Medizinische Radioisotope bei extremer Energiedichte erzeugen

Für die Diagnose von Krebs und anderen Erkrankungen spielt Molybdän (Mo-99) eine entscheidende Rolle.

Das Radioisotop zerfällt nach einigen Stunden zu Technetium-99m, das in Bildgebungsverfahren zum Einsatz kommt, mit denen jährlich viele Millionen Menschen weltweit untersucht werden. Jedoch birgt das gegenwärtige, auf Kernspaltung basierende Herstellungsverfahren Probleme, wie etwa alternde Reaktoren und Umweltbelastungen. Forscher und Forscherinnen suchen deshalb nach Alternativen für die Produktion. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ist es nun der europäischen SMART-Kooperation gelungen, die Erzeugung von Mo-99 mithilfe des supraleitenden Linearbeschleunigers ELBE erfolgreich zu testen.

„Wir haben die ELBE an ihre Leistungsgrenze gebracht und ein millimeterkleines Target bestehend aus Molybdän fast eine Woche lang nonstop mit einem 30-Kilowatt-Strahl aus hochenergetischen Elektronen beschossen“, erklärt ELBE-Leiter Prof. Peter Michel vom Institut für Strahlenphysik am HZDR. „So konnten wir eine Energie von insgesamt 13 Gigajoule in einem winzigen Volumen deponieren. Das ist in etwa vergleichbar mit der kinetischen Energie einer vollbeladenen Boeing 747-400, die mit einer Geschwindigkeit von rund 900 Kilometern pro Stunde fliegt.“ Diese extreme Energiedichte ist notwendig, um die gewünschte Reaktion hervorzurufen: „Am Target entsteht elektromagnetische Bremsstrahlung, die pro Atomkern je ein Neutron herausschlägt, sodass am Ende das gewünschte Produkt Molybdän-99 übrigbleibt.“

Während das HZDR die nötige Beschleuniger-Technologie zur Verfügung stellte, war das niederländische Technologie-Unternehmen Demcon beim experimentellen Aufbau federführend. Initiator der SMART-Kooperation (Source of MedicAl RadioisoTopes) ist das belgische Institut für Radioelemente (IRE) — einer der weltweit größten Produzenten von Mo-99. IRE entwickelt die Technologie gemeinsam mit dem Halbleiter-Konzern ASML und in Zusammenarbeit mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie.

„Der ELBE-Beschleuniger ist die einzige Forschungsanlage in Europa, die für unser Experiment infrage kam, weil wir nur hier eine ausreichend hohe Strahlqualität vorgefunden haben, die wir auch über mehrere Tage hinweg stabil abrufen können“, sagt Johannes Jobst, leitender Ingenieur für mechatronische Systeme bei Demcon. „Ausschlaggebend für den Erfolg war auch die sehr gute und vertrauensvolle Zusammenarbeit zwischen den Partnern. In Bezug auf ELBE haben wir nicht nur von der einzigartigen Technik, sondern auch vom wissenschaftlichen Knowhow und dem großen Engagement des ELBE-Teams enorm profitiert.“

Komplexer Versuchsaufbau: Kühlung mit flüssigem Natrium

Aufgrund der extremen Bedingungen war das Experiment für die Forscher*innen mit zahlreichen Herausforderungen und der Zusammenstellung eines komplexen Versuchsaufbaus verbunden. So mussten sie etwa die starken Belastungen und möglichen Strahlungsschäden in den verwendeten Materialien in Schach halten und dafür besondere Sicherheitsvorkehrungen treffen. Ein weiteres Problem: Unter normalen Umständen würde das Molybdän durch die Bestrahlung nach nur kurzer Zeit verdampfen. Als zentrales Element des Versuchs setzte Demcon deshalb eine spezielle Kühltechnik ein, die auf der hohen Wärmeleitfähigkeit von flüssigem Natrium basiert. Das auch in Kernreaktoren als Wärmeübertragungs-Flüssigkeit verwendete Metall ist aufgrund seines hohen Siedepunktes und dem dadurch ermöglichten weiten Bereich der Prozesstemperaturen zudem in der Lage, besonders viel Hitze aufzunehmen.

Der Testlauf, der Anfang Februar erfolgreich durchgeführt wurde, ist für das SMART-Projekt ein wichtiger Schritt, um die Machbarkeit des gesamten Konzeptes zu bestätigen und gibt Hoffnung, dass die Technologie in einem größeren industriellen Maßstab eingesetzt werden kann. Die Vorteile der neuartigen Methode liegen auf der Hand: Weil Molybdän-100 als Ausgangsmaterial zum Einsatz kommt, muss anders als in Kernreaktoren kein schweres Uran mehr gespalten werden. Somit würden auch viel weniger radioaktive Abfälle entstehen – vor allem kaum solche mit einer langen Halbwertszeit. IRE und die Projektpartner arbeiten weiter an der Entwicklung einer vollständigen Anlage. Das wissenschaftliche Fundament für dieses ambitionierte Vorhaben hat das Experiment am ELBE-Beschleuniger nun gelegt.