Ein Abschied vom Teilchenbeschleuniger, der das Baby meines Vaters war

Letzte Woche begannen Techniker des Argonne National Laboratory mit der Demontage eines Teilchenbeschleunigers namens Advanced Photon Source (APS), eines 1,1 Kilometer großen Rings, der seit 1995 als eine der hellsten Röntgenquellen der Welt gilt. Es ist noch lange nicht das Ende der Einrichtung, die jährlich fast 6000 Wissenschaftler aus unzähligen Fachgebieten betreut. Innerhalb eines Jahres werden die Arbeiter den Elektronenbeschleuniger durch einen neuen ersetzen, der die Intensität der vom APS ausgegebenen Röntgenstrahlen um den Faktor 500 steigern wird. Eine große wissenschaftliche Einrichtung wird erneuert. Das ist nicht ungewöhnlich.

Bei mir persönlich ruft die Demontage des Original-APS jedoch starke Emotionen hervor. Mein Vater, Yanglai Cho, war ein Beschleunigerphysiker, der seine gesamte Karriere bei Argonne, einem Labor des Energieministeriums (DOE) außerhalb von Chicago, verbrachte. Vor vierzig Jahren leitete er das kleine Team, das den Konzeptentwurf für die Maschine ausarbeitete. In meinen Augen war es sein Baby. Als mein Vater 2015 im Alter von 82 Jahren starb – vier Jahre nach einem verheerenden Schlaganfall –, tröstete mich der Gedanke, dass er in diesem Beschleuniger weiterlebte. Jetzt wird es auch verschwunden sein.

Ich war ein Teenager, als mein Vater Anfang der 1980er Jahre begann, über das Beschleuniger nachzudenken. Ich habe ihn sehr geliebt, aber wie viele Menschen hatte ich eine komplizierte Beziehung zu meinem Vater. Er könnte tyrannisch und fordernd, egozentrisch und distanziert sein. „Es ist mir egal, was du tust, solange du der Beste darin bist“, sagte er immer zu mir oder einem meiner beiden Brüder und ließ uns dann alleine zappeln. Damals war die APS dieses mysteriöse Ding, das seine Zeit und seinen Geist beschäftigte.

Ich folgte meinem Vater in die Physik und erlangte schließlich einen Doktortitel. Mein Weg führte mich jedoch in den Wissenschaftsjournalismus. In den letzten 20 Jahren habe ich über viele große wissenschaftliche Einrichtungen geschrieben, von Atomzertrümmerern und Gravitationswellendetektoren bis hin zu Röntgenlasern und Neutronenquellen. Ich habe noch nie etwas gebaut, aber ich habe ein paar Dinge darüber gelernt, was nötig ist, um diese oft erstaunlichen Maschinen herzustellen. Und das hat mir geholfen, meinen Vater besser zu verstehen.

„Er war ein hervorragender und visionärer Beschleunigerphysiker und er hat viele große Maschinen in Argonne und anderswo umgestaltet“, sagt ein ehemaliger DOE-Beamter, der immer noch als Berater für die Agentur tätig ist und daher darum gebeten hat, nicht genannt zu werden. „Er war auch ein wunderbarer Kollege und Lehrer.“ Nachdem ich so oft mit meinem Vater in Konflikt geraten bin, wundere ich mich über diese letzte Einschätzung. Doch wenn ich über seine Arbeit nachdenke, wird mir bewusst, wie ein südkoreanischer Einwanderer mit starkem Akzent und feurigem Temperament in einem ungewöhnlichen und anspruchsvollen Bereich erfolgreich sein kann.

Wie die anderen 70 Röntgensynchrotrons auf der ganzen Welt verwandelt das APS das, was einst lästig war, in eine leistungsstarke Ressource für die Untersuchung von Materialien. Es beschleunigt Elektronen in einer langen Vakuumröhre auf hohe Energie und nahezu Lichtgeschwindigkeit, während Magnete sie durch den Ring lenken. Der zirkulierende Elektronenstrahl strahlt Röntgenstrahlen aus, genau wie ein nasser Waschlappen, der über dem Kopf herumgewirbelt wird, Wassertröpfchen schleudert. Diese Synchrotronstrahlung verbraucht die Energie der Elektronen. Als Beschleuniger nur für Experimente in der Teilchenphysik gebaut wurden, war dies eine unvermeidbare Verschwendung.

