Mischen von Metallen für verbesserte Leistung

Shreyas Balachandran vom Jefferson Lab wird für seine Fortschritte bei der Umwandlung von Nioblegierungen in Beschleunigerteile der nächsten Generation geehrt

DOE/Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Bild: Shreyas Balachandran wurde für den ICMC Cryogenic Materials Award for Excellence ausgewählt, der jährlich an eine Person unter 40 Jahren verliehen wird, die Innovation, Wirkung und internationale Anerkennung für ihre Arbeit bei der Weiterentwicklung des Wissens über kryogene Materialien bewiesen hat.mehr sehen

Bildnachweis: Jefferson Lab des DOE: AIleen Devlin

NEWPORT NEWS, VA – Eine Teenager-Faszination für Metalle hat zu einem prestigeträchtigen Nachwuchspreis für einen Wissenschaftler für supraleitende Hochfrequenzmaterialien (SRF) an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums geführt.

Shreyas Balachandran wurde mit dem ICMC Cryogenic Materials Award for Excellence ausgezeichnet, der jährlich an eine Person unter 40 Jahren verliehen wird, die Innovation, Wirkung und internationale Anerkennung für ihre Arbeit bei der Weiterentwicklung des Wissens über kryogene Materialien bewiesen hat.

„Es ist gut, für das, was man tut, anerkannt zu werden, aber es ist ein Zeugnis für Menschen, die an einen geglaubt und einem eine Chance gegeben haben“, sagte Balachandran. „Ich hatte während meiner gesamten Reise hervorragende Mentoren. Und ich sehe diese Auszeichnung als Anerkennung für alle, die an meiner gesamten Arbeit beteiligt waren.“

Balachandrans Forschung konzentriert sich stark auf Niob, das unter anderem zur Herstellung supraleitender Hohlräume für Teilchenstrahlbeschleuniger verwendet wird, darunter die leistungsstarke Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) des Jefferson Lab. CEBAF ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, in der mehr als 1.850 Kernphysiker weltweit forschen.

Niob-Hohlräume bilden das Rückgrat eines Beschleunigers. Sie sind in einer Reihe von Kryomodulen untergebracht und werden mit flüssigem Helium auf etwa 2 Kelvin oder -456 Fahrenheit unterkühlt, um den normalen Widerstand zu unterdrücken und die Elektronen beim Durchgang auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und so Strahlen für Experimente zu liefern.

Niob ist für Teilchenbeschleuniger für die wissenschaftliche Forschung sowie für die Materialentdeckung, medizinische Behandlung und Umweltsanierung von entscheidender Bedeutung. Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten ständig daran, die Leistung des Metalls zu optimieren, indem sie seine Verarbeitung verbessern oder es mit anderen Elementen wie Titan, Stickstoff, Zinn und Aluminium kombinieren, um effizientere, haltbarere und supraleitende Legierungen und Strukturen zu schaffen.

Zu Balachandrans Arbeit gehört die Entwicklung einer neuen Niob-Tantal-Hafnium-Legierung mit Anwendungen für supraleitende Drähte der nächsten Generation. Derzeit experimentiert er mit Nb3Sn, einer Niob-Zinn-Verbindung, die bei einer höheren Temperatur als reines Niob supraleitend ist, was den Bedarf an riesigen und teuren Kryoanlagen überflüssig machen würde und eines Tages bei Hochenergiebeschleunigern eine entscheidende Rolle spielen könnte. Obwohl Nb3 Sn spröder ist als Niob, könnte es den Bedarf an großen und teuren kryogenen Kühlanlagen zur Kühlung der Teilchenbeschleunigerhohlräume überflüssig machen. Das würde die Entwicklung hochenergetischer Teilchenbeschleuniger grundlegend verändern.

