hat zwischenzeitlich die Strahlungsmessgeräte wild ticken lassen, da der Wasserdampf kontaminiert war. Bei intakten Brennelementen handelt es sich hierbei größtenteils um kurzlebige, leichte Nuklide wie Stickstoff-16 mit einer Halbwertszeit¹⁹ von 7 Sekunden²⁰. Der Spuk ist also normalerweise schnell wieder vorbei.

Es wurden aber auch kleine Mengen Caesium-137 und Iod-131 nachgewiesen, typische Spaltprodukte von Uran-235. Man kann also daraus schließen, dass bei ein paar Brennstäben die Hülle defekt ist. Ziemlich mies, aber noch OK, wenn man immer nur mal ein bisschen Dampf ablassen muss. Man liest aber auch häufig, dass der Grund dafür eine bereits ablaufende Kernschmelze ist. Das ist zwar durchaus möglich, aber noch lange nicht sichergestellt. Es könnte z.B. auch sein, dass durch das Erdbeben eine Brennstabhülle beschädigt wurde. Sollte es aber trotzdem zu einer (teilweisen) Kernschmelze gekommen sein, so befindet diese sich noch im Reaktordruckbehälter.

Mark-1-Reaktor mit Beschriftungen und Highlights explodierter und gefluteter Bereiche.

Durch die hohen Temperaturen wird der Wasserstoff aus dem Kühlwasser gelöst, der ebenfalls abgelassen wurde. Zusammen mit Sauerstoff hat der dann im Reaktorgebäude das sogenannte Knallgas gebildet — der ein oder andere kennt’s vielleicht noch aus dem Chemieunterricht. Was Knallgas macht, wenn es mit Hitze in Kontakt kommt, sieht man eindrucksvoll den Videobildern: einen ordentlichen Knall. Das wichtige Detail ist hier, dass anscheinend nur das Dach hochgegangen ist, nicht der Reaktordruck- oder Sicherheitsbehälter. Darauf deuten die direkt nach der Explosion sinkenden Strahlungswerte.²¹

Nach der Explosion hat man jedenfalls alle Versuche, den eigentlichen Kühlkreislauf wieder in Gang zu setzen gestoppt und hat massiv mit Meerwasser geflutet. Sowohl in den Reaktordruckbehälter als auch in das Containment drumherum²². Die Beleuchtung der Schaltwarte sowie einzelne Instrumente sind mit Strom versorgt. Man erhielt erste Daten von Sensoren aus dem Reaktorblock, darunter Temperaturen des Reakturdruckbehälters. Die Kühlung des Druckbehälters wurde mittlerweile von Meer- auf Süßwasser umgestellt, um weitere Salzablagerungen zu vermeiden.
Man fand Wasser, was stark radioaktiv ist, und ist momentan auf der Suche nach den Lecks. Um nicht auf noch mehr unvorhergesehene Wasserstellen zu stoßen, hat man die Wasserzufuhrmenge in den Reaktordruckbehälter heruntergesetzt. Man braucht Platz für abzupumpendes kontaminiertes Wasser, daher wird Wasser durch die Gegend gepumpt — von einem Tank zum nächsten.

Kurzzusammenfassung: Gebäudedach explodiert, Druckbehälter und Containment vermutlich intakt. Durch die Wasserkühlung, mittlerweile mit Frischwasser, ist Block 1 aber momentan relativ stabil. Die Stromversorgung wird Stück für Stück wieder hergestellt. Man fand kontaminiertes Wasser, ist sich aber nicht sicher, woher es stammt.

Auf der internationalen Skala für nukleare Zwischenfälle (INES) hat der Reaktorblock momentan eine 5 von 7²³. [↫]

Block 2 [784 MW_el, 587 BE im Abklingbecken]

Der zweite Reaktorblock war bis zum Anfang der Woche eigentlich relativ unspektakulär. Er musste zwar wie die anderen Reaktoren mit Meerwasser gekühlt werden, aber eine gebäudezerstörende Explosion gab es hier nicht. Im Inneren des Gebäudes änderte sich das aber am Dienstagmorgen: Es kam zu einer Explosion, die zu einer temporären aber starken Erhöhung der Strahlendosis des Gebiets auf kurzzeitig 400 mSv/h führte. Brennelemente sind hier vermutlich ebenfalls beschädigt worden.

Man pumpte weiterhin Wasser zur Kühlung in den Reaktor, kann aber die Brennelemente nicht komplett mit Wasser bedecken – vermutlich ist also ein Leck im Reaktordruckgefäß oder in der Kondensationskammer vorhanden. Das wäre nicht gut und daher macht dieser Block des Reaktors auch mit die meisten Sorgen – er wurde auf der INES-Skala von 3 auf 5 hochgestuft.

Über eine Leitung wurde das System wieder mit dem Stromnetz verbunden. Die Schaltwarte hat wieder Licht, es gibt erste Temperaturmessdaten, die Wasserpumpen funktionieren über diese Leitung. Meerwasser wird massiv ins Abklingbecken gepumpt, ebenso (mittlerweile) boriertes Frischwasser in den Reaktordruckbehälter.
In einem Schacht sammelte sich stark radioaktives Wasser, was durch einen Riss direkt ins Meer gelangt. Man versuchte es mehrfach abzudichten, aber alle Versuche misslangen bisher. Wo das Wasser genau her kommt ist ebebfalls nicht sicher: Farb-Tracer wurden dem Wasser beigemischt, kamen aber nie im Schacht an.
Auch in diesem Block wurde die Wasserzufuhrmenge reduziert. [↫]

Block 3 [784 MW_el, 514 BE im Abklingbecken]

Der beschädigte Reaktorblock 3 in Fukushima. (Bild: DigitalGlobe)

Die Entwicklung in Block 3 ist sehr ähnlich zu der von Block 1, der als erster Reaktor Probleme gezeigt hat. Hier kam es ebenfalls zu einer Wasserstoffexplosion, die das Dach des Blocks weggesprengt hatte. Auf den Bildern des Orts sieht Block 3 am stärksten zerstört aus – zumindest von außen. Druckbehälter und Containment könnten beschädigt sein, aber wieder ist Genaues unklar.

Auffallend ist, dass immer mal wieder Dampffahnen über dem Block aufsteigen. Die könnten aus den Abklingbecken stammen, wo die »ausgebrannten« Brennstäbe zur Abgabe ihrer Nachzerfallswärme gekühlt werden²⁴. Dort ist zu wenig Wasser vorhanden, so dass man versuchte, mit Wasserabwürfen aus Hubschraubern und Wasserwerfern vom Boden den Wasserstand zu erhöhen. Immer mal wieder brach man die Wasserbefüllung ab (wegen zu hoher Strahlung, zu gefährlicher Situation) und war sich über den Erfolg nicht sicher. Die lange Befüllung mit Wasserwerfern und später mit einer Autobetonpumpe²⁵ lässt darauf schließen, dass man Erfolg hat. Mittlerweile befüllt man auch hier den Reaktorbehälter mit Süßwasser.
Zwischenzeitlich stieg Rauch auf und man musste wegen vermuteter Brand- oder Explosionsgefahr alle Mitarbeiter abziehen. Trotzdem hat man es mittlerweile auch hier geschafft eine externe Stromversorgung anschließen zu können²⁶, die Warte besitzt wieder Licht.
Beim Verlegen von Kabelleitungen wurden drei Arbeiter hohen Strahlendosen von mehr als 170 mSv ausgesetzt; kontaminiertes Wasser befand sich im Maschinenhaus. Dort könnte es über ein Leck hingelangt sein. Zwischenzeitlich wurde das verseuchte Wasser abgepumpt²⁷.
Aber das führte zu Wasser an anderen, ungünstigen Stellen (Kabelkanal), so dass man das Abpumpen erst ein mal stoppte.
Wasser wird immer wieder zugeführt, auch mit einer Autobetonpumpe in die Abklingbecken.

Die Zwischenfallsituation wird ebenfalls nach INES 5 bewertet. [↫]

Block 4 [784 MW_el, 1331 BE im Abklingbecken]

In Reaktorblock 4 passierte etwas anderes als in den Blöcken 1 bis 3. Denn Block 4 war zum Zeitpunkt des Erdbebens nicht »scharf«, es fand also keine Kernspaltungs-Kettenreaktion statt und die Brennstäbe waren nicht im stählernen Reaktordruckbehälter, sondern lagerten im Abklingbecken. Das ist der normale Aufbewahrungsplatz, wenn man zu Inspektionen den Reaktorkern leerräumen muss. Man kann sie schließlich nicht einfach in das Regal im Keller legen²⁸. Eine schöne Animation dazu gibt es bei der New York Times.

Man könnte also denken, der Block sei vorerst sicher. Von wegen! Denn auch hier gab es eine Explosion, die den Betonaufbau ordentlich zerstört hat. In der Außenwand des Reaktorgebäudes klafft ein großes Loch. Zwei mal brach Feuer aus, was von alleine wieder verschwand. Die Temperatur des Wassers im Abklingbecken ist hoch (die letzten Messwerte vom 14.03. lieferten 84 °C, teils scheint es zu kochen), zudem ist zu wenig Wasser im Becken vorhanden. Direkte Meerwassereinspeisung funktioniert nicht, dafür ist man etwa im Tagesrhythmus dabei, mit der Autobetonpumpe jeweils ca. 150 t Wasser da rein zu leiten.

Auch Block 4 hat mittlerweile einen Anschluss an die externe Stromversorgung und verfügt über Stromzufuhr in einzelnen Anlagenteilen.

INES: 3. [↫]

Block 5 [784 MW_el, 946 BE im Abklingbecken]
& Block 6 [1.100 MW_el, 876 BE im Abklingbecken]

Die Temperaturverläufe der Blöcke 5 und 6 im Vergleich zu einer Normaltemperatur²⁹.

Die beiden Blöcke waren genauso wie Block 4 für Wartungsarbeiten abgeschaltet. Auch in ihnen liegen Brennstäbe in den Abklingbecken, so dass der Wasserstand darin langsam sank. Hier gelang es, mit einem Notstromaggregat eine notdürftige Stromversorgung herzustellen, so dass die Becken mit Wasser nachgefüllt werden können. Waren die Wassertemperaturen in den letzten Tagen noch über 60 °C, sind sie momentan bei ca. 38 °C (Block 5) bzw. 21 °C (Block 6) und damit auf Fastnormalniveau. Der Grund dafür: Die Stromversorgung ist wieder hergestellt, das Nachkühlsystem läuft wieder – Juchu! Entsprechend gibt es keine INES-Bewertung für diese beiden Blöcke.

Insgesamt ist die Lage kritisch, Tendenz mal in Richtung Stabilität, mal in Richtung »wow, fuck, raus hier«. Der Einsatz von Wasserwerfern scheint Erfolg zu haben und die Autobetonpumpe scheint die Abklingbecken kühlen zu können. Alle Blöcke sind wieder ans Stromnetz angeschlossen und Schaltwarten und Maschinenhäuser haben teilweise wieder Licht.

Neben den bisherigen Problemen, die sich etwas abzukühlen scheinen, macht das in den Blöcken verteilte Wasser nun Stress: Teilweise ist es stark, teilweise schwach radioaktiv und befindet sich an Stellen, wo es nicht sein sollte. Wasser fließt ins Meer und wird mitunter bewusst dorthin abgeleitet. Fand man erst nur Radionuklide im Meerwasser, z.B. Iod-131³⁰, so ist man mittlerweile dabei die Flüsse des Wasser nachzuvollziehen.

Über den Blöcken steigt kontinuierlich Wasserdampf auf – vermutlich das verdampfende Wasser, das von außen draufgeworfen wurde.

Die von uns angegebenen Zahlenwerte und Aussagen stützen sich, wenn nicht anders angegeben, auf die Pressemitteilungen der Nuclear and Industrial Safety Agency (NISA).

Detailreichere und dadurch genauere Informationen zu den Status der Reaktorblöcken findet ihr auf der hervorragenden Seite der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit sowie (hört hört) in der deutschen Wikipedia: Der Kernkraftwerk-Fukushima-I-Artikel ist mit vielen Quellen belegt, wird häufig aktualisiert und stichprobenartige Überprüfung ergab solide Zusammenfassungen. Hervorragend. Ebenfalls sehr gut³¹: Der englischsprachige Schwesterartikel sowie die Unfalltimeline in der englischen Wikipedia. Außerdem ein kurzer Hinweis auf die Übersichtsbeiträge von BraveNewClimate, z.B. diesen vom 26. März³². [↫]

Ein paar Fragen, die man häufig gestellt bekam

…damit ihr euch nicht auch durch die hunderten Kommentare der anderen Artikel wühlen müsst.

