Energieführungssystem aus Stahl liefert den Strom für Tumortherapie-Anlage Ein Gigant rettet Leben - KEM

Energieführungssystem aus Stahl liefert den Strom für Tumortherapie-Anlage

Ein Gigant rettet Leben

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670 Tonnen und mehr als drei Stockwerke hoch ist eine Tumortherapiean- lage. Sie wird mit zwei etwa 15 Meter langen Energieführungen bewegt, die zusammen mehr als zwei Tonnen wiegen. Sie liefern damit nicht nur den Strom für die Anlage sondern helfen, Tumore frühzeitig zu entdecken und damit Leben zu retten.
Das Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) am Universitätsklinikum Heidelberg besitzt eine zum Teil unterirdische Hightech-Anlage. Sie hat eine Höhe von mehr als drei Stockwerken und erstreckt sich auf der Grundfläche eines knappen Fußballfelds. Darin werden Schwerionen auf bis zu drei Viertel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann zielgenau auf einen Tumor gelenkt. Es handelt sich um eine Therapieanlage zur Behandlung von Krebspatienten. Der Strahl lässt sich im dritten Behandlungsraum aus unterschiedlichen Richtungen im optimalen Behandlungswinkel auf den Patienten lenken. Dabei weicht er maximal einen halben Millimeter vom Ziel ab. Möglich wird dies durch eine aufwändige Konstruktion.
670 Tonnen und mehr als drei Stockwerke
Das bewegliche Strahltransportsystem mit Vakuumröhren namens „Gantry“ hängt auf einem komplizierten Gestänge, wie es auch für Radio-Astronomieteleskope verwendet wird. Dieser Gigant ist über drei Stockwerke hoch hat ein Gesamtgewicht von 670 t; 600 davon werden bewegt. Entwicklung, Konstruktion, Lieferung, Montage und Inbetriebnahme des Systems oblag der MT Mechatronics GmbH, Mainz, in Zusammenarbeit mit der Gesellschaft für Schwerionenforschung, Darmstadt. Zunächst wurden die Mainzer mit einer Studie zum Nachweis der physikalischen Bedingungen beauftragt, um den Inonenstrahl exakt führen zu können. Dieser ist in tonnenschweren Magneten gebündelt. Außerdem müssen beim Bau einer zukünftigen Konstruktion Kraft- und Temperatureinwirkungen exakt berücksichtigt werden. Es erfolgte der Bau des Gebäudes; dennoch zeichnete sich im Laufe der Projektrealisierung ein begrenzter Raum ab. Ein entsprechender Spielraum konnte durch konstruktive Modifikationen gefunden werden, aber eine große Herausforderung kam hinzu: die Energieführung. Und diese trägt schließlich dazu bei, dem Giganten für die Tumortherapie Leben einzuhauchen.
„Die Kabelführung zu realisieren, ist ein Prozedere, das oft unterschätzt wird“, so Martin Süß vom Systemengineering bei MT Mechatronics. Für die Heidelberger standen die typischen Anforderungen nach Ausrichtgenauigkeit der Strahlführung und Verstellgeschwindigkeit im Fokus. Als Erfinder der Energieführungskette kann Kabelschlepp Lösungen nach Maß anbieten und verfügt über jahrzehntelange praktische Erfahrung. Das weiß auch Klaus Scheidel aus dem Projektmanagement bei MT Mechatronics und Verantwortlicher für die Konstruktion der Gantry: „Für uns sind Erfahrung und Ideenreichtum entscheidend. Denn Anbieter mit diesen Qualitäten identifizieren sich mit dem Problem und sind engagiert bei der Lösungsfindung.“
Die Auswahl des Materials fiel auf Stahl
Andreas Wienbeck aus der Abteilung Projektierung + Konstruktion Energieführungssysteme bei Kabelschlepp hat das Gantry-Projekt begleitet. Anfangs geht man stets von einer definierten Anzahl zu verlegender Leitungen aus. Im weiteren Verlauf kommen allerdings viele Änderungen hinzu. Zu den ursprünglich vorgesehenen Leitungen kam eine Vielzahl hinzu. Am Schluss war ein Leitungsgewicht von 150 kg/m und Momente von bis zu 15 000 Nm aufzunehmen. Daher fiel die Auswahl auf Stahl. Stahlketten sind strahlungsresistent, ein wichtiger Aspekt im Betrieb der Anlage. Früh war klar, dass mehr Platz benötigt werden würde. Strahlungswärme am Außenmantel der Leitungen von über 70 °C war eine zusätzliche