Präzisionslabor für Nanoforschung

Hermetisch geschützt

Im neuen Präzisionslabor des Max-Planck-Instituts in Stuttgart werden die Oberflächen von Atomen, Molekülen und künstlichen Quantenstrukturen untersucht. Wesentliche Bedingung dafür ist eine Umgebung, die frei von akustischen, elektromagnetischen und baudynamischen Störungen bleibt. Die Architekten entwickelten in enger Zusammenarbeit mit den Wissenschaftlern einen Prototyp Labor, der einen neuen Standard setzt – und das ganz ohne ZiE.

  • Architekten: hammeskrause architekten Tragwerksplanung: Weiske + Partner
  • Text: Dagmar Ruhnau Fotos: Wolf-Dieter Gericke; Schöck Bauteile GmbH
Die Forscher im Max-Planck-Institut (MPI) für Festkörperforschung untersuchen den Einfluss der Strukturen von Atomen und Molekülen auf ihre elektrischen, magnetischen und mechanischen Eigenschaften. Damit schaffen sie »die Grundlagen der Informationstechnologie von übermorgen«, wie es der Bauherr formuliert. U. a. kommen dabei Mikroskope zum Einsatz, die Oberflächen auf Nanoebene sichtbar machen, für manche Experimente werden starke Magnetfelder und extrem tiefe Temperaturen benötigt. Dass in diesem Maßstab schon kleinste Abweichungen durch Erschütterungen, elektromagnetische, akustische oder klimatische Einflüsse – ein vorbeifahrender Bus, Abstrahlungen von Computerservern oder Lüftungsleitungen – die Experimente stören oder gar unmöglich machen, liegt auf der Hand. Die elf Laborboxen, die in der neuen Halle auf dem Campus des MPI in Stuttgart-Büsnau entstanden, sind daher hermetisch abgeschirmt und bieten im Innern störungsfreie Atmosphären, die bislang weltweit unerreicht sind. Die beauftragten Architekten, hammeskrause aus Stuttgart, haben Erfahrung mit solch hoch spezialisierten Bauten. So entwickelten sie u. a. schwingungsentkoppelte, physikalische Lasermesslabore für die Forschungszentren CFEL und ZOQ in Hamburg und eine Bestrahlungsanlage für Krebspatienten in Marburg mit einem speziellen Abschirmbeton zum Schutz der übrigen Gebäudeteile. Doch in Stuttgart war der Anspruch noch höher: »Weltbester Forschungsstandort« sollte das Gebäude werden. Das bedeutete eine Projektentwicklung in engster Zusammenarbeit mit dem Bauherrn, aber auch mit den beteiligten Handwerkern. Drei Wissenschaftler der beiden Abteilungen, die das Gebäude seit September nutzen, wurden eigens für die Erarbeitung des Projektbriefings abgestellt und nahmen an jedem Planungsgespräch teil. Da die Experimente selbst sich »am Rand des Machbaren« bewegen, bestimmten ihre Anforderungen den Entwurf; sie wurden selbst zum Teil des Gebäudes und gehen damit weit über den üblichen Sinn von »form follows function« hinaus.
Endpunkt eines Ensembles
Der Neubau setzt das Gebäudeensemble auf einem parkartigen Campus fort, der in den 70er Jahren vom Stuttgarter Landschaftsarchitekten Hans Luz als englischer Garten gestaltet wurde. Direkt am Waldrand gelegen, stellt der Bau das letzte Glied in einer Kette von Gebäuden dar, die sämtlich miteinander verbunden sind. Er besteht aus einem Büro-/Labortrakt und einer rund 15 m hohen Halle für die Versuchsobjekte mit angegliedertem Technikgebäude. Nach außen sind diese beiden Gebäudeteile deutlich unterschieden: Die Fassade der Halle trägt ein filigranes Interferenzmuster aus zwei Lagen Aluminiumlamellen, das auf die Art der Forschungen im Innern des Gebäudes verweist. Während die Fassadengestaltung diesem Bauteil eine vertikale Richtung verleiht, ist der flache Bürotrakt horizontal gelagert und hat eine Fassade aus emailliertem Glas. Voneinander abgesetzt sind die beiden Bauteile durch Fugen aus durchsichtigem Glas. Sowohl in der Ausrichtung der verschiedenen Funktionsbereiche als auch in der neutralen Farbgebung nimmt der Neubau die Sprache des Hauptbaus auf: ein bis zu siebengeschossiger Betoncluster aus den 70er Jahren, der im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist, dessen Sonderbereiche jedoch vertikal in Erscheinung treten.
