Licht ins Dunkel

Der Laserscanner-Hersteller Zoller + Fröhlich hat im Rahmen eines Vermessungsprojekts das Forschungszentrum CERN vermessen. Die Daten sollen nun dazu verwendet werden, eine 3D-CAD-Vermessung durchzuführen.

Die Europäische Organisation für Kernforschung (Conseil européen pour la recherche nucléaire; CERN) hat im schweizerischen Kanton Genf eines der weltweit größten und wichtigsten Forschungszentren geschaffen. Forscher aus mehr als 100 Ländern arbeiten hier daran, mithilfe komplexer Instrumente die Grundstruktur des Universums und den Aufbau der Materie zu begreifen. Der derzeit bedeutendste Teilchenbeschleuniger dabei ist der Large Hadron Collider (LHC; dt.: Großer Hadronen-Beschleuniger). Trotz der großen Bedeutung des Forschungszentrums ist der breiten Öffentlichkeit bisweilen unklar, wie das CERN aufgebaut ist. Licht ins Dunkel will jetzt der Laserscanner-Hersteller Zoller + Fröhlich unter der Leitung von Doug Pritchard bringen.

DELPHI ist einer der vier großen Detektoren des LEP (Large Electron-Positron Collider; dt.: Großer Elektron-Positron-Speicherring). Foto: Zoller + Fröhlich GmbH

Der LHC befindet sich rund 100 Meter unter der Erdoberfläche und gilt als die global gesehen größte Einzelmaschine. Eine der Hauptaufgaben des LHC ist die Suche nach dem Higgs-Boson, dem letzten noch nicht endgültig nachgewiesenen Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik. Anfang Juli 2012 berichteten Forscher am CERN, ein neues Boson gefunden zu haben, welches sich genauso verhält, wie vom Higgs-Boson vermutet. Ein Durchbruch für die Teilchenphysik – und eine der wichtigsten wissenschaftlichen Errungenschaften des 21. Jahrhunderts.

Erstellung eines 3D-Datensatzes

Die Forschungsergebnisse am CERN betreffen demnach also die ganze Weltbevölkerung, trotzdem ist das, was in dem Forschungszentrum passiert, der Öffentlichkeit weitestgehend unbekannt. Zwei Aufgabenstellungen sollten diesen Umstand jedoch ändern: Zum einen wollten die Wissenschaftler den LHC aufgrund der internationalen Bedeutung des CERN als eine wissenschaftliche Kultstätte dokumentieren sowie für die Nachwelt zugänglich und begreifbar machen. Zum anderen waren umfassende Umbaumaßnahmen am Forschungszentrum geplant. Um diese Aufgaben bewältigen zu können, war also die Erstellung eines dreidimensionalen Datensatzes über die pragmatische Vermessung hinaus von essentieller Bedeutung. Anfang 2018 erhielt ein Team der Universität von Glasgow schließlich Zugang zum CERN-Gelände. Die Aufgabe: Mithilfe von terrestrischen Scannern, die über das gesamte Tunnelsystem möglichst flächendeckend angeordnet werden mussten, sollte der LHC genaustens dokumentiert werden. Unterstützt wurden die Forscher dabei vom UK Engineering Research Council CERN sowie den Firmen Autodesk und Zoller + Fröhlich.

Über einen Zeitraum von fünf Tagen entstanden so 160 Laser-Scans und photogrammetrische 360-Grad-Panoramen. Zum Einsatz kamen dabei zwei terrestrische IMAGER5016-Laserscanner von Zoller + Fröhlich. Diese bestechen nicht nur durch ihre hochauflösenden Scans – die Auflösung liegt bei zehn Metern Entfernung bei nur drei Millimetern Punktabstand –, sondern auch durch ihre 80-Megapixel- HDR-Bilder. Zudem weisen Kamera- und Scanaufnahme den selben Nodalpunkt auf. Durch das integrierte LED-Beleuchtungssystem der IMAGER5016- Laserscanner hatte das Team außerdem die Möglichkeit, die Geräte zur Erfassung der Punkt- und RGB-Daten uneingeschränkt zu positionieren – auch unabhängig von ungünstigen Lichtverhältnissen.

Große Herausforderung für Laserscanner

Ein seitlicher Querschnitt durch den LHC, der die Position des Berylium-Rohres und der umgebenden Magnete zeigt (links). Im Rahmen des Projekts wurden zahlreiche 3D-Punktmodelle des CERN erstellt – hier eine Punktwolke des LHCb (rechts). Fotos: Foto: Zoller + Fröhlich GmbH

Eine besondere Herausforderung für das Team von Zoller + Fröhlich um Chris Held war die Vermessung innerhalb des Beryllium-Stahlrohrbereichs. Dieser bildet nicht nur das Herzstück des LHC, er ist auch der exakte Kollisionspunkt der subatomaren Teilchen. Der Bereich besteht aus einem großen, mit Beryllium ummantelten Metallrohr mit großen Magneten und Sensoren. Während Beryllium auf der einen Seite wegen seiner geringen Dichte und niedrigen Ordnungszahl für die CERN-Experimente extrem geeignet ist, stellt es auf der anderen Seite für die Vermessung mittels Laserscannern eine große Herausforderung dar.

Der Grund: Beryllium ist äußerst selten, schwer herzustellen und bei Bruch giftig. Der Zutritt zum LHC-Herzstück ist daher nur begrenzt möglich und nur für speziell dafür geschultes CERN-Personal zulässig. Für die drei geplanten hochauflösenden Scans war es daher von enormer Bedeutung, dass die Laserscanner über eine Fernsteuerung (siehe Kasten) bedient werden konnten.

Die von Zoller + Fröhlich erhobenen Bild- und Punktdaten sollen nun dazu verwendet werden, eine präzise, dreidimensionale CAD-Vermessung durchzuführen. Zudem sollen die Daten auch als Grundlage für die Entwicklung visuell ansprechender, multimedialer Inhalte für Pädagogen, Ingenieure, Forscher sowie Besucher dienen – und nicht zuletzt der Öffentlichkeit Einblicke in die vielen noch unbekannte Welt des CERN ermöglichen.

www.zofre.de

www.zf-laser.com