• Moderation? Ich dachte, das Wasser ‘bremst’ die Kettenreaktion?
• Der Reaktor ist doch abgeschaltet, warum müssen wir dann noch weiter kühlen?
• Die haben keinen Strom? In einem Kernkraftwerk??
• Warum hat man nicht sofort ein großes Notstromaggregat mit einem LKW hingeschafft?
• OK, aber man wird doch eine motorbetriebene Pumpe zum Kühlen da hinbauen können, oder?
• Ohne Kühlung kommt die Kernschmelze, was passiert da eigentlich genau? Und wie lange dauert das?
• Aber es hat doch da schon Explosionen gegeben, was war denn das?
• Wasserstoff, mhm? Der war doch vorher nicht da…
• Was bedeuten die gemessenen Strahlungswerte und wo kommen sie her?
• Lustiges Einheitenkarussell: Sievert, Milli, Gray, Röntgen, BecquerHÄ!?l
• Was heißt »kontaminiert« eigentlich, giftig oder einfach radioaktiv? Wieso duschen sich die Arbeiter und Feuerwehrleute im Fernsehen?
• Ist das gefährlich für die Menschen die dort leben?
• Kommt die radioaktive Wolke auch bei uns an und ist für uns gefährlich?
• Heißt das jetzt, wir haben ein zweites Tschernobyl oder wie?
• Aber den Super-GAU haben wir doch?!
• Kann es zu einer Explosion wie bei einer Atombombe kommen?
• Warum lassen die Japaner nicht ihre Roboter im Kraftwerk arbeiten?
• Wo kommt eigentlich auf einmal das Plutonium in Reaktor 3 her? Ist das nicht schlimm?
• Warum dauert es so lange, die Stromversorgung der einzelnen Blöcke wieder herzustellen?
• Bonus-Track: Fukushima in Bananen-Äqulivalenz-Dosis

Moderation? Ich dachte, das Wasser ‘bremst’ die Kettenreaktion?

Wahrscheinlichkeit der Spaltung von U-235 und Pu-239 für verschiedene Neu­tro­nen­ener­gien. (Bild: Vorlesungsskript)

Nein. Die Moderation sorgt dafür, dass die Neutronen langsamer werden. Erst dann können sie im großen Maße eine neue Kernspaltung auslösen. Das liegt daran, dass die Wahrscheinlichkeit, mit der eine Reaktion zwischen Neutronen und dem Spaltmaterial U-235 stattfindet, nicht immer gleich ist. Rechts sieht man den Verlauf dieser Reaktionswahrscheinlichkeit³³ in Abhängigkeit der Neutronenenergie (die der Geschwindigkeit entspricht). Vereinfacht könnte man sagen: sind die Neutronen zu schnell, fliegen sie einfach am Uran vorbei.
Ohne Moderator ist die Kettenreaktion schwierig, aber noch nicht ausgeschlossen. Daher müssen zusätzlich Neutronenabsorber wie Bor eingesetzt werden. [↻•↫]

Der Reaktor ist doch abgeschaltet, warum müssen wir dann noch weiter kühlen?

Auch wenn keine eigentliche Kettenreaktion mehr stattfindet, befinden sich im Reaktor noch Spaltprodukte aus dem Betrieb. Diese radioaktiven Elemente sind instabil und zerstrahlen nach einer gewissen Zeit³⁴ unter Aussendung von Energie. Es entsteht Nachzerfallswärme. Und zwar sowohl in Brennstäben im Reaktorkern als auch für solche, die im Abklingbecken lagern.
Wir haben dem Thema einen eigenen Artikel gewidmet, in dem Detail-Infos inkl. konkreter Zahlenwerte zu finden sind. [↻•↫]

Die haben keinen Strom? In einem Kernkraftwerk??

Klingt bescheuert, was? Nach dem Erdbeben fuhren die Atomkraftwerke ganz automatisch in »STOP«-Position. Steuerungsstäbe: rein, Neutronengifte: Go! und was sonst noch so dazu gehört. Wie gut oder schlecht das geklappt hat, ist noch nicht sicher — aber sie stoppten. Das heißt die Kraftwerke produzierten keinen Strom mehr.
Vermutlich wurden durch das Erdbeben, durch den Tsunami, oder ebenfalls durch die Notabschaltung auch die externen Stromversorgungen gekappt, so dass auch hier keine Zulieferung stattfinden konnte. Es deutet jedenfalls alles darauf hin, dass die Zuleitungen auch nicht eben mal so wieder repariert werden konnten. In wie weit das japanische Hochspannungsnetz überhaupt dazu geeignet ist, die Kernkraftwerke zu betreiben, ist auch gar nicht klar.
Blöder Strom. [↻•↫]

Warum hat man nicht sofort ein großes Notstromaggregat mit einem LKW hingeschafft?

Um das Kraftwerk überhaupt zu erreichen, mussten erst Aufräumarbeiten vorgenommen werden. In den ersten Tagen war nur schwer Durchkommen bis zu den Reaktorblöcken. Kleinere Aggregate hätte man auch mit dem Helikopter dahin transportieren können, zumindest um das Nötigste in Gang zu bringen.
Hat man auch geschafft, man hatte ca. einen Tag nach dem Ausfall Stromaggregate vor Ort, konnte sie aber nicht nutzen. Hier kommt das komplexe Gebilde eines Kernkraftwerks mit all seinen Einzelteilen zum Tragen: ist nach dem Erdbeben (Pumpen und Ventile beschädigt?), Tsunami (Wasseraufbereitung verstopft?) und Explosionen (Zuleitungen intakt?) die Wiederaufnahme der Kühlung überhaupt so einfach möglich? Insbesondere die direkte Stromversorgung zu den Pumpen schien Probleme bereitet zu haben.
Mittlerweile gelingt es übrigens, über eine Behelfskonstruktion immer mehr Kraftwerksanlagen mit dem 110-kV-Stromnetz zu verbinden. [↻•↫]

OK, aber man wird doch eine motorbetriebene Pumpe zum Kühlen da hinbauen können, oder?

Dort, wo die Strahlungwerte hoch sind, kann man keine Arbeiten mehr unmittelbar an den Reaktoren durchführen. Man muss etwas Abstand halten. Daher ist der Betreiber dazu übergegangen, »extern«, aus sicherer Entfernung Wasser in bzw. an den Reaktor zu befördern. Dies geschieht durch Hubschrauber, Feuerwehrwagen oder durch einen Betonpumpwagen.
Numbercrunching zur benötigten Wassermenge: Wenn man 1 MW Wärme (=3,6 GJ/h) durch Verdampfen von reinem Wasser (15 °C kalt) abführen möchte, sind bei Atmosphärendruck etwa 1,4 Tonnen Wasser pro Stunde zuzuführen. Geschieht der Vorgang unter einem höheren Druck als 1 bar erhöht sich die Kochtemperatur, und es wird weniger Wasser benötigt. Zahlenbeispiel für einen intakten Siedewasserreaktor: Bei 71 bar hat Wasser eine Siedetemperatur von 286 °C und es wird 1 Tonne Wasser pro Stunde benötigt. [↻•↫]

Ohne Kühlung kommt die Kernschmelze, was passiert da eigentlich genau? Und wie lange dauert das?

Brennelemente können so heiß werden, dass Tragestrukturen und Brennstoff schmelzen³⁵. Es gibt mehrere Möglichkeiten, was mit dieser Schmelze geschieht. Wir haben sie weiter oben erläutert.

Der geschmolzene Reaktorkern aus Tschernobyl. (Bild: INSP | Galerie)

Um mal den hypothetischen Fall abzuhandeln, dass sich die ungekühlte Kernschmelze »nach unten durchfrisst«, folgt ein bisschen Numbercrunching zur Geschwindigkeit. Die Reaktorblöcke 2-5 erreichen jeweils 784 MW_el Leistung (2.381 MW_th), die sie aus 548 Brennelementen beziehen³⁶. Aus dem Reaktortechnik-Vorlesungsskript von André und Andi hätten wir anhand der dort angegebenen Referenzdaten 490 Brennelemente geschätzt³⁷. Wir gehen also davon aus, dass wir zum groben Abschätzen mit weiteren Angaben daraus rechnen können (konkret zu den Fukushima-Reaktoren sind die nämlich schwer zu finden).
Jedenfalls besteht ein Brennelement aus mehreren Brennstäben, typischerweise bei SWR aus 8 · 8 = 64 Stäben³⁸. Zusammen sollten sich also etwa 35.000 Brennstäbe im Kern befinden. In einem Brennstab steckt größtenteils Uran, das pro Stab ein Volumen von etwa 466 cm³³⁹ einnimmt, der gesamte Kern also etwa 16,3 m³. Das würde bedeuten, dass alleine durch das Uran eine Masse von 310 t zusammenkommt.
Man kann sich nun überlegen, dass die geschmolzene Masse, nennen wir sie »Klumpen«, als Halbkugel auf einem ebenen Stahlboden ruht. Ist zwar ziemlicher Quatsch, weil der Druckbehälter unten rund ist, aber wir wollen ja auch nicht zu komplex werden. In unserem einfachen Modell hätte die Halbkugel einem Durchmesser von ca. 4,0 m und würde somit eine Fläche von 12,3 m² bedecken. Der Klumpen produziert nach einer Woche noch ca. 6 MW thermische Leistung aus der Nachzerfallswärme, sagen wir mal, dass die Hälfte auf den Stahlboden darunter geht.
Die Stahlwand eines Reaktordruckbehälters sind im Bereich von 20 cm⁴⁰, direkt unter dem Klumpen befinden sich also etwa 20 t Stahl. Gehen wir mal davon aus, dass wir die von 500 °C auf 1.500 °C erhitzen und schmelzen müssen, damit die Wand nachgibt, so würde das ungefähr eine Stunde und 20 Minuten dauern.
Der Klumpen lagert jetzt auf dem Betonfundament, das direkt unter dem Reaktorkern ziemlich dick ist. Wir nehmen hier mal 3 m und eine Starttemperatur von 20 °C an. Da durchzukommen würde nochmal etwas über einen Tag dauern.
Wohlgemerkt: diese Zahlen stellen eine ganz grobe Abschätzung dar und auch nur für den Fall, dass man den Reaktor sich selber überlassen würde. Dass es nicht so ist, wissen wir mittlerweile. Ebenfalls vernachlässigt wurde der kühlende Effekt des zu schmelzenden Materials.
Sollte dieser Klumpen am Ende noch heiß genug sein, um in den Erdboden einzudringen und schließlich auf (Grund-)Wasser zu treffen, so kommt es zu einer physikalischen Explosion. Dabei verdampft das Wasser schlagartig und durch den Dampf entsteht ein hoher Druck. Der entlädt sich in Richtung des schwächsten Widerstandes — vermutlich das Schmelzloch entlang nach oben, sodass der Klumpen teilweise hochgeschossen wird. Es ist jedoch recht schwer, zuverlässig die Auswirkungen vorherzusagen, insbesondere weil auch hier wieder Erfahrungswerte (zum Glück!) fehlen. Aber: momentan wird gekühlt und der Fall ist rein hypothetisch! [↻•↫]

Aber es hat doch da schon Explosionen gegeben, was war denn das?

Die haben nicht unbedingt etwas mit der Kernschmelze zu tun und können auch auftreten, wenn im Reaktordruckbehälter alles intakt ist. Die Explosionen, die man sah, sind ziemlich sicher auf eine Knallgasreaktion zurückzuführen, also der Kombination aus Wasserstoff, Sauerstoff und Hitze. Das macht ordentlich wumms und reicht aus, das Reaktordach abzureißen. [↻•↫]

Wasserstoff, mhm? Der war doch vorher nicht da…

Auch bei der Hindenburg hat Wasserstoff zur Zerstörung geführt. (Wikimedia)

Bei Temperaturen ab 900 °C entsteht durch chemische Reaktionen von Wasserdampf mit der Hülle der Brennelemente Wasserstoffgas. Diese Reaktion setzt zusätzlich sehr viel Wärme frei. Es gibt Berechnungen, dass in einem Druckwasserreaktor im Falle einer Kernschmelze in 6 Stunden ca. 5000 m³ Wasserstoff entstehen — das sind 5 Millionen Liter. In Verbindung mit Sauerstoff ist das eine hochexplosive Mischung: Das allseits bekannte Knallgas.
Dieses zusätzliche Problem wird erst seit dem Unfall im Kernkraftwerk Three Mile Island im Jahr 1979 bei der Auslegung eines Kernreaktors berücksichtigt. In Siedewasserreaktoren wird daher das Containment mit Stickstoff geflutet, so dass es nicht zu einer Knallgasreaktion kommen kann.
Darüber hinaus wird durch die radioaktive Strahlung im Reaktorkern Wasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Allerdings ist die dabei entstehende Menge an Knallgas lange nicht so hoch wie bei der weiter oben beschriebenen Reaktion. Diese so genannte Radiolyse läuft auch während des Normalbetriebs des Kraftwerkes ab, so dass es Vorrichtungen (»Töpfer-Kerzen«) gibt das entstandenen Knallgas abzubauen.
Trotz dieser Vorkehrungen ist im Kernkraftwerk Brunsbüttel im November 2001 ein an den Reaktordeckel angeschlossenes Rohr durch eine Knallgas-Explosion zerstört worden⁴¹. [↻•↫]

Was bedeuten die gemessenen Strahlungswerte und wo kommen sie her?