Konsequente Entkopplung
Alle drei Bauteile sind durch Fugen über alle Geschosse komplett voneinander getrennt. Sogar auf unterschiedlichem Boden wurde gegründet, um die Übertragung von seismischen Bewegungen auszuschließen. Um die richtige Lage für die Baukörper zu ermitteln, wurde der Baugrund mit Sonden und Schwingungsproben untersucht. So steht die Halle tiefer als der Bürotrakt und anders als dieser auf felsigem Grund. Die Bodenplatte ist 100 cm dick und besteht aus WU-Beton. Durch die rundum geschlossene Hülle der Halle werden bereits klimatische Einflüsse wie Sonneneinstrahlung, Kälte oder Luftbewegungen minimiert. Tageslicht ist nicht nötig, denn die Experimente werden in den 40-60 m² großen, haushohen Laborboxen durchgeführt, die jeweils für ein einzelnes Experiment eine abgeschlossene Umgebung bilden. Sowohl die akustische und elektromagnetische Abschirmung als auch der Schutz gegen Erschütterungen wurden hier auf die Spitze getrieben. Für jeden Bereich wurde ein entsprechend spezialisiertes Bauphysik-Büro beauftragt.
Jede Box ist von einem faradayschen Käfig aus verschweißten Stahlblechplatten bzw. Trapezblechen umgeben, der gegen elektrische und elektromagnetische Felder abschirmt. Diese Hülle steht auf einer Bitumenbahn auf der Bodenplatte. Darauf steht ein rund 100 t schweres Einzelfundament, das wiederum das Versuchsfundament trägt. Zur Verhinderung weiterer Schwingungen sind Luftdämpfer zwischen den beiden Fundamentarten positioniert. Aktive Schwingungsdämpfer können bei Bedarf zugeschaltet werden. Die Bewehrung konnte nicht wie üblich in Stahl ausgeführt werden, auch nicht in Edelstahl, was vorübergehend erwogen wurde, denn beides hätte zu elektromagnetischen Störungen geführt. Stattdessen schlugen die Tragwerksplaner, Weiske + Partner aus Stuttgart, eine Glasfaserbewehrung vor, denn dieses Material leitet weder elektrisch noch magnetisch.
Während die Einzelfundamente als Fertigteile eingebaut werden konnten, mussten die Versuchsfundamente in Ortbeton hergestellt werden. Die hauchdünnen, bis zu 5 oder 6 m langen Fugen dazwischen erforderten Einfallsreichtum und die handwerkliche Kunst der ausführenden Firmen – was zu einer letztlich einfachen Lösung führte: Die verwendeten Schaltafeln wurden zum Betonieren verkeilt und anschließend wieder gelöst.
Die Experimente selbst sind im Verhältnis zu Fundamenten und umgebenden Boxen nicht sehr groß. Sie stehen auf einer einfachen Zimmermanns-Konstruktion, für die im Versuchsfundament eine Aussparung vorgesehen wurde. Auch die begehbare Fläche um das Experiment herum ist als Holzbalkendecke ausgeführt, belegt mit einem ableitfähigen Nadelvlies und ohne Berührungspunkte mit dem Versuchsfundament. Auf diesem Niveau – 3 m über der Bodenplatte – befindet sich die Haupterschließungsebene des Gebäudes: die Zugänge zu den Laborboxen, die Hallenebene und die Eingangsebene von Büro- und Techniktrakt. Der Raum darunter dient als Serviceebene. ›
Knackpunkt Durchdringungen
Die Wände und die Decke jeder Laborbox bestehen aus 40 cm dicken Stahlbeton-Halbfertigteilen innerhalb der abschirmenden Metallkonstruktion. Die Wände sind von verschiedenen Zu- und Ableitungen durchdrungen, deren Abschirmung ebenfalls große Aufmerksamkeit erforderte. So benötigt das Klima im Innern eine entsprechende Belüftung und Temperierung. Daten- und Stromleitungen dürfen die Experimente nicht beeinflussen. Zur Herstellung eines Vakuums im Experiment werden außerdem Ultrahochvakuumpumpen eingesetzt, die außerhalb der Boxen positioniert sind.
