Im Speziallabor der Fachgruppe Laborastrophysik an der Universität Kassel werden in einer kleinen Vakuumkammer die Stoffe erzeugt, aus denen unsere Sterne entstanden sind. Die Wissenschaftler erzeugen Materie, die sonst nur im Weltraum vorkommt, und sammeln so Erkenntnisse über das Werden und Vergehen von Sternen. Ausgeklügelte Lasertechnologie und präzise Spiegelsysteme helfen den Forschern bei der Umsetzung ihrer Ideen und Theorien. Die geometrisch hochpräzisen Spiegelsysteme mit hohem Reflexionsfaktor aus Aluminium werden mittels eines Kugelfräsers von HORN, bestückt mit einer Schneide aus monokristallinem Diamant (MKD), hergestellt.

In der kleinen Vakuumkammer des Instituts für Physik steckt das Weltall. Dort erzeugen Prof. Dr. Thomas Giesen und sein Forscherteam Bedingungen, wie sie während der verschiedenen Phasen der Sternentstehung herrschen.

Prof. Giesen erläutert das Prinzip: „Unter Vakuum und bei Temperaturen von minus 250 °C, knapp über dem absoluten Nullpunkt, können die Wissenschaftler in der Metallkammer Moleküle unter Bedingungen herstellen, die sonst nur im Weltraum anzutreffen sind. Mit starken Laserpulsen werden die hochenergetischen Prozesse während der sogenannten embryonalen Phase der Sterne nachgebildet. Die Laserpulse werden auf einen Stoff, zum Beispiel hochreines Grafit, geschossen. Im Dauerbetrieb würde der Stromverbrauch für den Laserpuls dem der gesamten Stadt Kassel entsprechen. Aber wir Forscher benötigen die hohe Energie zum Glück nur für den milliardstel Teil einer Sekunde. Das reicht, damit der aus Kohlenstoff bestehende Grafit in seine atomaren Bestandteile zerlegt wird.“

Von 10.000 °C auf minus 250 °C in Millisekunden

„Jetzt gilt es, die 10.000 °C, die in dem extrem energiereichen Moment herrschen, im Bruchteil einer Sekunde auf minus 250 °C herunterzukühlen. Das gelingt“, so Giesen, „indem ein Überschalldüsenstrahl mit Heliumgas in die Vakuumkammer gejagt wird. Durch die schlagartige Ausdehnung des Gases im luftleeren Raum fällt die Temperatur blitzschnell ab. In dieser Atmosphäre können sich einzelne Atome neu zusammensetzen, und zwar so wie im Weltall. Dabei bilden sich völlig andere Verbindungen als unter irdischen Bedingungen. Im Fall des Kohlenstoffs entstehen bei diesem Prozess 100 verschiedene Molekülarten.“ Zum Analysieren dieser Moleküle dient die Terahertz-Spektroskopie. Der Terahertz-Spektralbereich liegt zwischen fernem Infrarot und Mikrowelle und deckt Frequenzen von 300 GHz bis 10 THz ab, also Wellenlängen zwischen 1 mm und 30 μm. Terahertzstrahlen werden dabei durch ein zu untersuchendes Gas geschickt und mit einem Sensor aufgefangen. Jedes Gas hat unterschiedliche Absorptionsfaktoren und Absorptionsmuster. Die einzelnen Gase unterscheiden sich dabei durch die absorbierten Frequenzspektren. Im Labor durchfahren Terahertzstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen das Analysegas und erzeugen so einen eindeutigen Fingerabdruck des untersuchten Gases.

Ungeeignete Fräser

Dazu schleust man in der Vakuumkammer einen Terahertzstrahl durch eine Öffnung in einem ebenen Spiegel, der von einem konkaven Spiegel wieder auf den ebenen Spiegel zurück reflektiert. Je öfter der Strahl im Spiegelsystem hin und her reflektiert, je häufiger also die Gaswolke durchfahren wird, desto eindeutiger sind die Signale. Am Ende fängt ein Detektor hinter der Öffnung des ebenen Spiegels den Strahl auf. Zur Sichtbarmachung des unsichtbaren Terahertzstrahls im Spiegelsystem überlagert diesen ein sichtbarer grüner Laserstrahl. Alle bisher benutzten speziellen Terahertzoptiken hatten Schwächen. Einzig metallische Spiegel führten die Forscher näher an ihr Ziel. Doch die bisherigen Versuche mit Fräsen und Polieren erbrachten keine brauchbaren Oberflächenqualitäten. Die Fräserspuren waren zu tief und beim Herauspolieren erzeugte man zusätzlich geometrische Ungenauigkeiten. Die Folge waren zu wenige brauchbare Reflexionsdurchgänge im Spiegelsystem.