Die Meldungen über die Strahlungsbelastung vor Ort sind häufig sehr vage. Angaben über »400-fache« Strahlungswerte oder »mehr als 2000 Mikrosievert« sind etwa so nützlich, als würde jemand seinen Benzinverbrauch mit »mehr als 3,4 Liter« bezeichnen.
Strahlung kann man sich gut als einzelne winzige Projektile vorstellen, die Schäden auf molekularer Ebene hervorrufen (siehe nächste Frage). Wenn man alle Teilchen zählt, die einen Menschen »verstrahlt« haben, kriegt man eine Strahlungsdosis. Wird diese Dosis wiederholt oder gar kontinuierlich zugeführt, spricht man von Strahlenbelastung. Wie unten erklärt kann der menschliche Körper einiges an Strahlung wegstecken, eine gewisse Belastung durch Hintergrundstrahlung aus dem Weltraum oder vom Boden erfahren Menschen jeden Tag und es beschwert sich niemand⁴².

Eine übersichtliche Darstellung verschiedener Strahlendosen bei xkcd.com.

Die Stärke der verursachten Schäden hängt von der Größe der Teilchen (ein ?-Teilchen macht mehr Krach), von ihrer Energie und der Durchdringungsfähigkeit (ein ?-Teilchen kann eine längere Strecke zurücklegen) ab. Daher wählt man häufig die Äquivalenzdosis, die Vergleiche untereinander einfacher macht. Die gängige Weise, die Äquivalenzdosis zu beschreiben, ist in Sievert, kurz Sv⁴³; wird diese stetig zugefügt, spricht man von Sievert pro Stunde oder pro Jahr — Sv/h bzw Sv/a.

Der Herkunft der Strahlung in der Nähe des Reaktors ist vielerlei, lässt sich aber zusammenfassen in zwei Hauptquellen: Im Betrieb strahlen die Brennstäbe Neutronen ab, die durch das Design des Reaktors ausreichend abgeschirmt werden sollten. Zweitens strahlen nach dem Ausbrennen die Zerfallsprodukte (ob in geordneter Form von Brennstäben oder nach deren Bruch) ?- und ?-Strahlung ab. Im Reaktorgebäude sind die ausreichend abgeschirmt und machen keinen Stress. Erst wenn die Zerfallsprodukte nach außen gelangen fangen die Probleme an.

Radiologische Messungen zur Strahlendosis am Kernkraftwerk Fukushima I. (GRS)

In den radiologischen Messungen sieht man, dass zum Beispiel am Mittag des 16. März nach »Freisetzungen aus Block 2 und 3« die Strahlungsbelastung am Westtor schlagartig etwa 12.000 µSv/h erreicht hat und dann innerhalb von ca. 3 Stunden wieder auf 1.000 µSv/h gesunken ist. Das bedeutet, dass wahrscheinlich eine kontaminierte Wolke ausgestoßen wurde, einen Sensor erreicht hat, dann immer weiter verdünnt und abgezogen ist. Wichtig ist, dass dies nicht bedeutet, dass dort permanent 12 mSv/h herrschen. Dieser Wert war dort nur für einen relativ kurzen Zeitraum messbar. Es bedeutet ebenso nicht, dass die Wolke diese Intensität beibehält — sie wird sich verdünnen und über einer immer größeren Fläche eine immer kleinere Belastung bedeuten.
Anhand der Messkurve, die man rechts sieht, wird klar, dass das bei allen bisher durchgegebenen Messwerten vom Kraftwerk der Fall ist⁴⁴. [↻•↫]

Lustiges Einheitenkarussell: Sievert, Milli, Gray, Röntgen, BecquerHÄ!?l

In den Berichten der Presse und auch den offiziellen Statusmeldungen aus Japan werden häufig gemessene Strahlendosen angegeben. Leider scheinen dabei die Einheiten auf ein großes Karussell gepackt worden zu sein, aus dem dann immer mal wieder zufällig eine möglichst verwirrende von ihnen aussteigen gelassen wird.

Sievert (Formelzeichen Sv) ist die Einheit der Äquivalenzdosis. Sie gibt an, wie stark die Strahlung den Körper beeinflusst bzw. schädigt (siehe vorheriger Abschnitt). Früher gab es dafür das rem, das »roentgen equivalent in man«, wobei 100 rem = 1 Sv sind. Die Äquivalenzdosis ist eine gewichtete Energiedosis, also durch die Strahlung deponierte Energie pro Masse (J/kg) plus einen Faktor für die Strahlungsart⁴⁵.
Lässt man diesen Gewichtungsfaktor weg, landet man bei der reinen Energiedosis und bezeichnet sie Gray (Gy). Ist der Gewichtungsfaktor der Strahlung 1 (z.B. bei β- oder γ-Strahlung), so ist entsprechend 1 Gy = 1 Sv. Hierfür wiederum gab es früher das Röntgen (R), dessen Definition (wie so häufig bei alten Einheiten) etwas WTF?! ist, in trockener Luft aber ähnlich wie oben: 100 R = 1 Gy.

Das ganze bezeichnet jetzt aber nur die insgesamt deponierte Energie. Strahlung ist allerdings über einen langen Zeitraum vorhanden und eine Person vielleicht nur kurz in einem verstrahlten Gebiet. Daher will man die Strahlungsdosis für eine gewisse Zeit haben, z.B. pro Jahr (/a) wenn es um natürliche Belastungen geht oder pro Stunde (/h), wenn man mit hoher künstlicher Radioaktivität hantiert. Denn als Arbeiter ist man eher ein paar Stunden im Kernkraftwerk und lebt da nicht. Daher sieht man häufig Einheiten wie mSv/h, also Milli-Sievert pro Stunde. Dass da vor Sievert noch Milli steht, liegt daran, dass Sievert pro Stunde schon ziemlich übel ist (siehe vorheriger Abschnitt) und man daher Vorfaktoren wählt, die eher passen. Genauso wird natürliche Strahlenbelastung häufig in Microsievert (µSv/h) pro Stunde angegeben, einem tausendstel eines Millisieverts. Man müsste sonst zuviele Nullen hinter’m Komma mitschleifen. Und dann vertut man sich nur.
Dass man sich auch so vertut, zeigt das fröhliche Vorsatzundzeiteinheitskarussell, was gerade in viele Pressemeldungen betrieben wird. Sievert, Mikrosievert pro Stunde und Millisievert pro irgendwas geht munter durcheinander, wird teils falsch umgerechnet und unpassend dargestellt. Ein hoher Spitzenwert von 400 mSv/h heißt noch nicht, dass wirklich über eine Stunde diese Äquivalenzdosis geherrscht hat — wahrscheinlicher ist, dass für nur ein kurzer Zeitraum⁴⁶ über diese starke Dosis verfügte und der Wert dann auf eine Stunde hochgerechnet ist. Es heißt, wie so häufig: Aufgepasst und mitgedacht!

Jedenfalls: Wir wissen nun also, wie man angeben kann, wieviel Wumms die Strahlung verursacht — gewichtet oder ungewichtet. Also eigentlich das, was uns interessiert, wenn wir von irgendwelchen Gefahren für Menschen ausgehen. Manchmal interessiert einen aber, wie häufig man von einem Stoff ein Strahlungsteilchen erwarten kann (z.B. für Untersuchungen am Stoff selber). Dafür gibt es dann das Becquerel (Bq): ein Maß für die Aktivität eines Stoffes. Es ist 1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde. Auch hier gibt’s die Pensionierungsversion davon: das Curie (Ci) mit 1 Ci = 3,7·10¹⁰ Bq. Prinzipiell ist auch hier ein höherer Wert schlecht, aber 10.000 Bq sind nicht gleich 10.000 Bq was die Schadensleistung angeht. Der eine Stoff mag etwas harmloser Strahlen als ein anderer.
Wie schon bei Millisievert pro Stunde gibt man auch hier häufig die relative Größe an, diesmal allerdings pro Menge, also z.B. Bq/cm³ oder Bq/kg, damit man Stoffe besser untereinander vergleichen kann.

Also in Kürze:
(Milli-, Micro-)Sievert: Wumms im Körper (mit Gewichtung der Schadwirkung).
Sievert pro Stunde: Wumms pro Stunde Aufenthalt im Körper.
Gray: Wumms in Materie (ohne Gewichtung der Schadwirkung).
Becquerel: Strahlungsteilchen pro Sekunde.

In etwas mehr Länge hat Slate sich ebenfalls der Dosenkonfusion angenommen. [↻•↫]

Was heißt »kontaminiert« eigentlich, giftig oder einfach radioaktiv? Wieso duschen sich die Arbeiter und Feuerwehrleute im Fernsehen?

Man spricht im physikalischen Sinne von einer Kontamination, wenn man radioaktive Stoffe dort entdeckt, wo die üblicherweise nicht hingehören. Wie etwa im Umfeld eines Reaktors oder in einer Siedlung.
Uran, Plutonium und auch deren Zerfallsprodukte strahlen nicht nur munter vor sich hin, sondern sind auch häufig chemisch für den Organismus nicht so gesund wie ein Arztbesuch oder der tägliche Apfel. Wenn diese Stoffe pulverisiert werden, können sie sich mit der Luft oder Wasser vermischen und verteilt werden.
Darüber hinaus können unbeteiligte Materialien und Stoffe kontaminiert werden, indem sie der Strahlung ausgesetzt sind, sich »aktivieren«⁴⁷ und selbst anfangen zu strahlen.
Normalerweise wird viel daran gesetzt, die strahlenden Substanzen vor der Umwelt abzugrenzen: Stahlbehälter, dicke Betonmauern, getrennte Wasserkreisläufe, Sicherheitsschleusen. Wenn die Kontamination wie im aktuellen Unfall doch eintritt, tut man alles, damit die Stoffe nicht inkorporiert werden – Atemschutzmasken und Overalls sind Pflicht.
Ist die eingesetzte Schutzkleidung keine Einwegkleidung, die man nach dem Einsatz fachmännisch entsorgt, wird sie nach der Arbeit dekontaminiert: man wäscht die radioaktiven Staubpartikel ab — und das ist das aus Film und Fernsehen bekannte Duschen. [?•?]

Ist das gefährlich für die Menschen die dort leben?

Radioaktive Strahlung führt zu Veränderungen an den Zellen aller davon betroffenen Lebewesen. Allerdings sind Menschen und höhere Tiere empfindlicher dagegen als primitive Tiere⁴⁸, Bakterien oder Pflanzen. Die an den Zellen entstandenen Schäden zeigen sich dann in den verschiedenen Organen und letztendlich am gesamten Organismus.
Geschädigt werden vor allem die Proteine in der Zelle und die Erbsubstanz, DNA, im Zellkern. Für DNA-Schäden hat die Zelle gut funktionierende Reparaturmechanismen, die allerdings auch manchmal Fehler machen. Gelingt die Reparatur, dann bleibt die betreffende Zelle ungeschädigt. Treten bei der DNA-Reparatur Fehler auf, wird die Zelle nicht mehr richtig funktionieren. Sie stirbt dann ab oder kann sich zu einer Krebszelle entwickeln. Oft haben diese Zellschäden aber keinerlei Auswirkung. Werden die Keimzellen geschädigt, kann der Fehler an die nächste Generation weitergegeben werden.
Wie stark eine Zelle durch die Strahlung geschädigt wird hängt von der Dosis ab, die vom Körper aufgenommen wird. Ganz grob kann man sagen, je mehr aufgenommene Strahlung, desto größer der Schaden und desto schneller tritt er auf.

Die durchschnittliche Strahlenbelastung eines Menschen. (Daten: Wikipedia)

Die natürlich vorkommende radioaktive Strahlung beträgt etwa 0,02 bis 0,03 µSv/h⁴⁹. Sie hat dabei verschiedene Quellen: die kosmischen Strahlung, die auf der Erde ankommt; Baustoffe; verschiedene natürlicherweise in der Umgebung vorkommende radioaktive Substanzen oder Bananen (s.u.).
Dieser Strahlung ist jeder von uns seit seiner Geburt ausgesetzt. Sie variiert von Ort zu Ort und nimmt mit zunehmender Höhe zu. Auch die Bodenbeschaffenheit spielt dabei eine Rolle: in Gebieten in denen man Granit findet ist die Strahlung hoch, in denen mit Kalkstein niedrig. Zum Beispiel findet man in Bremen 0,03 µSv/h, in Oberfranken 1,3 µSv/h Strahlendosis. Der Mittelwert in Deutschland beträgt 0,05 µSv/h; der Maximalwert 5,7 µSv/h. Dazu kommt zusätzliche Strahlung durch Röntgen und andere medizinische Behandlungen (Krebstherapie!) und nicht zu vergessen durch Flugreisen. In großen Höhen wird die Strahlung intensiv und Strahlendosen beim Fliegen liegen bei 2 µSv/h.
Beim havarierten Kraftwerk wurde, nach Angaben des Betreibers, am 17. März gegen 11:00 Uhr Ortszeit eine Strahlendosis von 646 µSv/h gemessen. Sie soll zeitweilig sogar zwischen 100 und 400 mSv/h gelegen haben. Würde die Intensität konstant bleiben (was sie aber nicht ist, s.o.), würde das für jemanden, der sich eine Stunde dort aufhält, bedeuten, dass eine Äquivalentdosis von 100 bis 400 mSv aufnimmt. Das ist deutlich höher als die übliche Strahlendosis und bleibt natürlich nicht ohne Folgen für die Menschen, die dieser Strahlung ausgesetzt sind.
Dabei gilt: Je höher die Dosis,

• desto schwerwiegender sind die Auswirkungen,
• desto schneller treten die Symptome auf,
• desto länger dauert die Erholungsphase,
• desto länger bleibt die Krankheit bestehen und
• desto geringer werden die Überlebenschancen.