Die Rohrdurchführungen der Abluft- und Druckentlastungsanschlüsse sind durch einen Lüftungswabenkanal und Kulissenschalldämpfer mit 100 bzw. 40 dB Schirmdämpfung entkoppelt. Auch die Kühlwasserleitungen für das Umluftkühlgerät und die Metallkühldecke sowie die Vakuumleitungen werden durch Wabenkanäle mit einer Schirmdämpfung von 100 dB geführt. Die Anschlüsse des Medienpaneels sowie der Elektroversorgung und Datenübergabe sind mit 100 dB EMV-geschirmt (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit).
Besonders anspruchsvoll war die Ausführung des Zugangs in die Laborbox: Innen ist eine zweiflügelige Schallschutztür mit einem Schallschutzwert Rw,P von 45 dB eingesetzt. Außen führt eine Stahlschiebetür die Metallhülle fort, deren Fugen zusätzlich durch Kupferbänder überbrückt werden. Um die notwendige Dichtheit zu erreichen, wird die Tür motorisch-hydraulisch geschlossen. Ein fein abgestuftes Sicherheitskonzept über Sensoren und Warnmeldungen sorgt u. a. dafür, dass sich während eines Experiments, das hydraulisch geschlossene Türen und eine ausgeschaltete Lüftung erfordert, keine Menschen in der Laborbox befinden.
»Weltbestes« Labor?
Der Bau wurde im vergangenen September in Betrieb genommen. Mit Kosten von knapp 8 000 Euro pro m² Nutzfläche liegt er natürlich weit über den durchschnittlichen 3 100 Euro des BKI für Instituts- und Laborgebäude, doch ist er auch in der Ausstattung und in der detaillierten Ausführung weit überdurchschnittlich. Einen messbaren Beleg dafür lieferte der japanische Wissenschaftler Hidenori Takagi, der im April für fünf Jahre auf die mit 5 Mio. Euro dotierte Alexander von Humboldt-Professur berufen wurde: Er wird seine Forschungen zur Festkörperphysik und -chemie in zwei der neuen Laborboxen durchführen. Die Messung der Bedingungen in einer der Boxen ergab, dass die Werte tatsächlich besser sind als in allen Laboren, die Takagi bisher in Japan und den USA genutzt hat. •
  • Standort: Heisenbergstraße 1, 70569 Stuttgart Bauherr: Max-Planck-Gesellschaft für die Förderung der Wissenschaften, München Architekten: hammeskrause architekten, Stuttgart Mitarbeiter: Markus Hammes, Lukas Holzinger, Michael Käfer, Christian Enderle, Michael Keppler Tragwerksplanung: Weiske + Partner, Stuttgart Bauleitung: hammeskrause architekten Baudynamik und elektromagnetische Abschirmung: Müller-BBM, Reutlingen Akustik: Kurz und Fischer Beratende Ingenieure Bauphysik, Winnenden NF 1-6: 1 599 m² BGF: 5 250 m² BRI: 30 800 m³ Baukosten: 15,2 Mio. Euro Bauzeit: Juni 2010 bis September 2012
  • Beteiligte Firmen: Rohbau: F. Kirchhoff Systembau, Münsingen, www. fk-systembau.de Fenster- und Fassadenbau: Radeburger Fensterbau, Radeburg-Bärwalde, www.rf-fassaden.de Glasfaserbewehrung: Schöck Bauteile, Baden-Baden, www.rf-fassaden.de EMV-Schirmung: AlbatrossProjects, Nattheim, www.rf-fassaden.de MSR-Technik: Honeywell Building Solutions, Schönaich, www.rf-fassaden.de Lüftungstechnik: YIT Germany, Stuttgart, www.rf-fassaden.de
1 Wand- und Deckenaufbau: verschweißte Stahlblechplatten Stahlbeton-Fertigteil, 40 cm 2 außen: Schiebetür Stahlblech innen: zweiflügelige Sperrtür 3 Holzbalkendecke 4 Versuchsfundament, GFK-Beton 5 Dämpferfundament, GFK-Beton

Technik aktuell (S. 70)

hammeskrause architekten
Markus Hammes
1964 in Solingen geboren. 1993 Diplom an der Universität Stuttgart. 1991-95 Mitarbeit u. a. bei Behnisch & Partner. 1995-2005 Lehrauftrag an der Universität Stuttgart. Ab 1995 Partnerschaft bei Brenner & Partner. Seit 2001 gemeinsames Büro mit Nils Krause. Seit 2012 DGNB-Consultant für Neubau Laborgebäude.
Nils Krause
1964 in Tübingen geboren. 1995 Diplom an der Universität Stuttgart. 1990-95 Mitarbeit u. a. bei Dasch + Zürn. 1995-2001 Projektleitung bei Behnisch & Partner. 1997-2006 Lehrauftrag an der Universität Stuttgart. Seit 2001 gemeinsames Büro mit Markus Hammes. Seit 2012 DGNB-Consultant für Neubau Krankenhäuser.
Dagmar Ruhnau (dr)
1968 in Stuttgart geboren. Studium der Kunst, Anglistik, Architektur. 2001 Diplom. Volontariat. Berufstätigkeit in Architekturbüros, Redaktionen und PR-Agentur. Seit 2006 bei der db.