In den 1960er Jahren begannen Wissenschaftler, die Röntgenstrahlung von Elektronenbeschleunigern zu nutzen, um Materialien beispielsweise durch Messung ihrer Absorptionsspektren zu untersuchen. Die ersten großen dedizierten Quellen entstanden im folgenden Jahrzehnt. Die APS führte eine Welle größerer, energiereicherer Quellen der dritten Generation an, zusammen mit der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankreich, und der SPring-8-Anlage in Hyogo, Japan. Im Vergleich zu früheren Quellen erzeugte die Argonne-Maschine kompaktere Elektronenstrahlen, die weitaus intensivere Röntgenstrahlen erzeugten. Es drang auch in den Bereich harter Röntgenstrahlen vor, also solche mit Wellenlängen von weniger als 0,1 Nanometern, die sich ideal zur Untersuchung der atomaren Struktur eines Materials eignen. Es füllte seine Elektronen nicht alle 12 Stunden, sondern alle 30 Sekunden auf, wodurch die Intensität der Röntgenstrahlen stabil blieb.

Ganz praktisch hat das APS dazu beigetragen, die Zuverlässigkeit von Röntgenquellen zu revolutionieren, sagt David Moncton, ein Physiker am Massachusetts Institute of Technology, der von 1987 bis 2001 stellvertretender Laborleiter von Argonne für das APS war. Früher arbeiteten hartnäckigere Maschinen zwischen 50 und 50 % und 75 % der verfügbaren Zeit, was die Beamten verärgert, die versuchen, die Benutzer einer Einrichtung einzuplanen. Das APS hat diesen Zuverlässigkeitsfaktor auf 99 % erhöht, sagt Moncton. „Wenn Sie nur Geräte kaufen, sie zusammenbauen und die Daumen drücken, werden Sie nicht mit einer Maschine enden, die 99 % der Zeit leistet.“

Solche Eigenschaften haben die APS zu einer Entdeckungsschrift gemacht. Am auffälligsten ist vielleicht, dass es und andere Röntgensynchrotrons der dritten Generation die Untersuchung der Struktur und Funktion von Proteinen und anderen Biomolekülen revolutioniert haben, sagt Helen Berman, Strukturbiologin an der Rutgers University und Mitbegründerin der globalen Protein Data Bank (PDB). Bevor Strukturbiologen Moleküle mit Röntgenstrahlen untersuchen können, müssen sie diese kristallisieren – eine mühsame Aufgabe. Berman sagt, dass das APS und andere Quellen der dritten Generation „die Möglichkeit boten, Daten mit einer sehr intensiven Röntgenquelle zu erfassen und viel kleinere Kristalle zu verwenden“.

Von den 201.000 Proteinstrukturen im PDB stammen 72 % aus Röntgensynchrotrons. Davon stammen 30.466 vom APS – 51 % des Ertrags von US-Synchrotrons. Daten des APS trugen dazu bei, zwei Nobelpreise für Chemie zu gewinnen – 2009 für Studien zur Funktion und Struktur des Ribosoms, der Proteinherstellungsmaschinerie der Zelle; und im Jahr 2012 für Studien zu Zellmembranproteinen, sogenannten G-Protein-gekoppelten Rezeptoren. Das APS half dabei, die Struktur des SARS-CoV-2-Virus, das COVID-19 verursacht, zu bestimmen und Paxlovid zu entwickeln, ein Medikament zu seiner Behandlung.

Das APS unterstützt viele andere Arten von Arbeiten, wie ich letzten Monat gesehen habe, als ich durch die weitläufige, tunnelartige Experimentierhalle gelaufen bin. In den 68 experimentellen Endstationen der Anlage analysieren Wissenschaftler die Quanteneigenschaften magnetischer Materialien, entwickeln biologisch inspirierte Klebstoffe und untersuchen sogar, wie sich die Struktur von Blei-Säure-Batterien im atomaren Maßstab während des Betriebs verändert – eine Studie, die durch die Intensität von ermöglicht wird die Röntgenbilder des APS.