Über Verlauf und Überlebenschancen entscheidet die erhaltene Äquivalentdosis.
Dabei treten die folgenden Symptome auf⁵⁰:

• weniger als 0,5 Sv: Keine akuten Symptome. Nachweis, wenn überhaupt, nur über eine verringerte Anzahl der roten Blutkörperchen.
• 0,5 – 1 Sv: klinisch messbar (weniger rote Blutkörperchen), Kopfschmerzen (Strahlenkater), erste Schädigungen des Immunsystems.
• 1 – 2 Sv (leichte Strahlenkrankheit): Übelkeit, Appetitlosigkeit, Müdigkeit, Unwohlsein; 10 % der Betroffenen sterben innerhalb eines Monats.
• 2 – 4 Sv (schwere Strahlenkrankheit): Haarausfall, Verlust der weißen Blutkörperchen, Sterilität, Durchfall, Blutungen unter der Haut; bis zu 50 % der Betroffenen sterben innerhalb eines Monats.
• 4 – 50 Sv (akute Strahlenkrankheit): mit steigender Dosis steigt die Zahl der Todesfälle; ab einer Dosis von 6 Sv kann man davon ausgehen, das alle Betroffenen innerhalb weniger Tage sterben.
• über 50 Sv: Sofortiger Eintritt des Todes.

Langfristige Schäden sind ein mit der aufgenommenden Dosis steigendes Risiko an Krebs zu erkranken und Veränderungen an der DNA, die an die folgenden Generationen weitergegeben werden können.

In Tokio, etwa 250 km von Fukushima entfernt, wurde am 17. März eine Strahlendosis von 0,14 µSv/h gemessen. Die natürliche Strahlung in Tokio liegt nach Angaben der japanischen Behörden zwischen 0,028 und 0,079 µSv/h. Das bedeutet, dass die Menschen die dort leben vorerst nicht gefährdet sind.
Allerdings muss man in einem Umkreis von mehreren Kilometern um das Kernkraftwerk mit langfristig erhöhten Strahlendosen rechnen, die zu einer erhöhten Krebsrate und genetischen Schäden in den folgenden Generationen führen können. [↻•↫]

Kommt die radioaktive Wolke auch bei uns an und ist für uns gefährlich?

Strahlenbelastung der letzten Jahre in Mitteleuropa. (Quelle: Quarks & Co.⁵¹ )

Nach einiger Zeit⁵² kommen sicherlich einzelne Teilchen um die Erde. Sehr unwahrscheinlich dagegen, dass sie in Europa schädlich werden können — vermutlich hat sich die Wolke bis dahin bis zur homöopathischen Konzentration (lies: Ungefährlichkeit) verdünnt. Auf jeden Fall aber wird sie weit unter den Werten liegen, die man bisher in Mitteleuropa aufgrund der Kernwaffentests und Tschernobyl gemessen hat.
Es ist bei uns also in keiner Weise notwendig mit einem Geigerzähler seine Umgebung und Nahrung zu kontrollieren oder gar noch vorbeugend Iodtabletten einzunehmen. Im Gegenteil: die bei Katastrophensituationen zum Schutz der Schilddrüse notwendige Menge an Iod⁵³ kann unter normalen Bedingungen schon gefährliche Nebenwirkungen haben. [↻•↫]

Heißt das jetzt, wir haben ein zweites Tschernobyl oder wie?

Kurz: Nein. Der bisherige Unfallverlauf ist unterschiedlich zu dem in Tschernobyl. In Tschernobyl geschah sehr viel sehr schnell. Dagegen ist das, was wir von Fukushima mitbekommen, fast eine Slow-Motion-Aufnahme. Außerdem hatte Tschernobyl einen anderen Reaktortyp mit einer anderen Art Unfall. Ein komplexes und großes Themenfeld, daher nur soviel: Es gab eine große Explosion, die zu starker Zerstörung und einem schwer zu löschenden Graphitbrand führte. Somit wurden über Tage hinweg große Menge radioaktiver Partikel freigesetzt. In den Wochen danach arbeiteten viele, viele Leute in extremer Nähe zum Reaktor, um das Ereignis zu kontrollieren.
Möchte man den jetzigen Unfall mit einem bekannten Ereignis vergleichen, dann ist das wohl eher ein zweites Three-Mile Island. Bei diesem Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor in den USA kam es Ende der 70er zu einer Kernschmelze, weil das Kühlsystem nicht so lief, wie es sollte. Dieser INES-5-eingestufte Unfall lief allerdings relativ glimpflich ab und konnte unter Kontrolle gebracht werden. [↻•↫]

Aber den Super-GAU haben wir doch?!

Meh. Darüber kann man sich streiten und es geht eigentlich an der Sache vorbei. Ein GAU bezeichnet den größten anzunehmenden Unfall, den man eingeplant hat. Ein Super-GAU geht darüber hinaus und provoziert einen Kontrollverlust. Wenn man sich also festlegen will, dann ist es eher ein Super-GAU, wobei man mittlerweile wieder beginnt, Kontrolle zu gewinnen.
Wichtig ist eher, dass man versteht, was genau passiert ist und daraus lernt. Ob das ein GAU oder Super-GAU ist, ist dabei egal. [↻•↫]

Kann es zu einer Explosion wie bei einer Atombombe kommen?

Nein. Das hat zwar beides etwas mit Kernspaltung und Neutronen zu tun, aber es gibt einen wichtigen Unterschied: Die Anreicherung. Bei Kernkraftwerken setzt man Uran in den Brennelementen ein, dass zu etwa 3 bis 4 % mit dem spaltbaren U-235 angereichert ist — eine leichte Anreicherung gegenüber dem natürlichen Niveau von 0,8 %. Damit eine Kettenreaktion so wild abläuft, wie die Freaks, die Atombomben bauen, es gerne hätten, muss Uran-235 zu wesentlich größeren Anteilen in der Kernwaffe vorhanden sein. Mehr als 80 % sind hier verwendete Anreicherungen.
Sollte es entgegen des momentanen Anscheins doch noch zu einer großen Explosion im Kraftwerk kommen, bei dem auch Materialien der Brennelemente freigesetzt werden, so ist der Effekt eher mit dem einer schmutzigen Bombe vergleichbar: Durch eine nicht-nukleare Explosion werden radioaktive Elemente in der Umgebung verteilt und verstrahlen dort das Gebiet. Partikel können dann auch weggeweht werden und weiter entfernte Bereiche verseuchen. Aber eine riesige Explosion mit dem klassischen Pilz, die gibt’s nicht. [↻•↫]

Warum lassen die Japaner nicht ihre Roboter im Kraftwerk arbeiten?

Ein sowjetischer Mondroboter hat bei der Räumung von Brennelementen in Tschernobyl versagt.

Der hochtechnologische Ansatz ist (mittlerweile) kein Science-Fiction — Roboter könnten dort agieren, wo die Strahlung für Menschen zu gefährlich ist. Abgesehen von organisatorischen und finanziellen Hindernissen gibt es aber auch eine physikalische Komplikation: die Halbleiterelektronik ist empfindlich gegenüber der ionisierenden Strahlung⁵⁴.
Die gesamte moderne Elektronik basiert auf Halbleitern (z.B. Silizium) und die Bestandteile von CPUs, genauso wie RAM oder Festplatten werden immer kleiner. Dies hat zur Folge, dass ionisierende Strahlung genügend Energie in den Bauteilen deponieren kann, um die Nullen und Einsen durcheinander zu bringen. Und wenn das bei einem Bit geschieht, das Zuständig ist, den Motor anzuschalten, versteht der nur noch Bahnhof und funktioniert entweder falsch oder gar nicht.
Im Weltraum hat man übrigens ein ähnliches Problem: Die Strahlung ist allgegenwärtig. Der Robustheit wegen werden daher z.B. die Mars-Rover mit knapp bemessenen 20MHz-CPUs ausgestattet. Unmöglich ist es also nicht, aber schwierig⁵⁵. [↻•↫]

Wo kommt eigentlich auf einmal das Plutonium in Reaktor 3 her? Ist das nicht schlimm?

Ja, Plutonium ist schlimm. Als Schwermetall ist es giftig für den Körper, das ist Uran aber auch. Das Problem bei beiden⁵⁶ ist, dass sie α-Strahler sind. Das Üble an α-Strahlung ist, dass dabei Helium-Kerne absondert werden, die aufgrund ihrer hohen Masse (im Vergleich z.B. zu β-Strahlung) eine hohe Schadwirkung erziehlen können. Glücklicher Nebeneffekt: sie kommen auch nicht weit, ein bisschen Luft oder im Zweifelsfall die oberen Hautschichten halten α-Strahlung ab. Problematisch wird es, wenn es in den Körper gelangt. Die Schwermetalle machen sich dann in allen möglichen Organen häuslich ein und richten über einen langen Zeitraum — beide haben hohe Halbwertszeiten⁵⁷ — radiologischen Schaden an.
Plutonium ist dabei aber etwas schlimmer als Uran, denn es hat eine kürzere Halbwertszeit (24.110 Jahre statt 4,5 Milliarden). Dadurch strahlt es häufiger bei gleicher Menge und erreicht somit schneller extrem schädliche Bereiche.

Dass man in Reaktor 3 Plutonium einsetzt hat, bedeutet aber trotzdem keine besonders gesteigerte Gefahr gegenüber den Nachbarreaktoren. Tatsächlich sind Brennelemente mit einer Mischung aus Uranoxid und Plutoniumoxid nicht selten. Sie finden auch hier in Deutschland Verwendung. Der Grund ist einfach: Plutoniumoxid, konkret mit Pu-239, entsteht in gewissen Mengen⁵⁸ als Nebeneffekt im Kernkraftwerk, hat aber noch Potential zur Kernspaltung (wie U-235). Es wäre also verschwendet, würde man es als Atommüll deklarieren. In der Wiederaufbereitungsanlage wird das Pu-239 vom Rest getrennt und zusammen mit frischem Uran-235 in sogenannten Mischoxid-Brennelementen (MOX-Brennelement) zum Kernkraftwerk gebracht. Der Anteil spaltbaren Materials bleibt dabei im Wesentlichen gleich, teilt sich jetzt aber auf U-235 und Pu-239 auf. [↻•↫]

Warum dauert es so lange, die Stromversorgung der einzelnen Blöcke wieder herzustellen?

Stück für Stück wächst der Anteil in der Kraftwerksanlage, der wieder mit Strom versorgt ist. Aber es dauert. Es ist eben nicht so einfach, da die Kabeltrommel auszurollen und den Stecker in die Steckdose zu stecken.
So ein Kraftwerk ist ein komplexes Gebilde, bei dem selbst kleinere Unterschiede andere Elektronik erfordern. Die Baujahre der ersten vier Blöcke liegen ca. 2 Jahre auseinander, die Anlagen sind von unterschiedlichen Firmen – das Prinzip des SWRs ist gleich, aber die Bauteile sind vermutlich alles andere als das. Außerdem ist der Schadensverlauf unterschiedlich, sodass nicht klar ist, was überhaupt noch funktioniert.
Ausführlich hat Eng in den Kommentaren etwas dazu geschrieben. [↻•↫]

Bonus-Track: Fukushima in Bananen-Äqulivalenz-Dosis

Und für alle die, die bis hier her ausgehalten haben, noch ein kleines Schmankerl: Bananen sind leicht radioaktiv — erfahrene physikBlog-Hasen wissen das bereits. In Bananen ist Kalium enthalten, dass natürlichweise auch zu 0,012 % aus dem radioaktivem Kalium-40 besteht. Durch das Essen einer Banane wird man somit einer Strahlendosis von etwa 0,1 µSv ausgesetzt⁵⁹.
Das bedeutet also, dass die Leute in Tokyo einer Strahlung ausgesetzt sind⁶⁰, die etwa einer Banane pro Stunde entspricht. Vermutlich ist das nicht so gesund, liegt aber wohl eher an der dann unausgewogenen Ernährung. [↻•↫]

Schlussworte

Ohne die besten Leser und Kommentatoren aller lila physikBlogs da draußen wären wir nichts. Und dieser Artikel auch nicht. Denn in den vielen vielen Kommentaren zu unseren letzten Artikeln kamen über die sachlichen Diskussionen Ergebnisse, die uns geholfen haben, den Artikel zu schreiben.

Ich gehe mal davon aus, dass das hier nicht anders wird.
In diesem Sinne: fröhliches Kommentieren!

