Röntgentechnik 02.10.2013, 08:57 Uhr

Riesenröhre durchleuchtet ganze Autos

Im Fraunhofer-Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT in Fürth steht der größte Computertomograph der Welt. Mit ihm lassen sich ganze Autos in drei Dimensionen durchleuchten. Aber auch der kleinste Computertomograph ist in Fürth beheimatet.

Der größte Computertomograph der Welt XXL-CT ermöglicht das Röntgen eines Autos.

Der größte Computertomograph der Welt XXL-CT ermöglicht das Röntgen eines Autos.

Foto: Fraunhofer ILS

Es ist ein wahrer Trumm, dieser XXL-CT, und der Riesen-Computertomograph macht seinem Namen wahrlich alle Ehre. Während der gigantische Drehtisch mit einem Durchmesser von drei Metern des XXL-CTs langsam rotiert, fahren eine Röntgenquelle auf der einen und ein vier Meter langer Röntgendetektor auf der anderen Seite neben dem Objekt auf und ab. Der Computertomograph der etwas anderen Dimension kann ganze Autos, Flugzeugflügel und sogar ganze Schiffscontainer durchleuchten.

Entwicklungszentrum Röntgentechnik im Juli eingeweiht

Der Drehteller ist für ein Gewicht bis zehn Tonnen ausgelegt. „Das ist in dieser Größenordnung eine bislang einzigartige Möglichkeit zur zerstörungsfreien Materialprüfung“, sagt Randolf Hanke, der das Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT in Fürth leitet. Dieses Zentrum ist erst am 11. Juli dieses Jahres feierlich eingeweiht worden. Entwickelt und aufgebaut haben den XXL-CT Forscher des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS.

Modellansicht des Neubaus für den Bereich Entwicklungszentrum Röntgentechnik in Fürth-Atzenhof. Das Gebäude ist für rund 220 Personen mit 140 Büros, Laborräumen und Werkstätten auf über 5300 Quadratmetern konzipiert.

Modellansicht des Neubaus für den Bereich Entwicklungszentrum Röntgentechnik in Fürth-Atzenhof. Das Gebäude ist für rund 220 Personen mit 140 Büros, Laborräumen und Werkstätten auf über 5300 Quadratmetern konzipiert.

Foto: Fraunhofer ILS

Mit dem XXL-CT können die Wissenschaftler im EZRT jetzt beispielsweise ein Auto, welches nach einem Crashtest mit 50 Stundenkilometer nur noch ein Haufen deformiertes Blech ist, dreidimensional durchleuchten. Die Schadensanalyse nach einem Crashtest wird so in die Lage versetzt, wirklich in das Innere des Autos hineinzusehen. So wird erstmals erkennbar, wie einzelne Bauteile im demolierten Fahrzeug auf die Belastung des Aufpralls reagiert haben. Klassische zweidimensionale Röntgenbilder sind für so eine Analyse viel zu ungenau: Sie zeigen lediglich einen „Schattenwurf“ aus einer einzigen Position.

Das System des XXL-CT besteht aus einem Linearbeschleuniger, einem Zeilendetektor und dem Drehteller. Es ist in der Lage, den Prüfling, also das Auto zum Beispiel, während einer 360 Grad-Umdrehung Zeile für Zeile mit einer Rotationsgeschwindigkeit von fünf Grad pro Sekunde zu durchleuchten. Durch eine speziell entwickelte Software werden die so erhaltenen Daten rekonstruiert, ausgewertet und schließlich visualisiert.

Sprengstoffen in Seecontainern auf der Spur

Sicherheitskräfte können mit Hilfe des XXL-Tomographen Sprengstoffe oder andere unerlaubte Gegenstände in Frachtcontainern aufspüren, ohne sie öffnen zu müssen. Zur Demonstration durchleuchteten die Wissenschaftler vor ein paar Wochen einen verschlossenen Seefrachtcontainer. Wie durch Zauberhand erschien danach auf dem Monitor der Inhalt: Eine uralte Mikrowelle, eine verstaubte Kaffeemaschine, eine Wachmaschine mit Schrammen, ein altes Fahrrad, und eine Menge Möbel, Geräte und Altmetall.

3D-Visualisierung eines gemessenen Containers samt Inhalt.

3D-Visualisierung eines gemessenen Containers samt Inhalt.