Herausforderung. Die Kabel drohten zu verkleben. In den Versorgungsleitungen für die Magneten fließen enorme Ströme. Um das System vor Überhitzung zu schützen, werden die Leitungen in Schläuchen mit Wasser gekühlt. Doch es zeigte sich, dass die Wärmeentwicklung dennoch recht hoch ist. Durch die Wärme werden die Kunststoffummantelungen der Leitungen weicher. Das führt zu stärkerer Reibung. Infolgedessen war die Relativbewegung der verlegten Kabel und Schläuche zueinander beeinträchtigt. Um einerseits weitere Leitungen unterzubringen und andererseits den thermischen Leitungen mehr Platz zum Ausgleich zu verschaffen, war zusätzlicher Kettenraum erforderlich.
Zwei Stahlketten übereinander mit Kunststoffkette
Zum begrenzten Raum für das Energieführungssystem kam hinzu, dass die Anlage mit Stabilisatoren in der Wand verankert ist. Ein rundlaufendes System kam also nicht in Frage. Daher wurde eine Trommel am Lager der Aufhängung der Anlage installiert. Daran ist die Energieführung eingehängt. Diese wird von einer Rechtskrümmung in eine Linkskrümmung übergehend an den Stabilisatoren vorbeigeführt. Darüber hinaus reichte die Breite der Kette nicht aus. Doch mehr Platz für Leitungen war nicht vorhanden.
Die Lösung bot Kabelschlepp mit dem Aufsatteln einer zweiten Stahlkette. Die Hightech-Anlage wird nun mit einer 15,25 m langen Stahlkette der Typenreihe S 2500 in 4-Band-Ausführung mit einem Krümmungsradius von 1395 mm, einer rückwärtigen Krümmung von 2360 mm und einem Leergewicht von 1375 kg betrieben. Darauf aufgesattelt wurde eine kleinere, 14,58 m lange Kette der Typenreihe 1800, ebenfalls in 4-Band-Ausführung, mit einem Krümmungsradius und einer rückwärtigen Krümmung von 1750 mm sowie einem Leergewicht von 732 kg. Damit die beiden Stahlketten exakt aufeinander gleiten, wurden die Kettenbänder mit Führungsblechen ausgestattet. Sowohl in der Ablage als auch in Bewegung haben beide Ketten zueinander Spiel, und auch der Ausgleich der Leitungen war mit dieser Lösung sichergestellt. Da das Kettensystem ganz verschiedene Arten von Leitungen mit unterschiedlichen Durchmessern aufnehmen muss, zeichnete sich ab, dass sich bei Rahmenstegabständen von 500 mm die vergleichsweise dünnen Messleitungen beispielsweise im Bewegungsablauf ausdrücken würden. Im Gegensatz zu den dickeren Elektroleitungen und Schläuchen mit Durchmessern von bis zu 83 mm sind sie nicht biegesteif genug. Wegen der Ausführung als Mehrbandkette und der erforderlichen Kettengröße ließen sich die Stegabstände jedoch nicht in kleinerer Teilung realisieren.
Kleine Steuerleitungen mit 10 mm Durchmesser würden zwischen den Stegen durchhängen und zerstört werden. Für eine zusätzliche, stabilisierende Auflage wurden daher biegeschwache Leitungen mit kleinen Durchmessern in Kunststoffketten verlegt. Diese wurden in der großen Stahlkette verbaut und so ein Durchhang der kleineren Leitungen dauerhaft ausgeschlossen.
Die in der Kette verwendeten Aluminiumstege bieten drei Vorteile:
  • 1. Sie bieten die erforderliche Stabilität.
  • 2. Aluminium ist ein guter Reibpartner für die aufliegenden Leitungen. Die Oberflächeneigenschaften des Werkstoffs reduzieren die Reibung der Leitungen. Der Verschleiß wird reduziert.
  • 3. Aluminium leitet die Wärme. Es nimmt die Wärme der aufliegenden Leitungen auf und gibt sie an die Luft ab.
Außerdem werden die Leitungen mit Wasser gekühlt. Schäden an der Isolation können zum Totalausfall des Systems führen und die Behandlung der Tumorpatienten unterbrechen. Neben den immensen Kräften, die an diesem Energieführungssystem wirken, gab es auch wegen der starken mechanischen Belastungen keine Alternative zu Stahlketten. Kunststoffe verändern unter diesen Bedingungen ihre Struktur; das verkürzt die Lebensdauer des Materials und somit die Standzeiten der Anlage. Und Wartungszeit an dem System bedeutet Wartezeit für die Krebspatienten.
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