Änderungen am Artikel

21.03. 18:20 Uhr: Frage/Antwort zu Plutonium im Reaktor 3 hinzugefügt.
21.03. 18:45 Uhr: Fußnote zur Entwicklung von Robotern durch die Kraftwerksbetreiber hinzugefügt
21.03. 19:50 Uhr: Änderung beim Ablauf der Kernschmelze: eine direkte Explosion in Folge einer Kernschmelze wurde früher mal angenommen, mittlerweile nicht mehr — insbesondere wegen Stickstoff als Schutzgas¹³. Ein reines Durchschmelzen scheint der wahrscheinliche Weg zu sein⁶¹.
21.03. 21:30 Uhr: Kleine Änderungen. Zur Verdeutlichung die nicht vorhandene INES-Einstufung von Block 5 & 6 erwähnt. Am Ende des zusammenfassenden Teils, kurz vor den Fragen, die Sekundärliteraturlinkliste noch um zwei Wikipedia-Links erweitert: Fukushima I nuclear accidents und Timeline of the Fukushima nuclear accidents. Wolfram-Alpha-Links durch Kurz-URL-Äquivalente ersetzt.
22.03. 18:30 Uhr: Containment in Fukushima ist gegen 4 bar ausgelegt, nicht 8 bar (das sind typische Druckwasserreaktoren in Deutschland).
23.03. 10:00 Uhr: Stand der Reaktorblöcke aktualisiert.
23.03. 13:31 Uhr: Frage/Antwort, warum die Stromversorung so lange braucht hinzugefügt.
27.03. 16:00 Uhr: Frage/Antwort zu verschiedenen Einheiten der Strahlungsmessung hinzugefügt.
27.03. 22:35 Uhr: Stand der Reaktorblöcke aktualisiert, einen neuen Weitere-Infos-Link hinzugefügt.
30.03. 00:33 Uhr: Antwort zur Schädlichkeit von Plutonium etwas überarbeitet.
05.04. 15:30 Uhr: Stand der Reaktorblöcke etwas aktualisiert (in kurz: Wasser überall, wo es nicht sein soll, Strom in den Maschinenhäusern, alles andere relativ unverändert)
11.04.: Es gibt ein Diskussions-Forum zu Unfall! Im passenden Blog-Artikel findet ihr etwas mehr Info.

1. Wer den Beitrag von Samstag kennt, wird ein paar Überschneidungen feststellen. Aber dazwischen findet sich auch Neues. Durchhalten!
2. Das funktioniert mit Wasser deswegen so gut, weil es leicht ist. Stellt euch vor, ihr nehmt einen Tischtennisball (= Neutron) und schießt ihn auf eine Billiardkugel (=schwerer Kern) – der Tischtennisball wird zurückprallen und nicht langsamer werden. Tischtennisball auf Tischtennisball wird dafür sorgen, dass der andere Ball schneller wird und unser Startball langsamer ? wir haben das Neutron gebremst.
3. Die haben wir mittlerweile ja gestoppt.
4. direkt nach Abschalten etwa 5% der ursprünglichen Leistung
5. Die Pumpen für den Primärkreislauf haben eine Leistungsaufnahme von ca. 7 MW und werden mit 10 kV betrieben!
6. Betriebsdruck: 70-80 bar.
7. In deutschen Kernkraftwerken kommen dafür übrigens Wallmann-Ventile mit eingebauten Filtern zum Einsatz, die radioaktive Stoffe auf ein hunderstel reduzieren sollen.
8. Quelle: Zusammenfassung des BMU.
9. Das Reaktorgebäude wird ab und zu als »secondary containment« bezeichnet, hat aber keine hermetische Abriegelung gegenüber der Atmosphäre. (Siehe Kommentar von Christoph)
10. Die brauchen dann sinnvollerweise nicht mehr so viel Leistung wie die Pumpen im Primärkreislauf.
11. Quelle: http://www.insc.anl.gov/matprop/uo2/melt.php
12. Schmelzpunkt: ca. 1500 °C, hängt von der genauen Zusammensetzung ab.
13. Siehe Kommentar von Susi
14. Quelle: JAIF-Report, Karte auf Seite 3. Ich habe allerdings in den offiziellen Pressemitteilungen der NISA (Beispiel) nur 10 gefunden, das AKW Tokai fehlt dabei. Keine Ahnung warum.
15. Station Blackout Diesel Generators.
16. Quelle: Technology Review bzw. diese Übersicht der Tsunami-Ankunftszeiten.
17. Quelle: Kurzbericht der GRS, die sich auf AKW-Betreiber TEPCO berufen. Alle weiteren Zahlen zu der Anzahl der Brennelemente in den Becken ebenfalls dieser Bericht.
18. als der Druck 8,4 bar überschitten hat — ausgelegt war er für 4 bar. Quelle: Zusammenfassung des BMU.
19. Die Zeit, nach der nur noch die Hälfte des Stoffs vorhanden ist.
20. Stickstoff ist deswegen da, weil es als Schutzgas eingesetzt wird.
21. Quelle: JAIF-Report vom 18.03.
22. Übrigens wird der Reaktordruckbehälter mittlerweile über Feuerlöschleitungen gefüllt.
23. Er liegt dabei auf einer Höhe mit dem Unfall im AKW Three Mile Island in den USA, bei dem es nach Aussetzen der Kühlung zu einer teilweisen Kernschmelze kam.
24. Das geschieht normalerweise durch einen aktiven Kühlkreislauf.
25. So ein Ding mit 58 m Gelenkarm, die mit einer Förderleistung von 50 m³/h betrieben wird.
26. Quelle: TEPCO Pressemitteilung
27. Quelle: Zusammenfassung der GRS, Stand: 27.03.2011, 20:00 Uhr.
28. Übrigens erreichen die dort gelagerten Brennelemente eine Leistung über die Nachzerfallswärme von etwa 2 MW (Quelle: Kurzbericht der GRS).
29. Temperaturdaten aus den Presseberichten von NISA und JAIF
30. 74 Bq/cm³, das ist ca. 2.000 mal mehr als erlaubt. Wie schlimm das jetzt aber wirklich ist, wissen wir leider auch nicht.
31. Vermutlich noch ein Stück besser?
32. Aber Achtung, mit der nötigen Skepsis genießen! Aber das solltet ihr bei dem Thema sowieso immer und überall.
33. Das Fachwort dafür ist: »Wirkungsquerschnitt«.
34. Zeitraum: Sekunden, Stunden oder gar Jahre. Das ist völlig unterschiedlich.
35. Allerdings auch nur bei extrem hohen Temperaturen mit über 2000°C.
36. Quelle: Kurzbericht der GRS
37. Dort sind typische Daten von deutschen Siedewasserreaktoren mit 1300 MW_el angegeben.
38. Streng genommen gibt es noch eine Stabposition in der Mitte, durch die Wasser fließt — Temperatur und so. Aber wir wollen ja hier nur grob abschätzen.
39. Durchmesser der Uran-Pallets bei 12,5 mm, aktive Höhe 3,8 m
40. Quelle: Reaktortechnik-Skript, allerdings für einen typischen Druckwasserreaktor.
41. Siehe auch Wikipedia Kernkraftwerk Brunsbüttel.
42. Tatsächlich gibt es Vermutungen, dass die Strahlung die Evolution mit voran getrieben hat
43. 1 mSv (milli) = 1.000 µSv (mikro) = 1.000.000 nSv (nano).
44. Ein besonders schlechtes Beispiel war ein »Experte« in einer Radiosendung, der mit dem bisherigen Maximalwert von 400 mSv/h ausgerechnet hat, dass die Techniker spätestens nach einem Tag tod sein müssen (weil man dann im Bereich von 10 Sv ist, siehe übernächste Frage). Dass es aber nur kurz so stark war, schien er unter den Tisch fallen gelassen haben.
45. Also ?-, ?-, ?-, und Pony-Strahlung. Eine von denen haben wir soeben frei erfunden.
46. Minuten oder nur Sekunden.
47. Das heißt, es entsteht ein radioaktives Isotop eines bekannten Elements.
48. Damit ist nicht euer Nachbar gemeint, sondern Kakerlaken und anderes solches Krabbelvieh.
49. Mikrosievert pro Stunde, s.o.
50. Siehe auch Symptome der Strahlenkrankheit der Wikipedia.
51. Das ganze scheint auf Daten zu basieren, die auch in diesem PDF, S. 17 verwendet werden.
52. Wochen? Monate? Jahre?
53. Bei einem Erwachsenen ca. 75 mg in einer einzelnen Dosis
54. Es wird dazu Forschung betrieben, hier auch ein Wikipedia-Artikel.
55. Laut dieserm Interview haben die Betreiber in Japan die Entwicklung von passenden Robotern abgelehnt, weil es dafür keinen Bedarf gebe. [via Kommentar von hilti]
56. Wir beziehen uns hier auf die häufigen Isotope U-238 und Pu-239, die in den Brennstäben vorkommen.
57. Ganz im Gegensatz z.B. zu Iod-131 oder Caesium-137.
58. ca. 1 % eines abgebrannten Brennelements aus einem Leichtwasserreaktor ist Plutonium — ganz im Gegensatz zu einem Brutreaktor, dessen Aufbau auf die massive Produktion von Plutonium ausgelegt ist.
59. Quelle: http://www.ehs.unr.edu/Documents/RadSafety.pdf, Seite 31
60. Daten wie oben vom 17.03.
61. Quellen dafür: Vorlesungsskript sowie eine Beschreibung des Karlsruher Instituts für Technologie.

Wir haben eine Neuauflage geschrieben:
Eine Zusammenfassung der Probleme bei Fukushima I

Der folgende Text ist also veraltet. Bitte beim Lesen berücksichtigen.

Nachtrag: Am Fuße des Artikels gibt’s ein paar Nachträge!

Die Kacke ist am Dampfen. Ziemlich übel sogar. Nach dem Erdbeben vor der Ostküste Japans kam es zu Problemen im Kernkraftwerk Fukushima I. Ein paar persönliche, vorläufige Einschätzungen zur Lage¹, nachdem ich zusammen mit Andi schon die technischen Hintergründe bei Druck- und Siedewasserreaktoren abgedeckt habe:

Der Anfang

Nach dem Erdbeben sind 11 der 17 Kernkraftwerke in Japan — korrekterweise — automatisch abgeschaltet worden. Dabei wurden Steuerstäbe mit Neutronenabsorbern in die Kerne gefahren, so dass die Kettenreaktion gestoppt ist. Die Gefahr ist dadurch aber noch nicht gebannt, wegen der sogenannten Nachzerfallswärme muss weiter gekühlt werden.
Der Kühlkreislauf wird durch Pumpen aufrecht erhalten, die mit Strom versorgt werden müssen. Bei Fukushima I sind die Notstromaggregate mit dem eintreffenden Tsunami abgesoffen und Batterien sind eingesprungen.

Soweit alles eigentlich noch kein Problem. Die tauchten erst auf, als die vorhandenen Notstromaggregate nicht wieder ansprangen und später gelieferte Ersatzgeräte kein passendes Anschlusskabel hatten. Infolge dessen liefen die Batterien leer und der Kühlkreislauf wurde schließlich unterbrochen.
Auch die Ventile, die den Druck im Reaktorkern und Sicherheitsgebäude regeln, benötigen Strom, so dass ich vermute, dass hier auch nur noch abgewartet werden kann.

Die Kernschmelze

Steigt der Druck im Reaktor zu stark an, kann es zu Explosionen kommen. Eine davon hat man heute morgen sehen können, die betraf aber vermutlich nur das äußere Gebäude aufgrund eines Pumpsystems. Der Druckbehälter um den Reaktorkern, ein kräftiges Stahlgehäuse, ist vermutlich noch intakt, wenngleich es auch hier widersprüchliche Meldungen gibt.

Durch die ausgesetzte Kühlung heizt sich der Kern weiter auf und irgendwann schmelzen Tragestrukturen und Brennstoff — die Kernschmelze tritt ein. Nach ARD-Informationen ist dies bereits eingetroffen, die Regierung dementiert das aber. Gleichwohl räumt sie ein, dass die Schmelze wahrscheinlich ist.

Die nächsten Stunden sind entscheidend. Hat die Explosion große Mengen radioaktives Material freigesetzt? So wie es momentan aussieht nicht, auch der Druckbehälter, der den radioaktiven Kern enthält, scheint bislang stabil zu sein.
Was passiert, wenn es zur Kernschmelze kommt? Im günstigsten Fall bleibt sie im Druckbehälter. Das ist allerdings nicht sichergestellt. Wenn die Kühlkette langfristig unterbrochen bleibt, kann sie sich nach unten durchbrennen und Boden und Grundwasser verseuchen. Das ist zwar äußerst scheiße, aber lokal relativ begrenzt und somit relativ gut handhabbar.
Der schlimmere Fall ist eine weitere Explosion, die durch Überdruck oder sich entzündeten Wasserstoff hervorgerufen werden könnte. Diese Explosion kann dann nämlich große Mengen radioaktives Material in die Atmosphäre hinaus streuen, dass dann mit dem Wind fortgetragen wird und irgendwo großflächig verteilt als radioaktiver Fallout wieder runterkommt.

So wie Tschernobyl?

Die Ursachen sind sicherlich andere, auch der Ablauf der Katastrophe ist nur schwer vergleichbar. So kam es in Tschernobyl infolge von Ignorieren von Sicherheitsvorschriften und Bedienfehlern zu einer direkten Kernschmelze, ohne dass die Kettenreaktion gestoppt werden konnte. Der entstandene Klumpen hat also fröhlich weiter massiv Hitze produziert und die resultierende Explosion war enorm.

