Brookhaven National Laboratory

Überblick und Bedeutung

Das Brookhaven National Laboratory (BNL) ist ein nationales Forschungszentrum auf Long Island im US-Bundesstaat New York. Es wurde 1947 auf dem Gelände der ehemaligen Militärbasis Camp Upton errichtet und wird heute vom US Department of Energy betrieben und fast vollständig finanziert. Das BNL beschäftigt etwa 3000 festangestellte Mitarbeiter; jährlich kommen etwa 4500 Gastwissenschaftler beziehungsweise Nutzer der Großforschungseinrichtungen hinzu.

Das Forschungsprogramm ist seit der Gründung stark auf Betrieb und Nutzung von Großforschungseinrichtungen ausgerichtet. Heute sind besonders der Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) für Schwerionen- und Elementarteilchenphysik sowie die National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) als Quelle intensiver Synchrotronstrahlung wichtig. Das Forschungsportfolio reicht von Grundlagenforschung in Physik, Chemie und Biowissenschaften bis zu angewandten Fragen der Energie- und Umweltforschung.

Mit dem BNL verbundene Entdeckungen führten insgesamt zu sieben Nobelpreisen. Dazu gehören die Entdeckung des J/ψ-Mesons, des Myon-Neutrinos und kosmischer Neutrinos sowie die Aufklärung der Struktur und Funktion des Ribosoms.

Lage und Entstehung

Das BNL liegt im Osten von Long Island, etwa 100 Kilometer Luftlinie vom Zentrum New York Citys entfernt. Das Gelände umfasst 21,3 Quadratkilometer und ist von den westlichen Ausläufern der Long Island Central Pine Barrens umgeben, einem etwa 425 Quadratkilometer großen Waldgebiet. Die nächstgelegenen Städte sind Patchogue, rund 18 Kilometer südwestlich, und Riverhead, etwa 19 Kilometer östlich. Das Labor ist über die New York and Atlantic Railway an das Schienennetz angeschlossen.

Die Initiative für ein Nationallabor im Nordosten der USA ging von Isidor Isaac Rabi und Norman Ramsey aus. Neun Universitäten gründeten im März 1946 die Initiatory University Group (IUG), die die Planung eines neuen Labors übernahm. General Leslie Groves sagte im März 1946 die Finanzierung zu. Am 1. Januar 1947 wurde das BNL als Nationallabor unter die Aufsicht der neu geschaffenen Atomic Energy Commission (AEC) gestellt. Die AEC war die Vorgängerin des heutigen Energieministeriums; das Konsortium der Universitäten wurde 1947 als Associated Universities Incorporated (AUI) registriert.

Von 17 Standortvorschlägen erfüllte Camp Upton auf Long Island die wichtigsten Kriterien: gute Erreichbarkeit, ausreichend Platz für Großforschungseinrichtungen und eine geringe Besiedlungsdichte für den Fall eines Reaktorunfalls. Das 1917 fertiggestellte Militärgelände war nach dem Ersten Weltkrieg stillgelegt, im Zweiten Weltkrieg jedoch unter anderem als Krankenhaus und Kriegsgefangenenlager genutzt worden. Am 21. März 1947 wurde es vom US-Kriegsministerium an die AEC übertragen.

Anfangsprogramm und Organisation

Anfangs lag der Schwerpunkt des BNL auf der Kernforschung. Wegen ihrer militärischen Bedeutung erschwerten Sicherheitsüberprüfungen zunächst die Einstellung von Wissenschaftlern. Außerdem verlangte die AEC Geheimhaltung bestimmter Forschungsergebnisse. Ein Kompromiss sah vor, dass Forschungsergebnisse grundsätzlich öffentlich zugänglich waren; einige Erkenntnisse aus der Kernphysik mussten jedoch vor der Veröffentlichung von der AEC freigegeben werden. Personen ohne Sicherheitszertifikat durften alle Gebäude außer dem Reaktor und der Bibliothek mit geheimen Dokumenten betreten.

Nach dem vollständigen Ausbau im Jahr 1948 bestanden sechs Departments: Physik, Chemie, Biologie, Medizin, Ingenieurwissenschaften und Instrumentierung. Ingenieurwissenschaften und Instrumentierung befassten sich überwiegend mit Aufbau und Betrieb von Reaktoren und Beschleunigern. Die übrigen Abteilungen arbeiteten vor allem in Kernphysik, Kernchemie und Strahlenchemie. Die biomedizinische Forschung erhielt zunächst wenige Ressourcen; durch neue Projekte zur Anwendung von Radionukliden wurde sie später erweitert. Mitte 1948 hatte das Labor bereits 1500 Angestellte.