All dies war ein Glanz in den Augen der Wissenschaftler, als mein Vater anfing, über den Beschleuniger nachzudenken – den er Phoebus nennen wollte, nach dem griechischen Gott der Sonne. 1983 half er bei der Reparatur eines defekten kleineren Röntgensynchrotrons namens Aladdin an der University of Wisconsin-Madison, als ein Prüfgremium einen Bericht veröffentlichte, in dem er sich für eine größere Quelle für harte Röntgenstrahlen aussprach. Mein Vater saß im Aladdin-Kontrollraum, las den Bericht und stürmte dann zurück nach Argonne, um die Labormitarbeiter zu drängen, die Forschung und Entwicklung der Maschine zu finanzieren, und darauf zu drängen, dass Argonne die Maschine beherbergt, sagt Moncton.

Das Labor brauchte dringend ein solches Projekt. Es hatte einst ein florierendes Teilchenphysik-Programm gegeben, was meinen Vater angezogen hatte. Doch 1979 schaltete Argonne seinen Protonenbeschleuniger ab, der durch einen viel größeren, neuen im 50 Kilometer entfernten Fermi National Accelerator Laboratory ersetzt worden war. „Das Labor kämpfte um eine Mission“, sagt Moncton. „Yang dachte sofort, dass dies ein potenziell gutes Projekt sei und dass es die Größe habe, um das Labor in seine Zukunft zu führen.“

Das Projekt gab meinem Vater auch etwas, das er persönlich brauchte. Wie die meisten von uns war er ein Durcheinander aus nicht zusammenpassenden Puzzleteilen. Er könnte in einem Moment gereizt und im nächsten lächerlich übertrieben sein. Meine Eltern hatten sich scheiden lassen, als ich jung war, dennoch war er ständig präsent und ließ sich nach Belieben in das Haus unserer Mutter ein. Als Kind war er an Kinderlähmung erkrankt und hatte ein verkümmertes Bein. Trotzdem ging er gerne mit uns zum Bowlen, auch wenn er manchmal stürzte. Er ging gern zum Mittagessen aus und mochte seltsamerweise John Wayne-Filme. Aber insgesamt schien er nach der Scheidung unglücklich zu sein.

Die kühne, intensive Anstrengung, die neue Maschine zu entwerfen, belebte ihn. Das Team bestand aus meinem Vater; Gopal Shenoy, ein Materialwissenschaftler in Argonne, der 2017 verstorben ist; und ein Dutzend andere. Auf einem Auswahltisch in der Argonne-Cafeteria brachte mein Vater ein Schild mit der Aufschrift „Reserviert für APS-Mitarbeiter“ an – und ersetzte es, als die Cafeteria-Mitarbeiter es wiederholt entfernten. Im Jahr 1985 stürmte das Football-Team Chicago Bears zur Meisterschaft. Papa brachte einen Fernseher mit, damit die Forscher sonntags bei der Arbeit die Spiele im Auge behalten konnten.

Das Team brauchte drei Jahre, um den Konzeptentwurf fertigzustellen. Was genau mein Vater getan hat, bleibt mir ein wenig rätselhaft. Als Beschleunigerphysiker verstand er, wie Elektronen auf Radiowellen surfen, um Energie zu gewinnen, Magnetfelder diese Teilchen fokussieren, Resonanzen einen Strahl auslöschen können und Synchrotronstrahlung selbst die Elektronen herumwirbelt. Aber er musste dieses Wissen in ein praktikables Design umsetzen. Sein Team spezifizierte die unzähligen Parameter, die das APS definierten: die Strahlenergie, den Radius des Rings, die Anzahl der Elektronenpakete im Strahl, die Anordnung der Magnete, die Frequenz der Radiowellen usw.

Das erste Ziel bestand darin, einen möglichst kompakten Elektronenstrahl zu erzeugen, der dann die hellsten Röntgenstrahlen abstrahlen würde, sagt John Galayda, ein Beschleunigerphysiker, der am APS gearbeitet hat. Auch der Balken könne sich nicht bewegen, sagt er. Ein winziger Elektronenstrahl strahlt einen winzigen Röntgenstrahl aus, der winzige Proben untersuchen kann – vorausgesetzt, er trifft das Ziel konstant. Schließlich musste die Maschine möglichst zuverlässig laufen.