In Fukushima ist eine Kernschmelze zwar auch wahrscheinlich, allerdings nur durch Nachzerfallswärme. Dabei hat man mehr Vorlaufzeit und kann besser mit Notfallmaßnahmen reagieren: Gerade plant man, Meerwasser mit Bor zur Kühlung des Reaktors zu verwenden. Dass es zu einer Explosion mit Freisetzung von radioaktiven Material in die Atmosphäre kommt ist keine unbedingte Folge des Unfalls. Brennt sich die Kernschmelze nur nach unten durch, ist das Ausmaß längst nicht so katastrophal wie in Tschernobyl.
Sollte es doch zur Explosion kommen, ist die geografische Lage günstiger. Das Kraftwerk liegt am Pazifik und hat nach aktueller Windrichtung kaum betroffene Landfläche², sodass der Fallout nur wenig besiedelte Gebiete treffen würde.

Ich vermute also, dass die Schadwirkung in Japan nicht Tschernobyl erreichen wird. Ausgeschlossen ist es aber nicht – und toll schon gar nicht. Weil die direkte Umgebung so oder so Folgen davontragen wird. Tragisches Detail am Rande: Fukushima I sollte in einem Monat nach 40 Jahren Betriebsdauer abgeschaltet werden.

Weitere Informationen

- Technische Hintergründe, wie so ein Kraftwerk wie in Fukushima überhaupt funktioniert und was da so im Detail bei einem Unfall passiert, haben wir in einem anderen Artikel zusammengefasst: Dampf im Kessel: Druck- und Siedewasserreaktoren.
- Jörg sammelt bei sich im Blog interessante und qualitativ gute Links, die einem helfen, sich ein eigenes Bild abseits von Panikmache zu erstellen.
- Die Live-Berichterstattung von Al-Jazeera ist wieder sehr gut, auch der japanische Sender NHK World liefert zügig Informationen.

Nachtrag (Sonntag, 13. März)
24 Stunden sind ins Land gegangen, seitdem dieser Artikel geschrieben wurde. Viel ist passiert. Aber eines ist gleich geblieben: die verwirrende Nachrichtenlage aus Japan heraus. Aktuelle Informationen entnehmt ihr am besten den Tickern, die überall im Netz zu finden sind. Spiegel Online, Al Jazeera – oder in den Spezialsendungen im TV. Ein besonderer Hinweis weiterhin auf Jörgs Sammelposting, wo er immernoch gute Links zusammenführt.

Wir wollen hier ein paar Fragen besprechen, die in den Kommentaren auftauchten und auch ein kurzes Update zur Lage geben.

• Notstromaggregate und Energieversorgung: Warum fliegt das Militär nicht einfach mit ein paar Hubschraubern Notstromaggregate ein, schließt sie zur Wiederherstellung der Energieversorgung der Kühlkreisläufe an und verhindert so eine (weitere) Kernschmelze? Wir haben keine Ahnung! Wir können nur Mutmaßen: So einfach wie es klingt, ist das nicht. Man braucht viele Aggregate. Man setzt eine funktionierende Strominfrastruktur vor Ort (nach der Explosion!) voraus. Funktionieren die Kühlpumpen überhaupt noch?³ Wie nah kann man sich an den Reaktor heranwagen? Alles Fragen, für die wir hier keine Erklärungen haben.
• Meerwasser zur Kühlung: Die japanische Regierung setzt momentan Meerwasser zur Kühlung des Reaktordruckbehälters ein. Das korrodiert die Kühlungsrohre, ist aber für den Moment egal. Ob die Kraftwerke allerdings später wieder aufgebaut werden, ist daher fraglich. Insgesamt scheint diese Aktion nicht im Notfallplan vorgesehen, sondern improvisiert zu sein.
• Kernschmelze oder Nichtkernschmelze: Auch hier ändert die Regierung häufig ihre Aussage. Gerade ist der aktuelle Stand, dass man vermutet, es habe keine Kernschmelze gegeben. Wichtig: Sollte es trotzdem zu einer Kernschmelze gekommen sein, muss nicht unbedingt der gesamte Kern geschmolzen sein (auch eine Teilschmelze ist möglich) — darüber hinaus muss die Schmelze nicht zwangsweise aus dem stählernen Druckbehälter ausgetreten sein. Letzterer scheint noch intakt, bei der Explosion von Samstag ist vermutlich nur das umgebende Betongebäude zerstört worden.
  Eine hervorragende Animation dazu findet sich auf der Webseite der New York Times.
• Radioaktivität in der Umgebung: Man liest davon, dass Caesium-137 und Iod-131 in der Nähe der Reaktoren gemessen wurde. Eine wahrscheinliche Erklärung des Ursprungs dieser Spaltprodukte ist der Druckablass am Samstag um eine Explosion des Reaktorkerns zu vermeiden. Dabei wird Dampf abgelassen, der beim Siedewasserreaktor im direkten Kontakt mit den Brennstäben stand und so eine geringe Kontamination aufweist. Die Strahlenbelastung ist höher als die natürliche, aber noch nicht besorgniserregend für die Umgebung. Insbesondere ist sie wesentlich geringer, als wenn der Kern selber in die Gegend verteilt worden wäre.
• Zweiter Reaktorblock: Mittlerweile ist neben dem Reaktorblock 1 in Fukushima auch Reaktorblock 3 in einer kritischen Situation. Hier deutet sich momentan eine Wiederholung des gestrige Verlaufs beim Schwesterblock an.

Wir hoffen, dass die Maßnahmen der Japaner Erfolg haben und sich die Lage bald zum Positiven aufklärt.

Nachtrag (2), Sonntag, 13. März, 22:32 Uhr: Susi hat unten in einem Kommentar gut erklärt, woher der Wasserstoff für die Knallgasexplosion am Samstag morgen kam.

Nachtrag (3), Montag, 14. März, 13:22 Uhr: In den Kommentaren wurde bereits mehrfach die Frage gestellt, wie lange denn so ein abgeschalteter Reaktorkern noch gekühlt werden muss.
Zwar ist die Kettenreaktion gestoppt, aber andere Kernreaktionen finden weiter statt und produzieren Wärme. Ein genauer Zahlenwert ist dabei nicht gut zu machen, weil zu viele Faktoren reinspielen, die wir momentan einfach nicht kennen. Aktiv gekühlt (also z.B. mit Wasser) werden muss der Kern sicherlich die nächsten ein-zwei Jahre, danach muss weiterhin mit passiver Kühlung gearbeitet werden.
Als Vergleich: wenn ein Brennstab in einem AKW ausgebrannt, also zu schwach zur effektiven Stromproduktion ist, muss er noch 2-3 Jahre in einem Wasserbecken im AKW gelagert und gekühlt werden, obwohl die Kettenreaktion der Kernspaltung in diesem Moment gestoppt ist. Anschließend wird der Brennstoff in CASTOR-Behälter geschafft, die mit Kühllamellen für eine passive Kühlung sorgen. Auch darin ist’s dann noch 400-500°C heiß.

Nachtrag (4), Dienstag, 15. März, 14:26 Uhr: Heute Abend um 21 Uhr wird es im WDR eine Quarks-&-Co.-Sendung zu den Vorgängen in Fukushima geben. Ranga Yogeshwar ist normalerweise dafür bekannt, seriöse und gute Beiträge zu geben, daher ganz klare Empfehlung von unserer Seite aus.

Nachtrag (5), Mittwoch, 16. März, 15:00 Uhr: Wir haben einen Beitrag zum Thema Nachzerfallswärme geschrieben.

1. Zu meinem Hintergrund: ich habe im Rahmen des Studiums das Nebenfach Reaktortechnik belegt.
2. Hier war vorher dieses Bild verlinkt, das aber anscheinend nicht so verlässlich ist. Danke David.
3. Die Explosion soll durch das Kühlsystem ausgelöst worden sein, nicht ausgeschlossen, dass es einfach am Arsch ist.

dolescum

Ein Kohlekraftwerk und eine Wiese. Welten, die aufeinander prallen.

Nachtrag: Dieser Artikel wurde am 17. März aktualisiert. Es finden ein paar nachgefragte Informationen Erwähnung, es wurden Aktualisierungen an die Situation eingebaut.
Kinder, da ist ganz schön was los in Japan. Aus aktuellem Anlass, aber auch weil wir es prinzipell ganz Interessant finden, ein paar Informationen zu Druck- und Siedewasserreaktoren und deren Kühlsystem. Zu unserem Hintergrund: wir haben im Zuge unseres Physikstudiums Reaktortechnik als Nebenfach gewählt.

Atomkraftwerk. Das ist das graue Dingen hinten auf der Kuhwiese, wo die dreiäugigen Fische produziert werden und günstige Energie rauskommt. Und je nach dem, wen man fragt, sind die Dinger super oder super bescheuert. So wie Karneval oder Oliven.
Nach dem Erdbeben in Japan haben die Kraftwerksanlagen von Fukushima arge Probleme mit der Kühlung bekommen und man spricht mit schnell ändernden Wissensgehalt in Bezug auf Fukushima I von eingetretener Kernschmelze und Super-GAU, dem Super-»größten anzunehmenden Unfall«. Das Super deutet an, dass es bei dem Unfall unkontrollierbar wird und die Umgebung in Mitleidenschaft gezogen wird. In der Debatte darum, was da eigentlich passiert, ist ziemlich viel Kuddelmuddel mit technischen Details involviert. Kurze Erklärungen gibt es zwar mittlerweile, wer aber mehr Hintergrundwissen haben möchte, muss sich direkt an Fachliteratur etc. wenden.

Es folgt ein Versuch, diesen Misstand auszugleichen.

Kettenreaktion im Kernkraftwerk

Fangen wir ganz vorne an. Die Energie in einem Kernkraftwerk kommt aus der radioaktiven Umwandlung des verwendeten Brennstoffs. Radioaktiv bedeutet, dass da was strahlt — auch wenn es nicht grün-leuchtend ist. Die Strahlung trägt Energie huckepack, die sie wieder ablädt, wenn sie auf etwas trifft¹. Im Allgemeinen wird es dann warm, so wie die Bremsen am Auto heiß werden, wenn ihr mal wieder für ein kleines süßes Kätzchen bremst.

Reaktorkern eines Kraftwerks. Von Vattenfall auf flickr.

Im Kernkraftwerk nutzt man bei radioaktiven Zerfällen den Turbo-Modus und schafft Rahmenbedingungen, sodass eine Kettenreaktion entsteht. Die läuft so ab: Atomkern A zerfällt in zwei kleinere Kerne sowie ein paar Neutronen. Die Neutronen gehen auf die Reise und finden irgendwann einen weiteren Atomkern A, den sie wiederum zum Spalten anregen. Die dabei freiwerdende Energie heizt das Kühlmittel auf, das dann (eventuell über Zwischenschritte) eine Turbine antreibt und elektrische Energie erzeugt.

Jetzt ist es aber so, dass die Neutronen, die Kern A bei der Spaltung abgibt, nicht dafür geeignet sind, einen weiteren Kern zu spalten. Sie sind zu schnell und rauschen einfach an potentiellen Spaltkernen vorbei. Wusch! Wie ein übereifriger Redner in einer Talkshow muss ein Moderator eingreifen, damit die Show weiterlaufen kann. Im Kernkraftwerk sorgt ein Moderator dafür, dass die Neutronen so langsam werden, dass sie einen weiteren Kern spalten können.

Kurze Zusammenfassung: Damit die Kettenreaktion läuft brauchen wir einen Moderator, damit wir die Energie nutzen können (und es nicht zu heiß wird) brauchen wir einen Kühlkreislauf.

Prinzip bei Druck- und Siedewasserreaktoren

Wie ein Kernkraftwerk im Detail realisiert wird, hängt erstmal vom verwendeten Konzept ab. Häufig verbreitet sind Druck- und Siedewasserreaktoren (DWR bzw. SWR)², die auch die Funktionsweise aller in Deutschland und Japan betriebenen Kraftwerke darstellen. Die kritischen Reaktoren in Fukushima sind übrigens Siedewasserreaktoren.

Schema eine SWRs. Aus der Wikipedia.

Sowohl SWR, wie auch DWR, benutzen Wasser für den Kühlkreislauf, das dabei verdampft und eine Turbine antreibt. Beim SWR kommt nur ein interner Kühlkreislauf zu tragen, bei dem das Wasser an den Brennelementen vorbeigepumpt wird und direkt dort verdampft — siehe Abbildung rechts. Der Wasserdampf wird zu einer Turbine geleitet, und anschließend mit einem externen Kühlkreislauf zum Kondensieren gebracht. Beim DWR ist ein Kreislauf zwischengeschaltet, so dass das Wasser aus dem Reaktor wegen höherem Druck nicht verdampft und somit keine Turbine antreibt. Erst der zweite Kreislauf wird zum Verdampfen gebracht und erzeugt die Energie.

Schema eines DWRs. Hier bereits erkennbar: Der zusätzliche Wasserkreislauf. Bild aus der Wikipedia.

Das Wasser hat neben der erfrischenden und kühlenden Wirkung auf den Kern auch noch eine andere nette Eigenschaft: es kann Neutronen gut abbremsen und stellt somit gleichzeitig den Moderator des Reaktors dar. Wie intensiv das Wasser moderieren soll wird zum einen über den Aufbau bestimmt (Abstand der Brennstäbe zueinander) und zum anderen über Zusätze wie Borsäure. Bor ist ein Neutronengift und nimmt sehr gerne Neutronen aus der Umgebung auf *schlürp*. Man kann es sich wie die Katzenhaarrolle für die Kleidung vorstellen: die Haare bleiben dran kleben und man fühlt sich wieder gut.