Ein Detektiv in der Metallurgie

Balachandran wurde in Bangalore im Süden Indiens geboren und wuchs dort auf. Sein Interesse an Metallen wurde während eines High-School-Wettbewerbs geweckt, was zu seinen verschlungenen Büchern über Metallurgie auf College-Niveau führte. Dies ging weiter, als er seinen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau am RV College of Engineering in Indien und an der Texas A&M University in College Station machte, wo er seinen Master und seinen Doktortitel erwarb. Seine Doktorarbeit befasste sich mit der „Mikrostrukturentwicklung in massivem Niobium nach schwerer plastischer Verformung und Ausheilung“.

Mit einem Beschleuniger-Stewardship-Stipendium des DOE arbeitete er von 2015 bis 2018 als Postdoktorand am Applied Superconductivity Center des National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) der Florida State University in Tallahassee. Zu seinen Forschungsarbeiten gehörte die Materialentwicklung von hochreinem Niob für die Supraleitung SRF-Anwendungen für Linearbeschleuniger.

Von 2018 bis 2022 war Balachandran Mitglied der Gastforschungsfakultät des MagLab. Dort entwickelte er die Niob-Tantal-Hafnium-Legierung, die zu haltbaren feinen Drähten für leistungsstarke Forschungsmagnete verarbeitet werden konnte, die etwa 1500 Ampere pro Quadratmillimeter (bei 4 Kelvin, 16 Tesla) tragen können. Dies ist Kupfer weit überlegen, das als ausgezeichneter Stromleiter gilt und eine Nennleistung von 1 bis 5 Ampere pro Millimeter im Quadrat hat. Die Legierung ist mittlerweile in den USA und Japan im Handel erhältlich.

Balachandran und seine Kollegen führten außerdem eine Autopsie von Fehlern durch, die durch die Magnetmontage während der Modernisierung des Large Hadron Collider mit hoher Leuchtkraft am CERN in der Schweiz verursacht wurden. Nachdem die Ursache der Leiterausfälle – und damit der Magnetausfälle – unabhängig überprüft wurde, setzte CERN seine Modernisierung fort.

„Ich fühle mich leicht dazu hingezogen, herauszufinden, warum etwas passiert“, sagte Balachandran. „Wir sind fast wie ein Detektiv, der herausfinden möchte, warum Materialien das tun, was sie tun.“

Balachandran arbeitet seit 2015 mit Jefferson Lab zusammen, um die Leistung von Niob zu verbessern. Im Jahr 2022 wurde er als Materialwissenschaftler an Bord geholt, um die Forschung und Entwicklung effizienterer supraleitender Hohlräume für CEBAF durch neue Verarbeitungstechniken, Beschichtungen oder Materialien voranzutreiben.

Hohlräume aus Niob-Zinn könnten beispielsweise genauso gut funktionieren wie solche aus Niob, allerdings bei 4 Kelvin statt 2 Kelvin. Dieser Unterschied würde bei Verwendung eines Kryokühlers zum Erreichen supraleitender Temperaturen weit weniger Platzbedarf erfordern als bei einer riesigen Kryoanlage in einem mehrstöckigen Gebäude.

„Im Grunde kann man das gesamte System auf eine überschaubare Größe verkleinern“, sagte Balachandran. „Man kann also kleinere, effizientere Maschinen haben, die Strahlen mit der gleichen Energie erzeugen. Das ist die Richtung, in die sich die gesamte Technologie bewegt. Und es liegt noch viel spannende Arbeit vor uns, um dorthin zu gelangen“, sagte er.

Der ICMC Cryogenic Materials Award for Excellence wird am 11. Juli auf der Jahreskonferenz der Gruppe in Honolulu, Hawaii, verliehen. Es geht mit einem Geldpreis und einer Einladung an Balachandran einher, einen Vortrag über seine Forschung zu halten.

Von Tamara Dietrich

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Jefferson Science Associates, LLC verwaltet und betreibt die Thomas Jefferson National Accelerator Facility, oder Jefferson Lab, für das Office of Science des US-Energieministeriums. JSA ist eine hundertprozentige Tochtergesellschaft der Southeastern Universities Research Association, Inc. (SURA).

Das Office of Science des DOE ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter https://energy.gov/science.

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