Die Maschine, die Zeit und Schwerkraft beugt
Tief unter dem Campus der Zhejiang-Universität in Hangzhou haben Ingenieure eine Anlage fertiggestellt, die die Grenzen der experimentellen Physik neu definiert. 15 Meter unter der Erde vergraben, um sie von den Erschütterungen des Alltags abzuschirmen, gilt die Zentrifuge CHIEF1900 als leistungsstärkste Hypergravitationseinrichtung, die jemals gebaut wurde. Mit einer Kapazität von 1.900 g-Tonnen kann diese Anlage auf Proben mit einem Gewicht von bis zu einer Tonne Kräfte wirken lassen, die 1.900-mal stärker sind als die natürliche Schwerkraft der Erde. Um diese Leistung einzuordnen: Eine herkömmliche Waschmaschine erzeugt im Schleudergang höchstens 2 g-Tonnen. Die CHIEF1900 erreicht nahezu die tausendfache Intensität und schafft so eine Umgebung, in der physikalische Prozesse erheblich beschleunigt ablaufen und zugleich kontrolliert beobachtet werden können.
Inhalt
Die unterirdische Maschine wurde Ende Dezember 2025 fertiggestellt und übertraf damit den bisherigen Weltrekord von 1.300 g-Tonnen, den ihre Schwestermaschine CHIEF1300 nur wenige Monate zuvor aufgestellt hatte. Dieser Rekord hatte bereits den langjährigen Spitzenreiter abgelöst: eine Anlage des US Army Corps of Engineers in Vicksburg im US-Bundesstaat Mississippi mit einer Kapazität von rund 1.200 g-Tonnen. Die rasche Abfolge dieser Durchbrüche signalisiert einen bedeutenden Wandel bei der globalen Forschungsinfrastruktur: China betreibt nun die beiden leistungsstärksten Hypergravitationsanlagen der Erde.
Die zentrale Funktion der CHIEF1900 besteht darin, Raum und Zeit zu komprimieren. Mithilfe extremer Zentrifugalkräfte können Forschende geologische und bauliche Prozesse, die normalerweise Jahrzehnte, Jahrhunderte oder sogar Jahrtausende dauern, innerhalb überschaubarer Zeiträume im Labor simulieren. Ein drei Meter hohes Modell einer Staumauer erfährt bei einer Rotation mit 100 g dieselben strukturellen Belastungen wie eine 300 Meter hohe Staumauer im Maßstab 1:1. So können Wissenschaftler die Entstehung von Rissen und das Absinken des Fundaments innerhalb von Stunden statt Jahrzehnten beobachten. Diese Fähigkeit verändert die Herangehensweise von Ingenieuren an die Sicherheit von Infrastruktur, die Bewertung von Umweltrisiken und die Materialwissenschaft.
Ingenieurskunst unter dem Campus
Gebaut wurde die CHIEF1900 von der Shanghai Electric Nuclear Power Group, einem spezialisierten Industrieunternehmen mit Erfahrung im Schwermaschinenbau und in Nuklearsystemen. Die Maschine wurde am 22. Dezember 2025 an die Zhejiang-Universität geliefert. Sie ist das Ergebnis eines 2021 genehmigten Projekts mit einem Budget von 2 Milliarden Yuan, umgerechnet rund 285 Millionen US-Dollar. Damit entsteht die Centrifugal Hypergravity and Interdisciplinary Experiment Facility, kurz CHIEF, einer von weltweit nur vier großen dynamischen Zentrifugenkomplexen, die aktive Erdbeben unter extremen Gravitationsbedingungen simulieren können.
Die Anlage 15 Meter unter der Erde zu errichten, war eine wissenschaftliche Notwendigkeit und keine ästhetische Entscheidung. Bei den für 1.900 g-Tonnen erforderlichen Drehzahlen könnten selbst kleinste Erschütterungen durch Verkehr, Bauarbeiten oder natürliche seismische Aktivität die Versuchsdaten verfälschen. Der unterirdische Standort bietet die nötige Stabilität, um winzige Verformungen unter extremen Kräften zu messen. So ist sichergestellt, dass die Messwerte das Verhalten der untersuchten Materialien wiedergeben und nicht durch äußere Einflüsse gestört werden. Diese Stabilität ist unverzichtbar, wenn etwa die Verflüssigung von Böden bei Erdbeben oder die Mikrorisse untersucht werden, die einem Versagen von Beton vorausgehen.
Im Unterschied zu ihrer Vorgängerin, die im September 2025 in Betrieb ging, erweitert die CHIEF1900 die Möglichkeiten wissenschaftlicher Modellierung. Die CHIEF1300 konnte bereits den Druck am Meeresboden in großen Tiefen nachbilden und die Auswirkungen 20 Meter hoher Tsunamis auf den Meeresboden simulieren. Die neue Maschine steigert die Kapazität um 46 Prozent. Damit lassen sich größere Modelle untersuchen, stärkere Belastungen erzeugen und bei empfindlichen Messungen klarere Signale erzielen. Die Anlage beherbergt inzwischen mehrere Zentrifugen und sechs spezialisierte Versuchskammern für Forschungsbereiche von der Hangstabilität bis zur Tiefseetechnik.
