Reibungsuntersuchungen für den problemlosen Betrieb von Magnetresonanztomographen

Im Innern des Tomographen werden aber sehr starke Magnetfelder erzeugt. Die damit verbundenen Kräfte führen beim Hochfahren des Systems zu Bewegungen und damit auch zu Reibung, die durchaus Probleme bereiten kann. An der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung gibt es ein ganzes Fachgebiet, das sich mit Tribologie, also mit Reibung, Verschleiß und Schmierung beschäftigt.

Die Reibungsexperten der BAM wurden deshalb von der Industrie beauftragt, daran zu forschen, wie man diese durch Reibung verursachten Probleme vermindern kann und zwar bei sehr tiefen Temperaturen.

In Zusammenarbeit mit der Firma „Siemens Magnet Technology“, welche solche MRT entwickelt und herstellt, und dem Tieftemperaturlabor der FU Berlin haben die Tribologen verschiedene Materialkombinationen ausprobiert und in ihren speziellen Apparaturen auf ihre Reibungseigenschaften untersucht. Bei den Apparaturen handelt es sich um weltweit einzigartige Tieftemperatur-Tribometer. Die Ergebnisse zeigen, dass die beim ersten Hochfahren der Magnetspule, dem so genannten Training, auftretenden reibungsbedingten Probleme durch optimierte Materialkombinationen reduziert, wenn nicht sogar beseitigt werden können. Warum das so wichtig ist, und welche Folgen und Kosten plötzlich auftretende Reibung haben kann, dafür muss man ein wenig ausholen und einen Blick in die Technik eines MRT werfen.

Die Magnetresonanztomographie ist ein medizinisches Routine-Verfahren, das Mediziner in die Lage versetzt, innere Strukturen detailreich sichtbar zu machen, um so zwischen verschiedenen Geweben innerhalb des Körpers unterscheiden zu können. Der Umgang mit diesen Geräten in Krankenhäusern ist so allgegenwärtig, dass man leicht die Komplexität und anspruchsvolle Technologie unter der Hülle der „Röhre“ aus den Augen verliert. So kann zum Beispiel das für das Verfahren notwendige Magnetfeld bis zu 30.000-mal stärker als das der Erde sein.

Um so ein kräftiges und homogenes Magnetfeld erzeugen zu können, braucht man spezielle Magnete. Zum Einsatz kommen supraleitende Materialien aus Niob-Titan. Dies sind Stoffe, die keinen elektrischen Widerstand haben. Dadurch wird es möglich, dass in den supraleitenden Spulen sehr hohe Ströme ohne Widerstand und damit ohne Wärmeentwicklung fließen.

Das Problem ist, dass solche Materialien stark abgekühlt werden müssen, damit sie die supraleitenden Eigenschaften erhalten. Dies erreicht man durch Kühlung mit flüssigem Helium, wodurch die Magnete bei einer Temperatur von nur +4 Kelvin über dem absoluten Nullpunkt von -273°C (oder 0°K) betrieben werden können. Dabei ändern sich aber auch andere Materialeigenschaften, wie zum Beispiel die Wärmekapazität, mit der Folge, dass „bereits bei kleinsten Bewegungen und mechanischen Störungen so viel Reibungswärme entsteht, dass die kritische Temperatur des Supraleiters überschritten wird“, beschreibt der BAM-Physiker Thomas Gradt das Problem. Und wenn man das System – also das Magnetfeld hochfährt – bewirken die entstehenden elektromagnetischen Kräfte eine unvermeidbare Bewegung zwischen der Spule und ihrer Stützstruktur. Durch die Überschreitung einer bestimmten (der kritischen) Temperatur entsteht dann eine normalleitende Zone mit einem elektrischen Widerstand. Die Folge ist Wärme – ähnlich wie bei einer Glühlampe – das System heizt sich weiter auf. Die Wissenschaftler nennen dies „Quench“. „Dies hat ein schlagartiges Verdampfen des Kältemittels Flüssighelium zur Folge, welches nicht nur extrem teuer, sondern auch zunehmend schwer zu beziehen ist“, erläutert Gradt.

Um diese Ursache für einen Quench beim ersten Hochfahren einer supraleitenden Magnetspule weitgehend zu beseitigen, ist es notwendig, das Reibverhalten der beteiligten Werkstoffe zu optimieren. Diesem Ziel sind die Tribologen der BAM mit ihren Untersuchungen ein ganzes Stück näher gekommen.

Kontakt:
Dr. rer. nat. Thomas Gradt
Abteilung 6 Materialschutz und Oberflächentechnik
E-Mail: thomas.gradt@bam.de