Unsere Welt zu verstehen:  Antimaterie

 

 
Antimaterie — wie leicht produzierbar?

— hmsgnr0168z

 
 
Antimaterie ist vor allem für die Grundlagenforschung interessant: Zum Ausloten der Naturgesetze.
 
Dennoch gibt es auch recht wichtige praktische Anwendungen von Antimaterie:

 

• Beispiel 1: Untersuchung von Werkstoffen:
   
  Durch Bestrahlung mit Positronen lassen sich die Ermüdungserscheinungen von Metallen besser dignostizieren als mit anderen Verfahren. Konkret kommt das zum Einsatz bei der Überprüfung von Flugzeugturbinen. Der Vorteil hier: Höhere Flugsicherheit und Kosteneinsparung.
   
• Beispiel 2: Die Positronen-Emissions-Tomographie:
   
  Recht erfolgreich sind die Methoden SPECT und PET: Radioaktiv markierte Moleküle werden ins Blut gespritzt, wo sie Millionen von Positronen emittieren (positiver Beta-Zerfall). Damit lassen sich dann im Körper Tumore lokalisieren, aber z.B. auch molekulare Andockstellen für chemische Botenstoffe des Nervensystems.
   
  Selbst Blutfluss und Sauerstoffverbrauch im Gehirn lassen sich so gut verfolgen. Neurologen haben mit PET-Scans schon zahlreiche Hirnfunktionen und deren Wechselspiel lokalisieren können.
   
• Beispiel 3: Seit 2003 versucht man mit Antimaterie sogar Krebs zu bekämpfen (weltweit forscht man daran an mindestens schon 10 Instituten). Hoffnung machen Experimente mit Hamsterzellen, die gezeigt haben, dass bei Tumorzellen Antiprotonstrahlen eine 4-fach höhere Zerstörungskraft haben als Protonenstrahlen.

Was noch 1990 kaum vorstellbar war, ist Realität geworden:
 
 
Antimaterie kann heute — wenn auch nur in extrem kleinen Mengen — nicht nur produziert,
 
sondern auch gespeichert und manipuliert werden.
 
Mit "extrem kleinen Mengen" sind  M i l l i a r d s t e l  von Gramm gemeint — eine Menge,

 

• die kaum ausreichen würde, eine Glühbirne wenige Minuten leuchten zu lassen
   
• und deren Zusammenbringen mit Materie (zwecks Verstrahlung) nicht gefährlicher wäre, als ein Streichholz anzuzünden.

Mit der heute möglichen Antimaterie-Produktionsrate würde es 10.000-mal so lang dauern, wie unsere Universum alt ist, genügend zu bekommen, eine Bombe zu konstruieren, die mit einer einfach zu schaffenden Atombombe hinsichtlich Sprengkraft konkurrieren könnte.
 
Zudem ist Antimaterie schon allein von der Energiebilanz her waffentechnisch absolut uninteressant: Bei ihrer Zerstrahlung würde nämlich nur etwa 10-Milliardstel der zu ihrer Produktion nötigen Energie frei — und das, obgleich Annihilation (das gegenseitige Auslöschen von Materie und Antimaterie) der effizienteste Energielieferant ist, den die Natur kennt.
 
 
Die bisher ergiebigste Quelle von Antiprotonen sprudelte am Fermilab (in Chicago), wo man ab Juni 2007 monatlich etwa 10¹⁴ Antiprotonen gewann (rund 1.5 Milliardstel Gramm).
 
Zum Vergleich: Im CERN produziert man jährlich etwa 1/10 dieser Menge: nicht einmal genug, eine 40-Watt-Glühbirne 7 sec leuchten zu lassen.
 
Antiatome konnten erstmals 1995 (am CERN) erzeugt werden: Neun Antiwasserstoffatome mit einer Geschwindigkeit von 90% der des Lichts waren nachgewiesen worden als Resultat eines Prozesses, der Situationen schafft, in denen mit einer Häufigkeit von nur 1 zu 10¹⁹ so ein Atom entsteht.
 
Ein erstes Anti-Lithium-Atom zu produzieren gelang erst 2011. Es besteht aus 2 Antiprotonen, 2 Antineutronen und 2 Positronen.
 
 
Positronen in einer Penning-Falle einzusperren glückte erstmals 1984, Antiprotonen einzusperren war noch schwieriger, gelang aber 1986. Aber schon 1991 konnte man etwa 100 davon über Monate hinweg so aufbewahren. 1995 war es dann so weit: Man konnte Antiprotonen einzeln einsperren und so für experimentelle Zwecke bereitstellen. Ihre elektrische Ladung — so wurde jetzt mit einer Messgenauigkeit von 1 zu 10 Mrd. bestätigt — ist genau die der Protonen.
 
Da Antiatome elektrisch neutral sind, können sie nicht mit Hilfe elektrischer Felder bewegt und gespeichert werden. Nun hat Antiwasserstoff aber — seines inneren Drehimpulses wegen — ein magnetisches Moment. Dadurch lässt er sich — wenn kalt genug — in einer magnetischen Falle einsperren. Damit ist es 2011 gelungen, auch Antiatome für immerhin mehr als 1000 sec zu speichern (um so damit experimentieren zu können mit dem Ziel, weitere Bestätigung für die Gültigkeit des Standardmodells der Elementarteilchenphysik zu finden).

 
 
Auch die Natur produziert Antimaterie
 
Dass sich Positronen (= Antielektronen) in kosmischer Strahlung finden, hat ein Höhenballon schon 1964 entdeckt.
Selbst Gewitter auf der Erde erzeugen welche.
 
Antimaterie im All ist inzwischen ein großes Forschungsthema:

 

• Sonneneruptionen setzen regelmäßig relativ große Mengen von Antimaterie frei: Positronen und Antiprotonen.
  So sind z.B. 2002 in einer einzigen, gewaltigen Eruption etwa 0.5 kg Positronen entstanden —wäre ihre Energie nutzbar gewesen, hätte sie gereicht, ganz Deutschland 2 Tage mit Strom zu versorgen.
   
• Etwa 80 Gramm Antimaterie kreisen zwischen Venus und Mars um die Sonne, und ca. 20 kg vermutet man innerhalb der Bahn des Saturns.
   
• Nahe des Zentrums unserer Milchstraße zerstrahlen ständig riesige Mengen von Elektronen mit Positronen. Es muss da also eine Positronenquelle geben, die man noch nicht gefunden hat. Dies signalisieren uns Photonen, deren jedes genau die Energieportion darstellt, die bei der Annihilation eines Elektrons mit einem Positron frei wird.

 
 
Quelle: Rüdiger Vaas: Vom Gottesteilchen zur Weltformel, Kosmos-Verlag 2013, S. 170-255
 
Nach Harald Lesch (2002) kommen heute auf je 5 Mrd. Teilchen Materie etwa 1 Teilchen Antimaterie.