Die Wissenschaft extremer Rotation
Die Hypergravitationsforschung beruht auf einem grundlegenden Prinzip der Physik, das in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie verankert ist: der Gleichwertigkeit von Gravitations- und Trägheitsbeschleunigung. Wenn sich die massiven Arme der CHIEF1900 mit hoher Geschwindigkeit drehen, wirkt auf die am Rotor befestigten Proben eine nach außen gerichtete Kraft, die eine extrem starke Schwerkraft nachahmt. Die Leistungsfähigkeit wird in g-Tonnen gemessen, einer Einheit, die den Multiplikator der Gravitationsbeschleunigung mit der Masse der untersuchten Probe verbindet. Ein Objekt in der Zentrifuge kann nicht unterscheiden, ob es sich in einem starken Gravitationsfeld befindet oder durch Rotation beschleunigt wird. So können Forschende Bedingungen simulieren, die auf der Erdoberfläche natürlicherweise nicht vorkommen.
Die praktischen Anwendungen dieser Technik verändern die Herangehensweise an groß angelegte Bauvorhaben und Umweltstudien. Wird ein maßstabsgetreues Modell in die Zentrifuge eingebracht und hohen g-Kräften ausgesetzt, können Wissenschaftler die strukturellen Belastungen nachbilden, denen Infrastruktur im Originalmaßstab über Jahrzehnte hinweg ausgesetzt wäre. Die Hypergravitationsumgebung komprimiert gemäß etablierten Skalierungsgesetzen sowohl Raum als auch Zeit. So lassen sich Vorgänge beobachten, die sonst im langsamen Verlauf geologischer Prozesse verborgen blieben.
Die Zeitkompression kommt auch Untersuchungen zur Umweltverschmutzung zugute. Forschende können verfolgen, wie Schadstoffe im Laufe geologischer Zeiträume von Tausenden Jahren durch Bodenschichten wandern. Innerhalb weniger Tage lässt sich beobachten, wie sich chemische Schadstofffahnen durch Grundwasserleiter ausbreiten und Jahrzehnte später die Trinkwasserversorgung gefährden könnten. Die Anlage kann außerdem untersuchen, wie Hochgeschwindigkeitsbahnstrecken nach Millionen von Belastungszyklen mit dem umgebenden Boden interagieren. Damit lassen sich Erschütterungs- und Setzungsprobleme angehen, die den Fahrgastkomfort und langfristige Wartungspläne beeinflussen. Diese Versuche liefern empirische Daten, die mit herkömmlichen Feldbeobachtungen nicht zu gewinnen wären, und geben Aufschluss über langfristige Risiken, die sich allein mit Computermodellen nicht überprüfen lassen.
Katastrophen simulieren, um sie zu verhindern
Die CHIEF-Anlage umfasst sechs spezialisierte Versuchskammern für unterschiedliche Forschungsbereiche: Hang- und Talsperrenbau, seismische Geotechnik, Tiefseetechnik, Umweltforschung im tiefen Untergrund, geologische Prozesse und Materialbehandlung. In jeder Kammer können Wissenschaftler Katastrophenszenarien modellieren, die in der realen Welt gefährlich oder unmöglich zu untersuchen wären. Ingenieure können prüfen, wie ein Damm auf ein schweres Erdbeben reagiert, wie steile Hänge bei extremen Regenfällen abrutschen oder wie unterirdische Bauwerke auf seismische Wellen reagieren. So werden mögliche Katastrophen zu kontrollierten Versuchen, die bislang nicht zugängliche Daten über Versagensmechanismen und Sicherheitsreserven liefern.
Bauingenieuren bietet die Zentrifuge eine kontrollierte Umgebung, um die Widerstandsfähigkeit von Infrastruktur vor Baubeginn zu testen. Modelle von Tunneln, Gebirgsstraßen und Küstenschutzanlagen werden Belastungstests unterzogen, die jahrzehntelangen Betrieb in Verbindung mit extremen Wetterereignissen oder seismischer Aktivität simulieren. Die Anlage kann untersuchen, wie sich Gashydrate unter dem Druck der Tiefsee verhalten oder wie unterirdische Kavernen über Jahrtausende als Lagerstätten für Atommüll geeignet sein könnten. Diese Anwendungen befassen sich mit zentralen Herausforderungen beim Infrastrukturbau, bei denen ein Versagen katastrophale Folgen für Mensch und Umwelt hätte.
Auch die Anwendungen im Umweltbereich sind von großer Bedeutung. Unter Hypergravitationsbedingungen beschleunigt sich die Trennung von Flüssigkeiten und Feststoffen. So können Forschende untersuchen, wie sich vergrabene Schadstoffe in unterschiedlichen Bodentypen ausbreiten und wie Sanierungsmaßnahmen über Jahrhunderte wirken könnten. Die dabei gewonnenen empirischen Daten zur Ausbreitung von Schadstofffahnen können Entscheidungen von Behörden und Sanierungsstrategien unterstützen, statt sich allein auf theoretische Modelle zu stützen. In der Energieforschung kann die Anlage Methoden zur Förderung von Methanhydrat und die Stabilität geologischer CO₂-Speicher bewerten. Damit liefert sie Erkenntnisse zu Technologien, die für die Energiewende und den Klimaschutz entscheidend sind.