Und jetzt kommt das Superfeature, das Steve Jobs erst im siebten Update einführen würde: Wird der Reaktor im Regelbetrieb zu heiß, weil wasauchimmer, entstehen mehr Bläschen mit Wasserdampf, die natürlich eine geringere Dichte als flüssiges Wasser haben. Geringere Dichte bedeutet aber auch weniger Moleküle, die die Neutronen moderieren können und somit zuviele schnelle Neutronen. Die Folge ist, dass die Kettenreaktion nicht mehr so gut läuft, die Reaktivität sinkt und der Brennstroff abkült.

Wieder in Kürze: Druck- und Siedewasserreaktoren laufen mit Wasser. Das kühlt und moderiert gleichzeitig und vor allem reguliert (in Maßen) automatisch die Intensität der Kernreaktionen. Voll supi. Eigentlich.

Notfalleinrichtungen bei Störungen

Aber natürlich ist nicht alles immer easy-peasy, ein Kraftwerk muss auch das ein oder andere Ereignis überstehen, ohne Gefahren für die Umwelt darzustellen. Dass sich die Intensität der Kernreaktionen in gewissem Maße selber regelt ist dabei schonmal ein guter Anfang. Hilft aber im Zweifelsfall nichts, denn es ist genug Brennmaterial vorhanden, um auch mit wenig Moderator noch genug rumzustänkern.

Stabfahrvorrichtung des Baseler Forschungsreaktors. Bild von flickr.

Kommt es zu einer Notabschaltung, werden auf verschiedene Weisen massiv Neutronengifte in den Reaktorkern gebracht. Borsäure wird dem Kühlwasser in großen Mengen beigefügt und Regelstäbe werden in den Kern eingebracht. Hä? Regelstäbe? Regelstäbe bestehen aus Neutronengiften wie Bor oder Cadmium und befinden sich in Führungen zwischen den Brennstäben und normalerweise außerhalb des Reaktorkerns oder sind zur Regelung der Reaktivität nur teilweise eingefahren.
Bei Druckwasserreaktoren werden sie üblichweise oberhalb des Kerns mit elektronischen Klammern gehalten, die beim Ausfallen des Stroms die Regelstäbe sofort herunterfallen lassen. Bei Siedewasserreaktor klappt das Konstruktionsbedingt nicht so gut (der Dampf, der nach oben weggeht), so dass die Stäbe hier von unten elektrisch eingefahren werden.

Ist der Reaktor abgeschaltet heißt das aber erstmal nur, dass die Kettenreaktion unterbrochen wurde. Da die Zerfallsprodukte in den Brennstäben aber auch ohne Kettenreaktion noch radioaktive Strahlung und somit Wärme absondern, kann man nicht einfach ein Täßchen Kaffee trinken gehen. Die Kühlung muss weiter sichergestellt werden, sonst wirds dem Reaktor was warm.
Weil das Wasser mit Pumpen in den Kern befördert wird, braucht man dafür Strom. Für die Primärkreis-Pumpen pro Stück alleine etwa 7 MW³! Sollte der ausfallen, weil (wie jetzt gerade in Japan) nicht nur das eigene Kernkraftwerk sondern auch alle Kraftwerke in der Umgebung abgeschaltet wurden, muss der Strom woanders herkommen.
Die erste Stufe sind Notstromaggregate. So wie ein Krankenhaus sich im Zweifelsfall auch selber mit dem Nötigsten an Strom versorgen kann, sollen die Geräte den Kühlkreislauf sicherstellen. In Fukushima sind diese erst korrekterweise angesprungen, mit Eintreffen des Tsunamis aber abgesoffen⁴.
Dann tritt Stufe zwei der Notstromversorgung in Kraft: Batterien. Aber wie euer iPhone auch irgendwann wieder an die Steckdose will, so wollen auch die Batterien der Pumpen irgendwann nicht mehr. Und dann wirds heikel.

Zusammengefasst: Reaktoren haben durchaus ausgeklügelte Notfalleinrichtungen, insbesondere für die Schnellabschaltung. Auf lange Sicht wird aber Strom benötigt.

Aussetzen des Kühlkreislaufs und die Kernschmelze

Setzt der Kühlkreislauf aus, wirds warm. Soweit recht einfach.
Die Kettenreaktion ist gestoppt, es kommt also nicht knüppel-dicke mit der Wärme. Trotzdem sind in den ersten Tagen noch bis zu 5% der Norm-Leistung vorhanden⁵ und die Temperatur steigt kontinuierlich und bringt immer mehr Wasser zum Verdampfen. Dadurch steigt der Druck im Reaktorkern, der kontrolliert abgelassen werden kann, um ein Platzen zu vermeiden. Das Problem dabei: da steht keiner und dreht an einem Rädchen, das geht über elektrisch gesteuerte Ventile. Und die brauchen ebenso Strom. Aber nehmen wir mal an, wir haben noch ein bisschen Rest in der Leitung und können nachregulieren. Um ein Austreten in die Umwelt zu vermeiden, ist der Reaktorkern und beim DWR der erste Kühlkreislauf in einem überdruckresistenten Sicherheitsgebäude eingeschlossen (das sog. Containment, siehe die Abbildung des DWR weiter oben). Aber auch so ein Sicherheitsgebäude hat seine Grenzen, so dass auch hier irgendwann kontrolliert abgelassen werden muss.

Wird hoffentlich nicht benötigt werden: Ein Sicherheitsraum. Bild von holycalamity auf flickr.

Das ist schon ziemlich blöd, aber die Stoffe, die dort in die Umwelt kommen, sind nur relativ kurz radioaktiv schädlich (maßgeblich Stickstoff-16). Viel schlimmer ist der Kram, der noch im Reaktor ist. Und der hört mit seiner Nachzerfallswärme ja nicht auf, nur weil wir Druck ablassen.
Durch das verdampfende Wasser sinkt der Wasserstand, der zum Teil mit Ausgleichsbehältern wiederhergestellt werden kann. Mehrere redundante Systeme sollen dafür sorgen. Aber auch die sind irgendwann leer. Und benötigen ebenfalls Strom.

Kann man also innerhalb der ersten Stunden nach Kühlungsausfall diese nicht wieder in Gang setzen, ist es möglich, dass der Brennstoff so heiß wird, dass erst die Tragestrukturen aus Zirkaloy und schließlich auch der Brennstoff selber schmelzen⁶: die Kernschmelze. Spätestens jetzt darf man laut »FUCK!« rufen.
Sie ist nämlich aus zwei Gründen gefährlich: Erstens kann sie sich regelrecht durch Druckbehälter und Sicherheitsgebäude fressen und schließlich Boden und Grundwasser kontaminieren. Nicht gut.
Noch weniger gut ist zweitens: hat man es vor der Kernschmelze nicht geschafft, den Druck im Druckbehälter ausreichend zu senken, kann es durch die Abschwächung der Konstruktion zu einer Explosion kommen. Häufig entsteht vom Restkühlwasser Wasserstoff, dass durch eine Knallgasexplosion dem ganzen noch ein gutes Stück mehr Wumms gibt. Spätestens hier ist man beim Super-GAU angelangt: Radioaktives Material wird bei der gewaltigen Explosion in die Umwelt und insbesondere hoch in die Atmosphäre abgegeben. Man hat also nicht nur die nähere Umgebung verseucht sondern mit ein bisschen Pech beim Wind ganze Gegenden.

Das gilt es natürlich möglichst zu vermeiden. Glücklicherweise muss es selbst bei einer Kernschmelze nicht dazu kommen. Der Druckbehälter ist ziemlich stabil und ist selbst beim Unglück in Tschernobyl nicht vollständig geschmolzen. Schafft man also irgendwie eine äußere Kühlung her⁷, kann es ausreichen, die Schmelze im Behälter zu halten.
Leider (oder zum Glück!) sind Erfahungswerte auf dem Gebiet spärlich und Vorhersagen in solch extremen Bereichen schwierig. Daher kann man nicht darauf bauen, dass die Schmelze nicht austritt.

Dummerweise sind gerade ältere Kernkraftwerke nicht unbedingt super auf ein ‘Durchbrennen’ der Kernschmelze vorbereitet. Bei neueren Konzepten wie der Weiterentwicklung des Druckwasserreaktors, dem Europäischen Druckwasserreaktor (EPR), gibt es eine Auffangwanne, die eine eventuelle Kernschmelze zurückhalten soll. Daneben gibt es dann noch weitere, verfeinerte Sicherheitskonzepte, die ein Austreten von radioaktiven Stoffen vermeiden sollen.

Helfen tut einem das bei der aktuellen Situation in Japan natürlich nichts. Dort kam es nach dem Ausfall der Kühlsysteme zu drei Wasserstoffexplosionen, die die Reaktorgebäude beschädigt haben. Aber trotzdem mittlerweile vier Tage vergangen sind, ist eine genaue Beurteilung der Lage immer noch schwierig.
Mehr dazu z.B. bei Jörgs Linksammlung oder natürlich bei uns (auch die Kommentare lesen!).

1. Daher ist es auch so schädlich für uns: Ein Strahlungsquant trägt genug Energie, um die DNA in unseren Zellen zu verändern so dass unser Körper durcheinander kommt und irgendwann die weiße Fahne hißt.
2. Alternativ gibt es den letztens schon erwähnten Brutreaktor, den in Hamm-Uentrop gebauten aber nie benutzten Hochtemeraturreaktor oder ein RBMK-Reaktor, wie er häufig in Russland gebaut wurde.
3. Es gibt aber auch noch Notfallkreisläufe für die Nachzerfallswärme, die mit weniger auskommen.
4. Vermutlich, im Ergebnis waren sie jedenfalls aus. Und zufällig stand gerade ein Tsunami vor der Tür.
5. Konkrete Abschätzungen zur Nachzerfallswärme haben wir in einem extra Artikel behandelt.
6. Zirkaloy hat einen Schmelzpunkt etwa bei 2000°C, Uronoxid (UO₂) bei 2870°C
7. in Fukushima benutzt man hierzu Meerwasser von außen

Gestern (04.01.2011) fand eine partielle Sonnenfinsternis statt. Habt ihr nicht gesehen? Dann habt ihr entweder noch geschlafen, hattet Wolken am Himmel oder lebt z.B. in Australien¹.
Macht aber nichts, immerhin gibt es ja das Internet. So hat z.B. Thierry Legault ein faszinierendes Bild von der Sonnenfinsternis gemacht (rechts). Während der Mond einen Teil der Sonne bedeckt, huscht die Internationale Raumstation vorüber (oberer Fleck²). Das Bild entstand im Oman, hier in Aachen riß die Wolkendecke aber auch pünktlich auf, so dass man die knapp 70 % Abdeckung bei der Aachener Sternwarte gut sehen konnte.

Noch viele weitere tolle Bilder gibt es mal wieder bei The Big Picture zu sehen. Ohne kalte Finger und schlechtes Wetter.

Ein Ausschnitt der Bildergalerie von The Big Picture zur Sonnenfinsternis am 04.01.2011.

Nachtrag: Direkt kommen noch ein paar Links rein. Z.B. der kleine Video-Bericht vom WDR, der die Jagd nach dem freien Blick auf die Sonnenfinsternis beschreibt und just im blaubehimmelten Aachen endet. Oder die Flickr-Bildersammlung, die einem das Himmelsspektakel zum Greifen nah bringt (aus dem Twitter-Stream von @cosmos4u).

Mit der richtigen Technik wird die Sonnenfinsternis zum Greifen nah. (Bild: Jordi Masagué)

1. Die sah man nämlich nur in Europa, Nordafrika und Zentralasien. Ätschibätsch.
2. Der untere Fleck ist ein Sonnenfleck. Bei denen hilft leider auch heiß waschen nicht.

Um 20 Uhr (MEZ) war es dann soweit und die Pressekonferenz sollte das gemeine Volk aufklären. Schnell wurde mir klar, dass ich ein wenig voreilig gehandelt hatte und ich schob meine selbstbemalten Plakate “Nehmt mich mit!” schnell unter das Sofa.

“Wir kommen in Frieden. Und bringen Muffins.” (Bild: soapylove)

Es wurde nämlich keine außerirdische Lebensform irgendwo im Universum gefunden, das Fundstück befindet sich direkt unter uns, hier auf der Erde. Es handelt sich dabei um das Bakterium mit dem poetischen Namen GFAJ-1 aus dem stark arsenhaltigen Mono Lake in Kalifornien. Was ist an diesem Bakterium also so besonders, dass es seine eigene Pressekonferenz verdient?

