Eine Schwäche für Heavy Metal

Die Schweißingenieurin Audrey Vichard beschreibt die Vorteile des Baus hochwertiger, langlebiger Komponenten für Experimente am CERN und darüber hinaus.

Schweißen ist die Technik, bei der zwei Materialien, häufig Metalle, durch Erhitzen auf ihren Schmelzpunkt miteinander verbunden werden, wodurch eine nahtlose Verbindung entsteht. Die Beherrschung der verwendeten Materialien, sorgfältige Vorsicht und bemerkenswerte Beständigkeit sind wesentliche Bestandteile der Fähigkeiten eines erfahrenen Schweißers. Wesentlich ist auch die Fähigkeit, sich auf verschiedene Situationen einzustellen, beispielsweise auf maschinelles oder manuelles Schweißen. Audrey Vichards Rolle als Schweißingenieurin in der Maschinenbau- und Werkstofftechnikgruppe (MME) des CERN umfasst umfassende technische Beratung im Bereich Schweißen. Sie bewertet Methoden, verbessert den Schweißprozess, entwickelt innovative Lösungen und stellt die Einhaltung globaler Standards und Verfahren sicher. Diese Aufgabenbündelung ermöglicht die effektive Durchführung komplexer Projekte für die Beschleuniger und Experimente des CERN. „Es ist eine Art Kunst“, sagt Audrey. „Um qualitativ hochwertige Schweißnähte zu erzielen, sind jahrelange Schulungen erforderlich.“

Audrey ist eines der neuesten Mitglieder der MME-Gruppe, die der CERN-Community spezifische technische Lösungen bietet, die mechanisches Design, Fertigung und Materialwissenschaften für Beschleunigerkomponenten und physikalische Detektoren kombinieren. Sie trat im Januar 2023 als Fellow in die Abteilung Umformen und Schweißen ein, nachdem sie zuvor Metallurgie an der Ingenieurschule des Polytech Nantes in Frankreich studiert hatte. „Während meiner Schulzeit habe ich ein Praktikum in Toulon gemacht, wo U-Boote für die Armee gebaut werden. Ich war in einer Gruppe mit einem Schweißer, der mir seine Leidenschaft für das Schweißen weitergegeben hat – insbesondere, wenn es um anspruchsvolle Anwendungen geht.“

Was das Schweißen am CERN auszeichnet, ist die Vielfalt der verwendeten Materialien und die Umgebungen, denen die fertigen Teile standhalten müssen. Radioaktivität, hoher Druck bis Ultrahochvakuum und kryogene Temperaturen sind Faktoren, denen die Materialien ausgesetzt sind. Edelstahl ist das am häufigsten verwendete Material, sagt Audrey, aber auch seltenere Materialien wie Niob kommen ins Spiel. „Niob zum Schweißen findet man außerhalb des CERN nicht wirklich – es ist sehr spezifisch, daher ist es interessant und herausfordernd, Niob-Schweißnähte zu untersuchen. Um insbesondere die Reinheit dieses Materials zu erhalten, müssen wir ein spezielles Vakuumschweißverfahren mittels Elektronenstrahl anwenden.“ Das Gleiche gilt für Titan, das aufgrund seiner geringen Dichte und guten mechanischen Eigenschaften ein Material der Wahl ist. Es wird derzeit für den HL-LHC-Beam Dump der nächsten Generation untersucht. Ob Stahl, Titan, Kupfer, Niob oder Aluminium – jedes Material weist ein einzigartiges metallurgisches Verhalten auf, das den Schweißprozess stark beeinflusst. Um die strengen Betriebsbedingungen über die gesamte Lebensdauer der Komponenten zu erfüllen, werden die Schweißparameter konsequent entwickelt und eine strenge Kontrolle der Qualität und Rückverfolgbarkeit ist unerlässlich.

„Obwohl es die Aufgabe der Physiker am CERN ist, die innovativen Maschinen zu entwickeln, die sie brauchen, um das Wissen weiter voranzutreiben, ist es ein interessanter Austausch, um voneinander zu lernen und zwischen idealen Objekten und industrieller Realität zu jonglieren“, erklärt Audrey. „Es ist eine Frage der Anpassung. Die Physiker kommen hierher und erklären, was sie brauchen, und dann schauen wir, ob es mit unseren Maschinen machbar ist. Wenn nicht, können wir das Design oder das Material anpassen, und die Physiker sind in der Regel recht offen für die Änderung.“

Beim Rundgang durch die Hauptwerkstatt des CERN – eines der ersten Gebäude des CERN, das seit 1957 in Betrieb ist – ist Audrey eine der wenigen anwesenden Frauen. „Wir sind eine Handvoll Frauen, die einen Abschluss als International Welding Engineers (IWE) machen. Ich bin stolz darauf, Teil der größeren wissenschaftlichen Gemeinschaft zu sein und meine Arbeit in diesem Bereich voranzutreiben, der historisch von Männern dominiert wurde.“

Die Physiker kommen hierher und erklären, was sie brauchen, und dann schauen wir, ob es mit unseren Maschinen machbar ist

In der Hauptwerkstatt am CERN ist Audrey zusammen mit ihren Kollegen Mitglied des Schweißexpertenteams. „Meine tägliche Aufgabe besteht darin, Schweißaktivitäten für aktuelle Fertigungsprojekte CERN-weit zu unterstützen. An einem typischen Tag kann ich von der visuellen Inspektion von Schweißnähten in der Werkstatt über die Überwachung der Schweißqualität bis hin zur Beratung der CERN-Gemeinschaft gemäß den neuesten Standards, der Teilnahme an großen Forschungs- und Entwicklungsprojekten und der Beratung der CERN-Gemeinschaft als Schweißexperte übergehen in Bereichen wie dem Rahmenwerk der Druckgeräterichtlinie.“

Zusammen mit Kollegen aus der Vakuum-, Oberflächen- und Beschichtungsgruppe (TE-VSC) und MME des CERN arbeitet Audrey derzeit an Forschung und Entwicklung für das Einstein-Teleskop – ein geplantes Gravitationswellen-Observatorium der nächsten Generation in Europa. Es ist Teil einer neuen Zusammenarbeit zwischen CERN, Nikhef und dem INFN, um das kolossale Vakuumsystem des Teleskops zu entwerfen – das größte, das jemals versucht wurde (siehe CERN teilt Strahlrohr-Know-how für Gravitationswellenobservatorien). Um diese Aufgabe zu erfüllen, untersucht die Zusammenarbeit zunächst verschiedene Materialien, um den besten Kandidaten zu finden, der Ultrahochvakuumkompatibilität, Schweißbarkeit und Kosteneffizienz vereint. Bisher wurde ein vollständig prototypisches Strahlrohr aus rostfreiem Stahl gefertigt und ein weiteres wird derzeit aus gewöhnlichem Stahl hergestellt; der dritte steht noch aus. Der nächste große Schritt wird dann sein, vom derzeit 3 ​​m langen Prototyp auf eine 50 m lange Version umzusteigen, was etwa eineinhalb Jahre dauern wird. Audreys Aufgabe besteht darin, mit den Schweißern zusammenzuarbeiten, um die Schweißparameter zu optimieren und letztendlich eine robuste industrielle Lösung für die Herstellung dieser riesigen Vakuumkammer bereitzustellen. „Das Design ist ungewöhnlich; Es wurde in keiner industriellen Anwendung eingesetzt, zumindest nicht in dieser Qualität. Ich freue mich sehr auf die Arbeit am Einstein-Teleskop. Gravitationswellen haben mich schon immer interessiert und es ist toll, schon so früh Teil des nächsten großen Experiments zu sein.“