Maschinenkonstrukteure müssen ein empfindliches Gleichgewicht finden. Das Design darf nicht so ehrgeizig sein, dass die Maschine nicht gebaut werden kann. Aber es kann nicht so vorsichtig sein, dass es lediglich das reproduziert, was bereits existiert. Ein Entwurf enthält also immer Elemente, von denen die Bauherren noch nicht wissen, wie sie sie herstellen sollen. „Jede Einrichtung, an der ich beteiligt war – das waren schon viele –, war einzigartig, die erste ihrer Art“, sagt der ehemalige DOE-Beamte. „Und das bedeutet, dass es enorme technische Probleme gibt, die noch nicht gelöst sind.“

Anscheinend war mein Vater gut darin zu erkennen, was mit Mühe erreicht werden konnte. „Er schaute sich an, was andere Projekte machten, nutzte es und machte es besser“, sagt Marion White, Beschleunigerphysikerin bei Argonne und Witwe meines Vaters. „Da war er unglaublich gut.“

Natürlich muss ein Projektleiter auch Menschen führen. Und da hatte mein Vater zu kämpfen. Sein autokratischer Stil funktionierte schon früh, als das Projektpersonal aus wenigen selbstgewählten Personen bestand. Es verlor an Effektivität, da die Bemühungen formeller wurden und sich auf Hunderte von Menschen ausweiteten. „Er hielt ein Meeting ab und danach kamen Leute in mein Büro und sagten: ‚Ich kann es nicht mehr ertragen‘“, erinnert sich Moncton. Als die Bauarbeiten 1991 in vollem Gange waren, löste ein Physiker namens Ed Temple meinen Vater als Projektleiter ab.

Mein Vater blieb jedoch weiterhin tief in das Projekt involviert. Er war Vorsitzender des Ausschusses, der jede Änderung des endgültigen Entwurfs genehmigen musste. „Da würde er ziemlich hart sein“, sagt Galayda. „Ich denke, er betrachtete es als einen kontradiktorischen Prozess.“ Wie bei jeder Maschine mussten einige mehr oder weniger schmerzhafte Änderungen vorgenommen werden. Dennoch lag die APS mit 467 Millionen US-Dollar im Rahmen des Budgets und über dem Zeitplan.

Für mich kam es so vor, als hätte mein Vater seine Finger in nahezu jeden Aspekt der Einrichtung gesteckt. Beispielsweise weist der 90.000 Quadratmeter große Betonboden des APS keine Dehnungsfugen auf. Laut Moncton hatten die Bauunternehmer darauf gedrängt, sie einzubeziehen, um zu verhindern, dass der Boden reißt, aber das Planungsteam bestand darauf, dass die Stabilität des Bodens wichtiger sei als oberflächliche Risse. Ich erinnere mich, wie mein Vater beim Mittagessen über die Feinheiten von Betonböden sprach.

Jetzt zerlegen Arbeiter die Maschine ihres Vaters, um sie durch ein Design der „vierten Generation“ zu ersetzen. Die neue Maschine wird den Strom im Ring auf 200 Milliampere verdoppeln. Noch wichtiger ist, dass sein Elektronenstrahl noch kompakter sein wird, sagt Jim Kerby, Maschinenbauingenieur bei Argonne und Direktor des 815-Millionen-Dollar-Projekts. Der Strahl des ursprünglichen APS war 10 Mikrometer hoch und 275 Mikrometer breit. Der Strahl des neuen APS wird 3 Mikrometer hoch und 15 Mikrometer breit sein – weniger als die Breite eines menschlichen Haares.

Dieses subtile Schrumpfen hängt von einem wesentlichen Unterschied zwischen den beiden Maschinen ab, sagt Kerby. Beim alten APS war der Strahl immer nach innen, nach rechts gebogen. Im neuen Design wird es gelegentlich nach außen, nach links, gebogen. Diese Knicke führen zu einer neuen Dynamik, die den Balken schrumpft – ein Ansatz, der erstmals in der MAX IV-Anlage in Schweden entwickelt und bei einem im Jahr 2020 abgeschlossenen Umbau des ESRF eingesetzt wurde.

Das Vorhaben erfordert einen fast völlig neuen Beschleuniger. Die Arbeiter werden die ursprünglichen APS-Magnete durch 1321 neue ersetzen und das gesamte Vakuumsystem austauschen. „Wir tauschen im Wesentlichen den gesamten Ring aus“, sagt Kerby. Die Umstellung wird nur 1 Jahr dauern. „Es war schon immer ein Ziel des Projekts, die Ausfallzeit so kurz wie möglich zu halten“, sagt Kerby. Bis dahin wird die Maschine meines Vaters eine Erinnerung sein.