Mit MKD-Fräser auf dem richtigen Weg

Durch einen Beitrag in der „World of Tools“, der Hauszeitschrift des Werkzeugspezialisten HORN, stieß Ingo Schulz, der Abteilungsleiter bei den feinmechanischen Werkstätten der Uni, auf das Thema Glanzfräsen mit MKD-Werkzeugen. Die ersten Versuche zeigten schon, dass man mit diesen MKD-Fräsern den richtigen Weg eingeschlagen hatte. Um das Ergebnis zu verbessern, verfeinerte man die Flächenauflösung im CAM-Programm von OpenMind-Hypermill auf 0,0005 mm. Die Heidenhain-Steuerung der Hermle C20U verarbeitete diese Auflösung ohne Probleme. Ein konkaver Spiegel mit einem Durchmesser von 100 mm und einem Spiegelradius von ebenfalls 100 mm wird in mehreren Schritten aus dem Alu-Werkstoff AlMgSi05 gefräst:

›Das Rohteil wird mit einem 8-mm-Hartmetall-Schruppfräser vorgeschruppt.

 (Aufmaß 0,25 mm, 17 Minuten Bearbeitungszeit)

›Profil-Vorfräsen der Fläche mit 10-mm-Hartmetall-Kugelfräser.

 (30 ° Anstellung des Schwenktisches, 0,5 mm Zeilenabstand, Aufmaß 0,1 mm, Bearbeitungszeit 7 Minuten)

›Profil-Vorschlichten der Fläche mit 10-mm-Kugelfräser

 (30 °, 0,1 mm Zeilenabstand, Aufmaß 0,03 mm, Bearbeitungszeit 35 Minuten)

Auflösung von 5,1 Millionen Datensätzen

Als vierte Operation wird der Spiegel hochglanzgefräst. Dazu dient ein Kugelfräser Typ 117 von HORN mit schwingungsdämpfendem Rundschaft aus Hartmetall und einer Schneidplatte S117 für Durchmesser 10 mm mit MKD-Schneide und Aluminiumgeometrie. Gefräst wird mit den Parametern: vc=400 m/min, fz=0.03 mm, ap= 0.03 mm und ae=0.03mm. Abgearbeitet wird dabei eine NC-Programmgröße von 123 MB, das entspricht 5,1 Millionen Datensätzen und einer Bearbeitungszeit von 11,5 Stunden – für einen Spiegel mit 100 mm Durchmesser.

Anders als bei den Voroperationen, bei denen wegen möglicher Aufbauschneidenbildung mit KSS gefräst wird, kann beim Fräsen mit MKD-Schneiden auf KSS verzichtet werden, da Diamantwerkstoffe keine Adhäsionsneigung zeigen. Das ist auch der Grund, warum Ingo Schulz in Zukunft auch bei den Voroperationen auf Diamant setzen wird – allerdings auf CVD-D-Diamant. Man erhofft sich auch, dass gerade beim entscheidenden Profil-Vorschlichten durch den leichten Schnitt und geringen Schnittdruck die geometrische Genauigkeit und Oberflächengüte vor der Hochglanzbearbeitung noch weiter angehoben wird.

Mit 300-mm-Spiegel noch exaktere Fingerabdrücke

Abschließend wird der Spiegel noch ganz leicht und ohne Polierdruck nachpoliert. Mit MKD-Schneiden von HORN fertigt man in Kassel auch die ebenen Spiegel und in Zukunft einen konkaven Spiegel mit 300 mm Durchmesser und dann über 20 Millionen nötigen Datensätzen. Dafür muss aber erst das Rechner-System weiter aufgerüstet werden.

Mit dieser exakten Hochglanz-Spiegelgeometrie erreicht man jetzt sicher 20 bis 30 Reflexionsvorgänge im Spiegelsystem und damit eine noch genauere Basis für die Analyse. Jede Molekülsorte hinterlässt dabei ein charakteristisches Bild. „Wir sprechen von einem molekularen Fingerabdruck des Moleküls, das ist wie eine unverwechselbare DNA“, erklärt Prof. Giesen. Im nächsten Schritt überprüfen die Wissenschaftler, ob der Fingerabdruck des Moleküls auch in dem Licht vorkommt, das der Weltraum auf die Erde abstrahlt. Mit dem hochempfindlichen Radioteleskop IRAM in der Sierra Nevada mit 30 m Durchmesser werden die Signale verglichen. Finden sich darin auch die Fingerabdrücke aus Kassel, ist das der Beweis, dass diese Moleküle auch im weit entfernten Weltraum vorkommen. Das sind zwar nur kleine Puzzleteile, die sich aber zu einem großen Gesamtbild zusammensetzen lassen. Die Kassler Wissenschaftler arbeiten an der Vervollständigung des Bildes in internationaler Kooperation mit Forschergruppen aus den USA, Frankreich und Japan.

Mehr Informationen zu HORN-MKD-Werkzeugen: https://www.phorn.de/produkte/hochharte-schneidstoffe/