„Eine der genialsten Entdeckungen aus Deutschland“

Vom XXL-CT bis zum portablen Scanner – die Röntgentechnologie bietet auch außerhalb der Klinik spannende Einblicke. Sieben Geschichten zum Staunen.

Fotos: Mit freundlicher Genehmigung von Fraunhofer EZRT

Wilhelm Conrad Röntgen wird als introvertierter Mensch beschrieben. Er richtete seine ganze Aufmerksamkeit auf seine Entdeckungen, die nach seinem Wunsch „der Allgemeinheit gehören und nicht durch Patente, Lizenzverträge und dergleichen einzelnen Unternehmungen vorbehalten bleiben dürften“. Obgleich er von Anfang an um die Bedeutung der von ihm entdeckten Röntgenstrahlung wusste, konnte er nicht absehen, in wie vielen unterschiedlichen Bereichen auch außerhalb der Klinik die Technologie Vorteile bringen sollte. Vom XXL-Computertomographen, mit dem Elektroautos nach einem Crash gefahrlos analysiert werden bis zum portablen Mini-CT, mit dem Forscher in Grönland Eisbohrkerne durchleuchten – die mit Hilfe der Röntgentechnik gewonnenen Erkenntnisse sind riesig. Genau dieser Blick unter die Oberfläche fasziniert Michael Salamon, Gruppenleiter am Fraunhofer- Entwicklungszentrum Röntgentechnik (EZRT), einem Bereich des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen (IIS) in Fürth. Gemeinsam mit seinen Kollegen will Salamon mit seiner Arbeit aktuellen gesellschaftlichen Herausforderungen begegnen und findet: „Die Röntgentechnik ist eine der genialsten Entdeckungen aus Deutschland.“ Warum das so ist, belegt er in sieben spannenden Episoden.

Bislang war die Computertomographie insbesondere im Hochenergiebereich beschränkt auf kleine, einfache Objekte. Die Erkenntnisse aus vorhandenen großen CT-Anlagen waren mittelmäßig, weil die passenden Algorithmen zur Rekonstruktion fehlten. Michael Salamon und seine – wie er sagt – „neugierigen Kollegen“ haben eine Technologie entwickelt, die sehr große Objekte scannen und dabei hochauflösende 3D-Bilder generieren kann. Als Röntgenquelle nutzen die Forscher einen von Siemens Healthineers entwickelten Linearbeschleuniger (LINAC) und kombinieren ihn mit einem Röntgendetektor. Große Objekte wie Autos und Flugzeuge werden in einer extra dafür gebauten Halle am EZRT auf einem Drehteller in Rotation versetzt. Dann tasten Detektor und Strahlenquelle das Objekt Zeile für Zeile ab, erfassen es aus vielen unterschiedlichen Winkeln und schaffen so die Basis für die detaillierte Darstellung in 3D.

Ein wichtiges Arbeitsfeld für die Mega-Anlage ist die Analyse von Kraftfahrzeugen nach einem Crashtest. Bisher musste man die Wracks zeitaufwändig zerlegen, um verformte Strukturen analysieren zu können. Durch die zerstörungsfreie Röntgenprüfung am EZRT lassen sich jetzt Strukturen und Materialien begutachten, die bislang unzugänglich waren – zum Beispiel das Batteriemodul eines Elektroautos. „Nach einem Crash wird der Akku von Elektromobilen idealerweise von niemandem mehr angefasst, weil nie klar ist, welche Schäden an der Struktur entstanden sind und was sie bewirken. Mit unserer Röntgenprüfung gestalten wir die Crashanalyse sicherer und effizienter und geben unseren Industriepartnern Ergebnisse an die Hand, mit denen sie Sicherheitsstandards für Autofahrer wesentlich verbessern“, sagt Michael Salamon.

Noch mehr sicherheitsrelevante Erkenntnisse erlangen Ingenieure bei der Produktion von Automobilen, wenn sie die Röntgentechnologie zur Qualitätskontrolle einsetzen. Michael Salamon erklärt: „Wenn jedes sicherheitsrelevante Aluminiumbauteil im Fahrzeug gescannt wird, dann erhöht das ganz klar die Sicherheit auf unseren Straßen. Bis ein Fahrzeug aus der Produktion rollt, werden verschiedene Komponenten radioskopisch untersucht. So kann man sicherstellen, dass sie genau die Festigkeit haben, die sie brauchen, um wirklich straßentauglich zu sein.“

Einen ganz anderen Zweck verfolgt man bei XXL-Röntgen-Einsatz Nummer drei – der Kontrolle von Seefrachtcontainern. Schon lange werden in den Häfen der Welt zweidimensionale Röntgenbilder von deren Ladung erstellt. Mit der am Fraunhofer-Institut entwickelten 3D-Technik können Polizisten und Zöllner jetzt auch kleine Objekte im Inneren der Container gut sichtbar machen. Für die Sicherheitsbehörden, die Frachtcontainer nach Sprengstoff oder Waffen durchsuchen, kann die vom IIS entwickelte Technologie den Container digital entladen und liefert so den entscheidenden Durchblick im Kampf gegen Schmuggler.