Aber mein Vater selbst dachte schon vor dem Einschalten des APS an neue Maschinen. In den späten 1990er Jahren begann das Oak Ridge National Laboratory mit dem Bau der Spallations-Neutronenquelle (SNS), die einen Protonenstrahl auf ein Quecksilbertarget schickt, um Neutronen für die Untersuchung von Materialien zu erzeugen. „Das Projekt hatte Schwierigkeiten und das US-amerikanische Gesundheitsministerium hätte es fast abgesagt“, sagt Thom Mason, Direktor des Los Alamos National Laboratory, der von 2001 bis 2008 SNS-Projektleiter war. Moncton, White, mein Vater und andere gingen nach Oak Ridge, um zu helfen.

„Mein Vater leitete das Team, das eine wichtige Designänderung vornahm“, sagt Mason. Der ursprüngliche Plan für das SNS sah einen konventionellen Linearbeschleuniger aus Kupfer-Beschleunigungshohlräumen vor. Das Team wechselte zu einem neuartigen Design mit Hohlräumen aus supraleitendem Metall, das energieeffizienter, zuverlässiger und flexibler sein sollte. „Das Ergebnis war, dass wir den ersten supraleitenden Protonenbeschleuniger anstelle des letzten normalen gebaut haben“, sagt Mason.

Mein Vater war Berater bei Beschleunigerprojekten in Südkorea, Deutschland, Japan und anderswo und fand seine Nische in der seltsamen Gemeinschaft wissenschaftlicher Maschinenbauer. Er war bettelarm im heutigen Südkorea aufgewachsen, das damals von Japan besetzt war. Mit 24 Jahren kam er in die USA und kehrte 17 Jahre lang nicht nach Hause zurück. Ob aufgrund kultureller Unterschiede, seiner Behinderung oder seines Temperaments, oft war er ein Außenseiter.

Allerdings nicht, wenn er unter seinen Kollegen war. Das glücklichste, was ich je gesehen habe, war mein Vater, als er mit seinen Enkelkindern spielte. Einen knappen zweiten Platz belegte er, als er mit seinen Kollegen herumbummelte. Zumindest einige von ihnen genossen auch seine Gesellschaft. „Für mich war die Zusammenarbeit mit Ihrem Vater eine wundervolle Erfahrung“, sagt Giorgio Margaritondo, Physiker an der EPFL, der ehemaligen Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne, der mit ihm bei Aladdin zusammengearbeitet hat.

Tatsächlich gelang es meinem Vater, eine Gemeinschaft zu finden, in der er nicht trotz seiner störrischen Persönlichkeit, sondern bis zu einem gewissen Grad gerade deswegen erfolgreich sein konnte. „Einen Beschleuniger zu bauen ist eine sehr komplexe Aufgabe mit vielen Teilaufgaben und viel Koordination usw., daher muss man die Sache fast auf militärische Weise betreiben“, sagt Margaritondo. „Es gibt ein Element, das absolut notwendig ist, damit jemand ein Anführer ist, nämlich Respekt. Ihr Vater hat sich wirklich den Respekt der Mitarbeiter abgezogen.“

Wenn ich an die Arbeit meines Vaters denke, wird mir auch klar, dass er und ich uns in einem wichtigen Punkt unterschieden. Als Physiker konnte ich es zum Teil aufgrund meines reflexiven Pessimismus nicht schaffen. Wenn ich mit einem komplexen Plan konfrontiert werde, neige ich zu der Antwort: „Das wird nie funktionieren.“ Im Gegensatz dazu hatte mein Vater das Selbstvertrauen, einen kaum vorstellbaren technischen Vorschlag in Teile zu zerlegen, die Hindernisse zu identifizieren und Wege zu finden, sie zu überwinden. „Er war der optimistischste Mensch, den ich je getroffen habe“, sagt White.

Aufgrund dieses Optimismus hat mein Vater dazu beigetragen, Einrichtungen zu schaffen, die es Tausenden von Wissenschaftlern ermöglicht haben, die Natur zum Nutzen von uns allen zu erforschen. Dieses Erbe ist weitaus weniger konkret, aber weitaus wichtiger als jeder einzelne Beschleuniger. Daran werde ich jetzt festhalten.