Zwischen der Entdeckung der Röntgenstrahlen und den Arbeiten, die Forscherinnen und Forscher heute dazu durchführen, liegen 125 Jahre. Das Fraunhofer IIS feiert das Jubiläum mit Weiterentwicklungen einer Vielzahl von praktischen Anwendungen der Computertomographie. Entwicklungen, die die Industrie, aber auch Polizei oder Historiker unterstützen. Im Interview gibt IIS Chief Scientist Dr. Theobald Fuchs einen Überblick über die Fortschritte und über aktuelle Forschungsbereiche am Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT.

Hallo Herr Dr. Fuchs, glücklicherweise konnte man auch vor 150 Jahren schon studieren, ohne das Abitur bestanden zu haben …

Das gilt unter anderem auch für Wilhelm Conrad Röntgen! Er hätte sonst weder Maschinenbau studieren, noch in Würzburg die Röntgenstrahlung entdecken, noch den Physiknobelpreis gewinnen können.

Dann hätten wesentliche Entwicklungen etwa zur medizinischen Diagnostik oder generell zum Einblick in Objekte und den dort stattfindenden Prozessen nicht stattgefunden. Dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS würde also ein bedeutender Forschungsschwerpunkt fehlen.

So einfach ist es nicht. Denn die Entdeckung der Röntgenstrahlung hängt meiner Ansicht nach nicht zwingend von einer Person ab. Ihre Entdeckung ist eine Frage der Zeit gewesen und die Zeit vor 125 Jahren war reif dafür. Das liegt vor allem an zwei technologischen Trends damals: Zum einen der Fotografie, denn durch lichtempfindliche Filme wurde Röntgenstrahlung erstmals sichtbar. Und zum anderen durch eine Vielzahl von Experimenten mit Kathodenstrahlen und Vakuumröhren, aus denen dann die Röntgenröhre entwickelt wurde. Und was unser Institut anbetrifft: Es gibt natürlich auch andere, für die Forschung hochinteressante Strahlungen im elektromagnetischen Spektrum. Dazu gehört etwa die Wärmestrahlung, deren Anwendung auch noch nicht vollständig ausgereizt ist. Für das IIS gäbe es also auch jenseits unserer Forschungen zur Anwendung von Röntgenstrahlen viel zu tun. Zumal unser Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT hier in Fürth nur einen von mehreren Forschungsbereichen des IIS abdeckt. Denken Sie etwa an unseren Bereich »Audio und Medientechnologien« oder das weite Feld der »kognitiven Sensorik«, auf dem wir arbeiten.

In all diesen Bereichen arbeiten Sie anders als Forscher wie Röntgen, Siemens oder Tesla damals.

Natürlich hat sich viel geändert. Männer und Frauen, die Forschungsfelder erschließen, von deren Bedeutung vorher noch niemand etwas geahnt hat, sind kaum noch auszumachen. Heute steht das gemeinsame und interdisziplinäre Arbeiten im Vordergrund. Ideen aus der einen Ebene werden in die andere eingespeist und umgekehrt.

Sie arbeiten nicht mehr nach dem Zufallsprinzip. Röntgens Entdeckung am 8. November 1895 ist letztlich nur einem zufällig gesehenen Lichtschimmer seines Leuchtschirms und seinem Interesse an Fotografie zu verdanken.

Richtig. Wir versuchen den Zufall quasi auszuschalten. Forscherinnen und Forscher arbeiten heute deutlich zielgerichteter. Sie probieren nicht einfach und schauen, was passiert. Zumindest ist das die Regel. Wir forschen derzeit unter anderem daran, wie das Röntgen an sich ergänzt werden kann: durch neue Materialien beispielsweise für Röntgenquellen oder durch neue Elektronik für unsere Röntgenkamera. Oder durch neue Prozessoren und Prozessortechniken aus der Computertechnologie für unsere Bildrekonstruktion. Oder durch Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen. Ziel ist es, Röntgenparameter automatisch sinnvoll einstellen zu lassen und verschiedenartige, aussagekräftige Bilder zu generieren. Mittlerweile beschäftigen wir uns auch mit Quantencomputern. All das würde nicht funktionieren, wenn wir einfach losfahren und schauen, wo wir ankommen. Wir arbeiten mit Landkarten, an denen wir uns orientieren.

Gibt es am Fraunhofer IIS Forschungsprojekte mit Röntgenstrahlen, die eine besondere Faszination auf Sie ausüben?

Es gibt zwei Kategorien: Zum einen Projekte, die die Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten unserer Röntgenapparate praktisch demonstrieren. Und zum anderen Experimente, die die Grenzen dessen verschieben, was bislang bildgebungstechnisch möglich war.

Beginnen wir mit dem Augenscheinlichen …

Für das Germanische Nationalmuseum in Nürnberg haben wir beispielsweise das Innenleben von historischen Trompeten, Streichinstrumenten und Flöten erforscht. Unsere Computertomographien an historischen Objekten sind vor allem für Restauratoren wichtig, um Beschädigungen im Aufbau der alten Artefakte zu erkennen. Im Projekt »Musical Instrument Computed Tomography Examination Standard« haben wir über hundert historisch bedeutsame Instrumente dreidimensional abgebildet und aufgrund dieser Erfahrungen Richtlinien zum Scan von Musikinstrumenten ausgearbeitet.

