Blick ins Atom

Das weltalltaugliches Rastertunnelmikroskop brachte dem Doktorand Paul Hix und dem Feinmechanikazubi Thilo Bellinger den Bayerischen Staatspreis ein. In Zusammenarbeit mit der Europäischen Raumfahrtagentur ESA und unterstützt von dem Excellence Network NanoBioTechnology ENNaB schuf die Arbeitsgruppe um Professor Dr. Wolfgang Heckl ein Mikroskop, das für die Beobachtung atomarer Organisationen in der Schwerelosigkeit auf der Internationalen Raumstation ISS geeignet ist.

Die Münchener Ludwig-Maximilian-Universität, die 1472 in Ingolstadt gegründet wurde, zählt mit etwa 48 000 Studenten zu den größten Universitäten Deutschlands. Die LMU besteht aus 18 Fakultäten, die wiederum verschiedene Departments und Lehrstühle zusammenfassen. Zum Department für Geo- und Umweltwissenschaften gehören die Lehrstühle für Geologie, Geographie, Kristallographie, Mineralogie, Petrographie und Geophysik, sowie die Feinmechanikwerkstatt, die Projekte der Wissenschaftler realisiert. Mithilfe der 3D-CAD-Software Solidworks wird Studenten und Mechanikern eigenständiges Konstruieren ermöglicht. Die Software hilft den Studenten einerseits bei der Umsetzung ihrer Ideen in 3D-Modelle und der Werkstatt, andererseits bei der Konstruktion und Produktion der tatsächlichen Produkte. Solidworks wird in allen Bereichen des Departments eingesetzt und hilft auf beiden Seiten, innovative Ideen in die Realität umzusetzen.

„Durch die Benutzerfreundlichkeit der Solidworks Konstruk- tionssoftware ist schnell ein effektives Arbeiten möglich. Win-dows-Kenntnisse und ein Crash-Kurs von 40 Minuten reichen, um erste Schritte mit der Software zu unternehmen. Die Diplomanden und Doktoranden der LMU visualisieren ihre Ideen in Solidworks und geben die Modelle an uns zur Fertigung weiter“, so Guenter Hesberg, Feinmechanikermeister und Ausbilder an der Werkstatt des Departments. „Äußerst hilfreich ist auch das Kommunikationstool Edrawings. Die Studenten können ihre Entwürfe auch von zu Hause aus versenden und sparen vor allem in der Prüfungszeit kostbare Zeit. Wir haben hier Gaststudenten aus aller Welt, dabei kann es durchaus zu sprachbedingten Missverständnissen in der Diskussion eines Modells führt. Die räumliche Darstellung der Bauteile fördert das Verständnis ohne großen Erklärungsbedarf.“

Die LMU schätzt die Benutzerfreundlichkeit und das Leistungsspektrum der Software. Den Studenten wird in kurzer Zeit effizientes Arbeiten ermöglicht. Die parametrische Abgleichung verbundener Bauteile und Komponenten hilft dabei, funktionelle Modelle schnell zu konstruieren. Das integrierte Konstruk- tionsprüfungstool Cosmos lässt Studenten die Funktionalität ihrer Modelle bereits während der Erstellung kontrollieren. Der Erklärungsbedarf der Modelle vor der Produktion wird durch die visuelle Darstellung auf ein Minimum reduziert. Die Werkstatt profitiert ebenfalls davon, dass Veränderungen bis hin zur Vorgabe für die CNC-Maschine automatisch eingearbeitet werden. Die Beispiele für den Einsatz der Software sind vielfältig. In den Bereich der Geophysik fällt die Konstruktion eines Kupferheizrings, der dazu verwendet wird, Gesteinsproben zu erhitzen und gleichzeitig den Magnetismus der Materie zu messen. In der Mineralogie wird die Konstruktionssoftware eingesetzt, um Kristallzüchtungsanlagen zu erstellen. Hoch dichte Vakuumkammern mit einem Druck von bis zu 10–11 bar sind eines der Einsatzgebiete der Software für die Kristallographie. Diese Vakuumkammern werden verwendet, um Messungen an Kristallstrukturen durchzuführen und dabei jegliche Störfaktoren wie beispielsweise Luftfeuchtigkeit oder Sauerstoff auszuschließen.

Besondere Aufmerksamkeit genos ein Projekt, dass Anfang 2005 in München fertiggestellt wurde. Paul Hix, Doktorand des Departments, und Thilo Bellinger, Auszubildender der Feinmechanik, verwirklichten ein Rastertunnelmikroskop, das ihnen den mit 5000 € dotierten Bayerischen Staatspreis einbrachte. Das Mikroskop, dessen integrierte feine Wolframnadel durch Elektronensprünge die Struktur einer Oberfläche abtastet, ist für den Einsatz in der Schwerelosigkeit bestimmt. Diese Mikroskope dienen der Atombeobachtung, genauer der Untersuchung atomarer Organisationen. Um eine Oberflächenanalyse durchführen zu können, wird der Abstand zwischen der Nadel und der Oberfläche mithilfe eines Tunnelstroms von wenigen nA in einem Rasterverfahren gemessen und daraus ein Abbild der Oberfläche mit atomarer Auflösung erzeugt.

„Wir hatten das Ziel, ein bedienungsfreundliches und hoch leistungsfähiges Mikroskop für den Einsatz im Weltall zu bauen“, sagt Paul Hix. „Vor allem die Entwicklung der Spezialaufhängung und der damit verbundenen Arretierungsmechanik wäre ohne den Einsatz der 3D-Software von Solidworks im gegebenen Zeitrahmen nicht möglich gewesen. Auch die Möglichkeit, Detaillösungen zu visualisieren und gemeinsam zu besprechen hat viel dazu beigetragen das Projekt reibungslos zu verwirklichen.“

Nachdem Hix die Idee des Mikroskops, basierend auf Entwürfen seines Doktorvaters Professor Dr. Heckl, konstruiert hatte, setzte Bellinger mit Unterstützung seines Ausbilders Hesberg das Mikroskop in ein reales Modell um, das für Versuche einsetzbar ist. Im März wurde das Mikroskop der Öffentlichkeit auf der Internationalen Handwerksmesse in München vorgestellt. Während der Messe erhielten Hix und Bellinger auch den Staatspreis für besondere technische Leistungen im Handwerk überreicht.

Solidworks 2006 KEM 576

Cosmos 2006 KEM 577

So funktioniert ein Rastertunnelmikroskop