Foto: Fraunhofer EZRT

Durch die heute schon extrem hohe Auflösung von 0,8 Millimetern an metergroßen Objekten sind auf den Aufnahmen selbst winzigste Details gestochen scharf zu erkennen. Details aus dem Innenleben der Waschmaschine zum Beispiel. „Man hat uns ausgelacht, als wir mit dem Projekt begonnen haben“, sagt Hanke, der neben der Leitung des EZRT am IIS einen Lehrstuhl für Röntgenmikroskopie an der Julius-Maximilian-Universität in Würzburg innehat. „Inzwischen lacht niemand mehr.“

Winzige Risse in Bauteilen erkennen

Schon bald wollen die Forscher diese Auflösung auf 0,4 Millimeter noch einmal verdoppeln. Mit dieser Technologie ist es zum Beispiel möglich, Prototypen neuer Fahrzeuge mit den Konstruktionsdaten abzugleichen. Oder Materialfehler wie die gefürchteten winzigen Risse in Automobil- oder Flugzeugbauteilen zu erkennen. So lässt sich der Motorblock als ganzes Bauteil zerstörungsfrei untersuchen.

Darstellung einer Erdnuss nach einer CT-Prüfung.

Darstellung einer Erdnuss nach einer CT-Prüfung.

Foto: Fraunhofer EZRT

Der XXL-CT durchstrahlt die Prüflinge mit einer maximalen Strahlungsenergie von neun Megaelektronenvolt (MeV) und kann damit Materialdicken von bis zu zehn Zentimetern bei einer hohen Materialdichte und bis zu 60 Zentimetern bei einer geringen Materialdichte durchleuchten. Der Linearbeschleuniger wird dabei mit Wasser gekühlt.

Der riesige Computertomograph aus Fürth könnte als Lösung für ein zollrechtliches Problem dienen. Denn ab dem kommenden Jahr müssen laut einem US-Gesetz alle Container, die mit Schiffen, mit Flugzeugen oder mit Lastwagen in die USA kommen, durchleuchtet werden. Der XXL-CT ist in der Lage, extrem feine Einzelheiten sichtbar zu machen, Schmuggelware oder eben Sprengstoffe. Dazu kommt die Geschwindigkeit der Fürther Anlage: Die Zollbeamten würden schon nach wenigen Minuten über brauchbare Bilder des Inhalts eines jeden Containers verfügen.

Per USB an den Laptop

Weil der XXL-CT alleine schon wegen seines Gewichts von rund drei Tonnen eher ortsgebunden und unbeweglich ist, haben die Forscher aus Fürth auch eine mobile CT-Einheit entwickelt. Der CTportable ist extra für den flexiblen Einsatz gebaut worden. Er wiegt weniger als 20 Kilogramm und kann per USB-Anschluss problemlos an jeden Computer oder an ein Laptop angeschlossen werden.

Der CTportable ist äußerst flexibel einsetzbar.

Der CTportable ist äußerst flexibel einsetzbar.

Foto: Fraunhofer EZRT

Der CTportable ist nicht größer als eine Mikrowelle für die Küche und kann Objekte bis 45 Millimeter im Durchmesser, 65 Millimeter in der Höhe und einem Gewicht von 250 Gramm durchleuchten. Durch die kompakte Bauweise passt die mobile Anlage auf jeden Labortisch. Der derzeit kleinste Computertomograph der Welt durchleuchtet die Objekte mit einer Ortsauflösung von 18 Mikrometern. Damit kann er auch kleinste Kunststoffteile untersuchen und schreckt auch vor biologischen Proben, zum Beispiel Insekten, nicht zurück.

Durchbruch zu einer Nanoröntgenröhre geschafft

Das Team um Hanke arbeitet derzeit bereits an der nächsten Innovation in Sachen Röntgentechnik. Hanke treibt seit 15 Jahren die Vision um, einen Computertomographen zu entwickeln, der bis in den Nanometerbereich, also unter 100 Nanometer, vordringen soll. Nun ist ihm gemeinsam mit seinen Mitarbeitern an der Universität Würzburg ein entscheidender Durchbruch gelungen. „Wir haben jetzt ein Elektronenmikroskop zu einer speziellen Nanoröntgenröhre weiterentwickelt“, erläutert der Wissenschaftler.

Der Clou: Hanke leitet die elektrischen Ladungsträger, die das Röntgenlicht erzeugen, seitlich auf eine dünne Nadel. Dadurch emittiert die Nadelspitze Röntgenlicht und erzeugt einen exakten Brennfleck mit 50 Nanometern Durchmesser. Damit lassen sich Objekte in Nanogrößenordnung scharf beleuchten. Biologen könnten mithilfe dieser innovativen Technologie zum Beispiel den Wassertransport in Holzfasern analysieren. So können möglicherweise Wege gefunden werden, Pflanzen an sehr wasserarme Standorte zu gewöhnen. Ein Weg, den Hunger in der Welt durch standortangepasste Pflanzen wirksam zu bekämpfen.

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