Durch einen XXL-Scan der Me163 Messerschmitt konnten unter anderem wichtige Details über den historischen Aufbau dieses raketengetriebenen Abfangjägers ans Tageslicht gebracht werden. Bild: Fraunhofer IIS, EZRT, Deutsches Museum

Sie arbeiten öfter mit Museen zusammen?

Natürlich. Die Röntgentechnologie ermöglicht es als einzige, kulturhistorische Güter zu analysieren, ohne sie auseinanderzubauen oder gar zu beschädigen. Durch einen XXL- Scan eines kompletten Flugzeugs, der Me163 Messerschmitt, aus der Sammlung des Deutschen Museums in München haben wir unter anderem wichtige Details über den historischen Aufbau dieses raketengetriebenen Abfangjägers ans Tageslicht gebracht.

Ein weiterer XXL-Scan hat Sie nach Norden geführt.

Dabei ging es um die Kontrolle von Seefrachtcontainern. In den Häfen rund um den Globus werden zwar schon seit langer Zeit zweidimensionale Röntgenbilder der eintreffenden Schiffsladungen erstellt, natürlich auch in Bremen oder Hamburg. Nun soll aber auch eine von uns entwickelte 3D-Technik zum Einsatz kommen. Damit können Polizisten und Zöllner auch kleine Objekte im Inneren der Container gut sichtbar machen. Ein Container lässt sich jetzt sogar digital entladen, um Inhalte Stück für Stück zu durchleuchten. Das ist ein entscheidender Vorteil im Kampf gegen Schmuggler. Ein anderer Einsatz, dem unsere Forschungen zugrunde liegen, ist die Inspektion von industriellen Massenprodukten, beispielsweise von sicherheitsrelevanten Aluminiumbauteilen für Fahrzeuge. Eine der typischen Fragen dabei: Haben die Teile die nötige Festigkeit, um nachweislich straßentauglich zu sein?

... oder aber: Was muss verbessert werden? Sie analysieren auch Elektrofahrzeuge nach einem Crashtest.

Das ist ein derzeit sehr wichtiges Arbeitsfeld. Bisher mussten die Entwicklungsingenieure der Fahrzeughersteller Wracks zeitaufwändig zerlegen, um verformte Strukturen analysieren zu können. Durch die zerstörungsfreie Röntgenprüfung, die wir am EZRT durchführen, lassen sich erstmals Strukturen und Materialien begutachten, die bislang nicht ohne Weiteres zugänglich waren – unter anderem das Batteriemodul eines Elektroautos.

Über die praktische Anwendung hinaus erweitern Sie Schritt für Schritt die Einsatzmöglichkeiten der Röntgenstrahlung.

Ja, das ist die zweite Kategorie. Dazu gehört zum Beispiel eine Maschine zur Computertomografie von Beton, die wir gemeinsam mit Partnern entwickeln. Damit werden sich auch umfangreiche Bauteile aus Stahlbeton überprüfen lassen. So erkennen wir Korrosionen des Materials beispielsweise in alternden Gebäuden, Brücken oder Tunneln. Parallel dazu wollen wir schneller werden, um in 3D auch bewegliche Objekte untersuchen zu können. Denken Sie an die Vorgänge im Inneren bei laufenden Motoren. Und wir wollen – ebenfalls gemeinsam mit Partnern – Veränderungen etwa beim Aufschäumen von Lebensmitteln oder beim Erstarren von Kunstfaserwerkstoffen live beobachten und auswerten. Ein anderes Beispiel ist das Beobachten des Wachstums von Kartoffeln, während sie in der Erde stecken. Das hat so noch niemand sichtbar gemacht. Es gibt eine Vielfalt von Anwendungen, die unsere und andere Fachrichtungen auch in den kommenden Jahren noch bedeutend weiterbringen werden.

Das Institut nutzt also nicht ohne Grund das Hashtag »125JahreNeueEinsichten«, um das aktuell laufende Röntgenjahr zu feiern.

Das Motto soll nicht nur die Entdeckung der Röntgenstrahlen an sich in den Vordergrund rücken, sondern eben auch die Weiterentwicklungen innerhalb der vergangenen 125 Jahre.

Verdeutlichen soll das auch ein Röntgenmobil, dass Sie auf Tour schicken.

Zumindest, soweit es die Corona-Bedingungen zulassen. Wir sind leider deutlich reduzierter unterwegs, als wir das gewünscht und geplant hatten. Trotzdem aber können wir immer wieder an Veranstaltungen vor allem für Wissenschaftler und Forscher teilnehmen, um mit dem Röntgenlabor auf vier Rädern praktische Anwendungen und Forschungsaufgaben vor Ort zu demonstrieren. Schließlich ist das Wissen über Röntgenstrahlen und ihre Anwendung auch 125 Jahre nach der Entdeckung bei Weitem nicht ausgereizt.

(aku)

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