Bei der XXL-CT geht es aber nicht immer nur um Prozesse der Gegenwart – die Technologie ermöglicht es auch, kulturhistorische Güter zu analysieren, ohne sie zu zerlegen. „Wir haben vor kurzem den digitalen Zwilling eines Raketenjägers aus dem zweiten Weltkrieg erzeugt. Der Flieger wurde mit abmontierten Flügeln im XXL-CT gescannt“, berichtet Salamon. Das seltene Exemplar stammt aus der Sammlung des Deutschen Museums und die Kuratoren erhoffen sich von den Bildern aus dem Inneren der ME163 Messerschmitt neue Erkenntnisse über die Geschichte des raketengetriebenen Abfangjägers, der als erster die 1000 km/h-Marke überschritt und den Spitznamen „Kraftei“ trug. Und auch Besucher haben was davon: Bei der Luftfahrtausstellung, die 2020 im Deutschen Museum eröffnet wird, wird das Kraftei in Augmented Reality Anwendungen zu erleben sein.

Für die Aufnahmen großer, schwer durchstrahlbarer Objekte bedarf es besonders hoher Energie. Um diese bereitzustellen, ist die Testhalle des Entwicklungszentrums Röntgentechnik (ERZT) am Fraunhofer-Institut in Fürth-Atzenhof mit einem Linearbeschleuniger ausgestattet. Er wurde von Siemens Healthineers speziell für das XXL-CT entwickelt und als Demonstrationsobjekt zur Verfügung gestellt. Zahlreiche Branchen profitieren von dieser Methode.

Viel fragiler als ein Abfangjäger sind die historischen Objekte, mit denen sich die Restauratoren des Germanischen Nationalmuseums auf den Weg nach Atzenhof gemacht haben. Sie wollten das Innenleben von historischen Trompeten, Pauken und Flöten erforschen. Gerade bei alten Instrumenten ist oft nicht vollkommen klar, wie sie in unzugänglichen Bereichen gebaut sind, oder ob sie aufgrund der Lagerung oder langjähriger Benutzung im Inneren beschädigt sind. Zerlegen ist hier keinesfalls möglich. Und auch da hilft die Computertomographie. Im Projekt „Musical Instrument Computed Tomography Examination Standard“ (MUSICES) wurden von Salamons Kollegen über hundert historisch bedeutsame Instrumente dreidimensional abgebildet und sogar Richtlinien zum Scan von Musikinstrumenten erarbeitet.

Als ein „Eigengewächs des Hauses“ bezeichnet Michael Salamon sich selbst. Seit 13 Jahren ist er am Fraunhofer Institut tätig. Warum? „Es ist einfach spannend“ – sagt er. Er ist Gruppenleiter im EZRT und kann Zusammenhänge zwischen der reinen Physik und dem Anwender verstehen und darstellen. Als Interviewpartner für Nicht-Physiker ist er unschlagbar.

„Das mit Abstand älteste was wir im Scanner hatten war der Schädel eines Tyrannosaurus Rex“, erinnert sich Michael Salamon. Die Reste des weiblichen Dinosauriers sind vermutlich 66,4 Millionen Jahre alt. Der 500 Kilogramm schwere Schädel lagerte während der Röntgenprozedur in einer Kiste umgeben von dem Brocken Erde, in dem Paläontologen ihn gefunden hatten. Um Forschern einen Einblick in die inneren Strukturen zu erlauben, ohne das Skelett zu zerbrechen, war Know-how von Fraunhofer und Technik von Siemens Healthineers gefragt. Bruchstellen konnten im Vorfeld zuverlässig erkannt und bei der Aufbereitung berücksichtigt werden. Und mit den erzeugten Röntgendaten lassen sich nun originalgetreue Kopien des Skeletts im 3D-Druck anfertigen. „Beim Saurierscan ist ein Knochen gefunden worden, der bisher nie zugeordnet werden konnte“, berichtet Michael Salamon und fügt hinzu: „Genau diese Überraschungen faszinieren uns alle bei der Arbeit“.

Von ganz klein bis ganz groß, von Erkenntnissen aus der Kreidezeit bis zum Aufschluss über klimatische Veränderungen, die uns in Zukunft betreffen, von sicherheitsrelevanten Prüfverfahren in der Industrie bis zu spannenden Einblicken für historisch Interessierte: „Die Röntgentechnik ist ein wichtiger deutscher Wirtschaftsfaktor und heute hochrelevant für unsere Gesellschaft“, sagt Michael Salamon. Leider sei der gigantische Mehrwert aus den unsichtbaren Strahlen häufig zu wenig sichtbar. Wenn es etwas gibt, was die
Nachfolger des stillen Wilhelm Conrad Röntgen ändern wollten, dann dies: „Röntgenstrahlung ist unsichtbar. Aber wir wollen sichtbar machen, wie vielseitig und genial sie uns voranbringt.“

In der 14 Meter hohen Testhalle sind zwei acht Meter hohe Manipulationstürme, ein Drehteller von drei Metern Durchmesser sowie die drei Tonnen schwere Röntgenquelle und ein vier Meter langer Detektor installiert. Die mithilfe eines Lastkrans auf dem Drehteller positionierten Objekte rotieren während einer Umdrehung um die eigene Achse und werden Zeile für Zeile erfasst. Die Röntgenenergie wird je nach Material, und Größe des Objekts variiert. Es können maximal neun Megaelektronenvolt (MeV) erreicht werden. Dies entspricht in etwa dem Zwanzigfachen konventioneller industrieller Röntgensysteme.