Jede Lebensform auf diesem Planeten, die wir kennen, besteht aus vier Grundsubstanzen: Lipide, Enzyme, Nucleinsäuren und Liebe Kohlenhydrate. Zur Synthese dieser Molekülbasis benötigen die Lebewesen Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel. Jede bisher untersuchte Lebensform benötigt Quellen dieser Elemente um zu leben und kann keines dieser Elemente durch ein anderes Element ersetzen.
Im Science-Fiction-Genre jedoch nichts Neues ist der Gedanke, dass außerirdische Lebensformen auf gänzlich anderen Elementen aufbauen. So ist die auf Silicium statt Kohlenstoff basierende Lebensform schon seit Jahrzehnten der Renner. Silicium befindet sich im Periodensystem der Elemente in der 3. Periode in der selben Hauptgruppe wie Kohlenstoff, besitzt die selbe Anzahl an Valenzelektronen¹ und somit ähnliche chemische Eigenschaften. Jedoch hat Arsen in der Realität nun vor Silicium das Rennen gemacht. Arsen befindet sich in der 4. Periode und der 5. Hauptgruppe, eine Periode weiter als Phosphor. Phosphor und Arsen besitzen nicht nur die gleiche Anzahl an Valenzelektronen, sie haben beide auch beinahe den gleichen Radius. Die Ähnlichkeit von Arsen und Phosphor ist auch Grund für die Giftigkeit von Arsen: Der Organismus baut Arsen statt Phosphor in der Biosynthese neuer Makromoleküle ein und wichtige Stoffwechselfunktionen funktionieren nicht mehr.

NomNomNom. So mag ich mein Arsen. (Bild: Wikipedia)

GFAJ-1 wächst im Labor jedoch auf einem Medium,² dass keinerlei Phosphor, dafür aber jede Menge Arsen enthält. Bei molekularbiologischen Untersuchungen wurde entdeckt, dass das Arsen fest an die DNA gebunden ist. Es kann davon ausgegangen werden, dass GFAJ-1 Arsen statt Phosphor in seine DNA einbauen kann. Weiterhin wurden in den Bakterien geringe Mengen Phosphor entdeckt, die von Bakterien stammen sollen, mit denen das Phosphor-Mangelmedium beimpft wurde. Diese Mengen sind jedoch laut Felisa Wolfe-Simon³ viel zu gering um die alle Moleküle, die Phosphor benötigen, der Bakterien, die es sich auf dem Medium gutgehen ließen, aufzubauen. GFAJ-1 muss es also geschafft haben, Phosphor durch Arsen zu ersetzen, ohne dass der Stoffwechsel zerstört wird.
Wie GFAJ-1 es schafft, sich vor der Toxizität von Arsen zu schützen und dieses an Stelle von Phosphor problemlos einbauen zu können ist Thema weiterer Forschung.

Schön und gut, was hat das nun mit Außerirdischen zu tun?
Die NASA unterstützt die Suche nach außerirdischem Leben im All. Wir kennen jedoch nur die irdische Form von Leben und gehen in unserer Borniertheit davon aus, dass dies die einzige mögliche Art des Lebens ist, was sich u.A. in der essentiellen Rolle von Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel äußert. Klare Sache, das heißt also überall im Universum basiert das Leben auf diesen sechs Elementen. Dass wir mit unserer irdischen Sichtweise irren zeigt uns nun ein Erdling – das Leben kann auch anders funktionieren! Wenn es irgendwo dort draußen wirklich noch Leben gibt, dann wird es mit Sicherheit nicht so aussehen wie wir. Nicht auf molekularer und schon gar nicht auf morphologischer Ebene. Selbst der katzenvertilgende Alf ist noch zu menschlich. GFAJ-1 lehrt uns nun, dass wir nach viel mehr als H, C, N, O, P, S, zwei Augen, fünf Fingern und einem Hut Ausschau halten müssen, damit uns unsere Nachbarn nicht durch die Lappen gehen.

Aber was wäre Forschung ohne Kontroversen? Mein Artikel beruht auf der Annahme, dass im Labor von Felisa Wolfe-Simon sauber gearbeitet wurde und die Schlussfolgerungen den Ergebnissen angemessen sind. Da ich weder Molekular- noch Mikrobiologin bin, überlasse ich die Diskussionen über mögliche Fehler in der Arbeitsweise und falsche Schlussfolgerungen anderen, die sich besser damit auskennen⁴ . Als Freundin der Science-Fiction wäre eine solche Entdeckung eine feine Sache für mich, klärte mich doch Erich von Däniken früh darüber auf, dass Außerirdische statt aus Kohlenstoffverbindungen auch aus Siliciummakromolekülen bestehen könnten.

Mehr findet ihr hier:
→ Pressekonferenz der NASA vom 03.12.10
→ GFAJ-1

1. Elektronen auf der Außenschale des Atoms. Die Anzahl der Valenzelektronen ist bei Hauptgruppenelementen entscheidend für die chemischen Eigenschaften.
2. Nicht diese transzendenten Bewustseinsspinner sondern das biologische Nährmedium.
3. Felisa Wolfe-Simon, Ph.D. ist die Leiterin der Arbeitsgruppe, die diese Entdeckung gemacht hat – mehr über sie hier.
4. So wird z.B. hier das Testdesign kritisiert und auseinandergenommen: Rrressearch

Fate has ordained that the men wo went to the moon to explore in peace will stay on the moon to rest in peace.
These brave men, Neil Armstrong and Ewin Aldrin, know that there is no hope for their recovery. But they also know that there is hope for mankind in their sacrifice.
These two men are laying down their lives in mankind’s most noble goal: the search for truth and understanding.

Zum Glück mussten wir diese Rede nie hören¹. Denn so hätte es aus Richard Nixons Mund geklungen, wäre bei der ersten Mondlandung etwas schief gelaufen und die beiden »First Step«ler auf unserem Trabanten zurückgelassen worden.

Den ganzen Text gibt’s auf den »American Originals«-Seiten des National Archives oder nach dem Klick.

via Letters Of Note, via Nicolas Semaks Twitter

1. Ich sowieso nicht, vielmehr die Leute, die damals wie gebannt vor ihren Radios hockten.

Für den gemeinen Blogleser mag das alles andere als ein humoristisches Feuerwerk sein. Aber auf Fachbuchniveau ist das durchaus was wert.

Kennt ihr mehr solcher satzgewordenen Spaßkanonen in sonst seriöser Literatur? Was ist euer Liebling?
Ab in die Kommentare!

Noch viel toller ist, dass gestern der Physik-Nobelpreis bekannt gegeben wurde. Andre Geim und Konstantin Novoselov (gerade mal 36!) bekommen ihn für die Entdeckung von faszinierenden Eigenschaften bei Graphit. Mit Hilfe von Klebeband und etwas Graphit (wie z.B. aus einem Bleistift) haben sie es hinbekommen, Graphit mit einer Dicke von exakt einer Atomlage herzustellen. Weil diese ganz besondere elektrische Eigenschaften aufzeigt, unterscheidet man sie von Graphit und nennt sie »Graphen«.¹
Die Idee dahinter ist, damit noch kleinere Transistoren und somit noch filigranere elektrische Schaltungen hinzubekommen. Miniaturisierung to the max!

Aber viel besser erklärt wird das ganze eh von den Physikern der Uni Nottingham, die für Sixty Symbols in die Kamera erklärt haben.

DirektGraphen

Da sagt das physikBlog: Ihr habt es verdient, Jungs! Glückwunsch!

→ Wikipedia zu Graphen

(via phyikBlog-Facebook-Seite und Florian)

1. nicht die mathematischen Graphen — gesprochen wie Grafen — sondern Graphen — gesprochen wie Gra-Feen

Eine kurze Podcast-Empfehlung meinerseits zur aktuellen Folge “This American Life”: FAMILY PHYSICS.

Hier werden jede Woche drei unglaublich gut gemachte Geschichten aus dem Amerikanischen Alltag erzählt.
Die Besonderheit dieser Folge: die zwischenmenschlichen Beziehungen zwischen den Charakteren werden mit Hilfe von physikalischen Gesetzmässigkeiten erklärt.

Moderator Ian Glass:
“I have to say that physicists hate it, hate it when non scientists do this. When we non scientists take scientific laws and principles intended for a very different purpose and context and apply them for our selfs and our pity little relationships with each other.” – super!

Podcast (iTunes) und Radio-Stream

Falls es jemand unserer Leser trotz des enormen Medienechos nicht mitbekommen hat: Es gibt im Sea-Life-Center in Oberhausen einen Oktopus (Octopus vulgaris) mit Namen Paul, der für die Deutschlandspiele der letzten beiden großen Fußballtuniere (EM 2008 und WM 2010) Vorhersagen über den Spielausgang gemacht hat. Dafür bekommt Paul zwei simple Kästchen mit schmackhaften Muscheln vorgesetzt, deren Rückwände mit den Landesflaggen der Kontrahenten beklebt sind. Welche Box er zuerst wählt, diese Mannschaft soll gewinnen.

Beflaggte Knabberkisten für Paul.
(Bild: Wikipedia)

Soviel der Einleitung. Das Interessante an der Sache ist, dass der Kraken alle sieben Spiele bei dieser WM mit deutscher Beteiligung sowie das Finale korrekt vorhergesagt hat. Geht man davon aus, dass die Entscheidung rein zufällig getroffen wurde, ist die Wahrscheinlichkeit dafür 1/2⁸ = 1/256. Zwar längst nicht unmöglich, aber doch schon recht unwahrscheinlich.
Vermutlich ist es aber eher so, dass die Entscheidungen des Kraken durch verschiedene Rahmenbedingungen vorbestimmt wurden.

Pauls bevorzugte Flaggen (links).

Eine Theorie ist,¹ dass Kraken auf Rot ansprechen, weil diese Farbe bei der Fortpflanzung eine besondere Rolle spielt. Das erklärt zwar die grundlegende Tendenz die deutsche Flagge zu präferieren und z.B. beim Halbfinalspiel dem erhöhten Rotanteil der spanischen Flagge den Vorzug zu geben. Es gibt aber einen entscheidenden Haken: gerade der gewöhnliche Kraken kann keine Farben sehen.

Die Einflüsse von Helligkeit und Formen hingegen dürften sich tatsächlich auf das Ergebnis der Wahl ausgeübt haben. So tendieren Kraken zu hellen Bereichen und bevorzugen horizontale Linien. Betrachtet man unter diesen Gesichtspunkten die verschiedenen Flaggen und gibt den horizontalen Linien ein stärkeres Gewicht als der Helligkeit, so ist die deutsche Flagge geradezu prädestiniert.
Und dass der Kraken dann die serbische und spanische Flagge der deutschen vorzieht kann sehr gut durch die höhere Helligkeit erklärt werden.

Gegen diese Theorie spricht aber z.B. die sehr helle argentinische Flagge, die nicht gegen die deutsche “gewonnen” hat. Am Ende ist es wahrscheinlich eine Mischung aus der Wahrnehmung der Flagge und gewissen Unterschieden im Futter, die den Kraken zu dem linken oder rechten Töpfchen wandern lassen.

Genauere wissenschaftliche Untersuchungen dazu stehen also noch aus. Wenn jemand für das physikBlog einen Kraken² spenden will: wir würden uns — selbstlos wie wir sind — darum kümmern.

→ Paul der Kraken (eng)

PS: Glückwunsch Spanien!

1. die mir gestern beim Bierchen von einer Biologin erzählt wurde…
2. und natürlich Aquarium, Inneneinrichtung sowie Futter und einen Pinguin

Flopp! Plopp! Zsssschhhh!

Die Lava blubbert und zischt vor sich hin. Während halb Europa sich darüber aufregt, dass Flugverbot herrscht und die guten Blumen nicht aus Afrika eingeflogen werden können, freut sich die andere Hälfte über ein außergewöhnliches Naturschausspiel.

Flump! Blobb!

Über dem Vulkan entsteht eine riesige Wolke aus Asche. Die Hitze sorgt für starke Aufwinde und Turbulenzen, Aschekörner werden aneinander gestoßen, elektrische Ladungen tauschen die Plätze wie Kinder bei der Reise nach Jerusalem.
Irgendwo in der Welt niest ein Panda.

Gewitter in der Aschewolke (Bild von orvaratli)

Brrzzz! Bäämmm! Grrrrrmmmmbbblllldddrrrrr!

Ein Gewitter holt uns zurück zum Vulkan. Was zunächst wie ein komischer Zufall wirkt ist in Wirklichkeit absolut normal: Bei Vulkanausbrüchen ist fast immer mit Gewittern in der Aschewolke zu rechnen. Eine Ausführliche Erklärung warum haben wir vor einiger Zeit hier gegeben.
(→ Wie funktioniert eigentlich so ein Blitz?)

Und weil wir vom physikBlog nicht nur auf schöne Raketenstartbilder anspringen, sondern auch auf faszinierende Fotos von Vulkanausbrüchen, gibt es hier ein paar Links zu schönen Bildern:

→ Flickr-Galerie: »Eyjafjallajökull« von lebeaupinagnes

→ Flickr-Galerie: »Eyjafjallajökull Volcano« von elbelbelb2000

→ The Big Picture: »More from Eyjafjallajokull«

REUTERS / Lucas Jackson

→ Telegraph: »Iceland volcano«

BARCROFT MEDIA / Marco Fulle

→ The Big Picture: »Iceland’s disruptive volcano«

AFP / Getty Images

Wenn ihr selber noch schöne Bildergalerien kennt: Link ab in die Kommentare, wir vervollständigen dann hier.