Das BNL ist eines von zehn großen US-Laboratorien und wird vom Department of Energy beaufsichtigt. Das Budget betrug 2017 etwa 582 Millionen US-Dollar, entsprechend circa 521 Millionen Euro. Geleitet wird das Labor von einem Direktor und zwei Vizedirektoren für Forschung und Verwaltung. Es ist in acht Direktorate gegliedert, die von Associate Laboratory Directors geleitet werden; darunter folgen Departments, Divisions und Forschungsgruppen. Zu den organisatorischen Bereichen gehören unter anderem Kern- und Teilchenphysik, Energie- und Photonenforschung, Umwelt-, Biologie- und Nuklearforschung, Rechenwissenschaft, Betrieb, Sicherheit und Personalverwaltung.

Historische Großforschungseinrichtungen

Die ersten wichtigen Anlagen waren Forschungsreaktoren. Der Brookhaven Graphite Research Reactor (BGRR) war der erste nach dem Zweiten Weltkrieg in den USA in Betrieb genommene Forschungsreaktor und die erste Großforschungseinrichtung des BNL. Er besaß 11 ft (circa 3,94 m) lange Natururan-Brennelemente in einem Graphitwürfel mit 25 ft (circa 7,6 m) Kantenlänge. Die Luftkühlung erfolgte durch Kanäle im Graphit. Die maximale Leistung betrug 32 MW, im Normalbetrieb 20 MW. Insgesamt 61 Strahllöcher lieferten Neutronen für Experimente. Baubeginn war am 11. August 1947, die Inbetriebnahme am 22. August 1950; 1969 wurde der Reaktor stillgelegt und der Rückbau 2012 beendet.

Der Brookhaven Medical Research Reactor (BMRR) war ein Graphit-moderierter Natururanreaktor für medizinische Anwendungen. Er arbeitete im Normalbetrieb mit 3 MW und diente vor allem der Produktion kurzlebiger Radionuklide sowie der Bor-Neutroneneinfangtherapie (BNCT). Er war von 1959 bis 2000 in Betrieb. Der High Flux Beam Reactor (HFBR) ging am 31. Oktober 1965 in Betrieb. Sein Kern bestand aus 28 Brennelementen aus hochangereichertem Uran mit insgesamt 9,8 kg; Moderation und Kühlung erfolgten mit Schwerem Wasser. Die Leistung wurde 1982 von 40 MW auf 60 MW erhöht. Nach einer Sicherheitsüberprüfung, einer Wiederinbetriebnahme mit 30 MW im Jahr 1991 und dem Fund von Tritium im Grundwasser 1996 wurde der HFBR 1999 endgültig stillgelegt.

Für die Teilchenphysik wurde das Cosmotron 1951 in Betrieb genommen. Es überschritt 1952 als erster Beschleuniger 1 GeV Protonenenergie und erreichte im Januar 1953 3,3 GeV. 1966 wurde es zugunsten des Alternating Gradient Synchrotron (AGS) abgeschaltet. Das AGS ging 1960 in Betrieb, erreichte 33 GeV und besitzt einen Durchmesser von 843 ft (circa 257 m). Zum Komplex gehören unter anderem Tandem-Van-de-Graaff-Beschleuniger, Booster und LINAC. Seit 2000 dient das AGS als Vorbeschleuniger für den RHIC.

Die National Synchrotron Light Source (NSLS) bestand aus einem VUV-Ring mit circa 20 und einem X-Ray Ring mit circa 60 Strahllinien. Die Ringe hatten Umfänge von 51 beziehungsweise 170 m. Elektronen wurden auf 120 MeV, dann auf 750 MeV und schließlich auf 750 MeV beziehungsweise 2,5 GeV beschleunigt. Die NSLS lieferte Strahlung mit Wellenlängen von 0,1 bis 30 Å und wurde 2014 abgeschaltet.

Forschungsergebnisse und technische Entwicklungen

In der Festkörperforschung wurden am BNL wichtige Neutronenmethoden entwickelt und eingesetzt. Dazu gehören die erstmalige Beobachtung inelastischer magnetischer Neutronenstreuung an Ferromagneten, der van-Hove-Formalismus für den Zusammenhang zwischen Streuquerschnitt und Spin-Spin-Korrelationen sowie mathematische Verfahren zur Neutronenkristallographie. 1970 wurden „weiche“, also niederenergetische, Gitterschwingungen nahe ferroelektrischer Phasenübergänge entdeckt. Weitere Arbeiten betrafen ein- und zweidimensionalen Magnetismus, magnetische Ordnungsphänomene in Hochtemperatur-Supraleitern und resonante magnetische Röntgenstreuung an Holmium.

In Kern- und Elementarteilchenphysik entstanden Tabellen energieabhängiger Absorptions- und Streuquerschnitte von Neutronen sowie die Neutronen-Flugzeitspektrometrie. 1956 wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Parität bei Zerfällen der schwachen Wechselwirkung nicht erhalten bleibt. 1957 gelang der Nachweis der negativen Helizität von Neutrinos. 1964 wurde am AGS die CP-Verletzung entdeckt, eine fundamentale Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie. 1962 wurde dort das Myon-Neutrino entdeckt, wodurch die Einteilung der Leptonen in Generationen begründet wurde. 1968 stellte Raymond Davis Jr. ein deutlich niedrigeres als vorhergesagtes Flussniveau solarer Neutrinos fest; daraus entstand das Sonnenneutrino-Problem. 1974 wurde am AGS das J/ψ-Meson entdeckt. Am RHIC lieferten Kollisionen schwerer Gold-Ionen ab 2005 Hinweise auf ein Quark-Gluon-Plasma.

Auch in Biologie, Medizin und Technologie gab es bedeutende Ergebnisse. 1968 wurde L-Dopa zur Behandlung der Parkinson-Krankheit erfolgreich eingesetzt. Röntgenstrukturdaten der NSLS trugen zur Aufklärung der Struktur von K+-Ionenkanälen und der 30S- und 50S-Untereinheiten von Ribosomen bei. Am BGRR wurde ein Technetium-99m-Generator entwickelt, der das kurzlebige Isotop 99mTc aus langlebigem 99Mo für die medizinische Bildgebung erzeugt. 1958 entwickelte William Higinbotham das Oszilloskop-Spiel Tennis for Two. 1968 patentierten Gordon Danby und James Powell eine Magnetschwebebahn-Technologie, die als MagLev bekannt wurde.

Aktuelle Anlagen und Forschungsprogramm

Der Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ist der weltweit erste Beschleuniger, der spin-polarisierte Protonen speichern, beschleunigen und kollidieren kann. Sein Doppelspeicherring hat einen Umfang von rund 3834 m und enthält 1740 supraleitende Dipolmagnete aus Titan-Niob-Legierungen mit einer Feldstärke von 3,45 Tesla. Schwere Ionen werden über den Electron Beam Ion Source Accelerator, einen Booster und das AGS auf 99,995 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Bei Gold-Gold-Kollisionen beträgt die Schwerpunktsenergie gegenwärtig 200 GeV; dabei können Temperaturen bis zu 4 Billionen Kelvin und ein Quark-Gluon-Plasma entstehen. Die extrem heiße Materie existiert etwa 10^-22 Sekunden. Für Proton-Proton-Kollisionen beträgt die Schwerpunktsenergie ebenfalls 200 GeV. Der RHIC geht Ende 2025 außer Betrieb und soll teilweise für den Electron Ion Collider (EIC) weiterverwendet werden.

Der EIC soll Elektronen und Ionen aus getrennten Beschleunigern zu hochenergetischen Kollisionen zusammenführen. Nach den Planungen soll einer der RHIC-Speicherringe für die Ionenbeschleunigung verwendet werden. 2025 wurde die Inbetriebnahme „in 8 bis 10 Jahren“ erwartet.

Die NSLS-II wurde 2015 als Nachfolgerin der NSLS fertiggestellt. Ihr Speicherring hat 3,0 GeV Elektronenenergie und einen Umfang von 792 m. Die Photonenenergie reicht von etwa 0,1 bis 300 keV; die Flussdichte beträgt über 10^15 Photonen pro Sekunde mal Quadratmeter und ist etwa 10000-mal höher als bei der NSLS. Aktuell besitzt die Anlage 28 Strahllinien, eine weitere befindet sich im Aufbau; insgesamt sind 58 aktive Strahllinien geplant. 2018 nutzten 1300 Wissenschaftler die NSLS-II. Das Center for Functional Nanomaterials (CFN) forscht unter anderem an Katalyse, Brennstoffzellen und Photovoltaik und bietet Reinräume, Syntheselabors, Spektrometer, Mikroskope und Recheninfrastruktur.

Das aktuelle Forschungsprogramm umfasst QCD-Materie, also die durch Quantenchromodynamik beschriebene Physik von Quarks und Gluonen, einschließlich Quark-Gluon-Plasma und Anti-Nukleonen. Weitere Schwerpunkte sind die Physik des Universums mit Projekten zu Dunkler Energie, Neutrino-Oszillationen und dem Higgs-Boson, photonengestützte Untersuchungen von Materialien und Proteinen, Klima-, Umwelt- und Biowissenschaften sowie Energiesicherheit. Letztere umfasst Erzeugung, Transport, Speicherung und Nutzung von Energie, darunter chemische Energiekonversion, Katalyse, Supraleitung und die Einbindung erneuerbarer Energien in das Stromnetz.