Technische Herausforderungen meistern
Der Bau einer Maschine, die Proben mit einem Gewicht von mehreren Tonnen auf Geschwindigkeiten bringen kann, bei denen 1.900 g-Tonnen erreicht werden, stellte erhebliche technische Anforderungen. Um sie zu erfüllen, waren maßgeschneiderte Lösungen aus mehreren Fachgebieten nötig. Das Projekt erforderte Expertise in Bauingenieurwesen, Automatisierung, Thermodynamik und Umweltwissenschaften. An der Zhejiang-Universität stellte ein spezialisiertes Team zusammen, um die besonderen Anforderungen extremer Rotationssysteme zu bewältigen. Viele herkömmliche Konstruktionsansätze reichten bei diesen Dimensionen nicht aus. Es mussten neue Bauteile entwickelt werden, die hohen Geschwindigkeiten und komplexen Betriebsbedingungen standhalten.
Die größte Herausforderung war das Wärmemanagement. Bei maximaler Betriebsgeschwindigkeit erzeugen Reibung und Luftwiderstand erhebliche Hitze, die das System destabilisieren oder die Eigenschaften der Proben verändern könnte. Die Ingenieure entwickelten ein ausgeklügeltes vakuumgestütztes Temperaturregelsystem, das die Zirkulation flüssigen Kühlmittels mit einer Zwangsbelüftung verbindet. Es umfasst den größten jemals für solche Anwendungen eingesetzten Flanschdurchmesser sowie spezielle Kältemittel, um bei hohen Drehzahlen eine stabile Betriebstemperatur zu gewährleisten. Ohne diese Kühlleistung würde die erzeugte Wärme sowohl die mechanische Unversehrtheit der Zentrifuge als auch die Aussagekraft der Versuchsergebnisse beeinträchtigen.
Auch die Schwingungskontrolle erforderte innovative Lösungen. Zusätzlich zur unterirdischen Aufstellung verfügt die Zentrifuge über präzise Auswuchtmechanismen, damit bereits geringe Unregelmäßigkeiten der Proben keine zerstörerischen Schwingungen verursachen. Diese Systeme schützen sowohl die Aussagekraft der Versuche als auch die Sicherheit der Anlage: Unwuchten könnten bei derart hohen Drehzahlen zu katastrophalen mechanischen Schäden führen. Die fachübergreifende Zusammenarbeit war entscheidend für die erfolgreiche Entwicklung und Inbetriebnahme der Anlage und stellt eine beachtliche Leistung im Bereich des großtechnischen Präzisionsingenieurwesens dar.
Globale Zusammenarbeit und wissenschaftlicher Ehrgeiz
Chen Yunmin, leitender Wissenschaftler des CHIEF-Projekts und Professor an der Zhejiang-Universität, hat eine ehrgeizige Vision für das wissenschaftliche Spektrum der Anlage formuliert. In Medieninterviews beschrieb er die Ziele des Teams mit weitreichenden Worten.
Wir wollen Versuchsbedingungen schaffen, die von Millisekunden bis zu Zehntausenden von Jahren und von atomaren bis zu kilometerweiten Maßstäben reichen, bei normalen wie bei extremen Temperaturen und Drücken. Damit erhalten wir die Chance, völlig neue Phänomene oder Theorien zu entdecken.
Die Anlage steht Forschenden von in- und ausländischen Universitäten, Forschungsinstituten und Unternehmen offen. Dieses gemeinschaftliche Modell soll den CHIEF-Komplex zu einem globalen Zentrum der Hypergravitationsforschung machen, ähnlich wie große Teleskope oder Teilchenbeschleuniger der internationalen Physikgemeinschaft dienen. Das chinesische Team wirbt aktiv um internationale Zusammenarbeit und setzt darauf, dass die Hypergravitationsforschung die Art und Weise verändern kann, wie die weltweite Ingenieursgemeinschaft Infrastruktur prüft und Risiken handhabt.
Der Übergang von der technischen Fertigstellung zur wissenschaftlichen Bestätigung ist allerdings noch nicht abgeschlossen. Die Maschine ist zwar installiert und wird als betriebsbereit beschrieben, doch begutachtete Versuchsergebnisse der CHIEF1900 wurden bislang nicht veröffentlicht. Die Wissenschaftsgemeinschaft wartet auf empirische Daten, die belegen, dass die Maschine ihre theoretischen Möglichkeiten tatsächlich ausschöpft. Zwischen dem Bau einer außergewöhnlichen Maschine und dem wissenschaftlichen Nachweis ihrer versprochenen Leistungen besteht ein wichtiger Unterschied. Bislang ist die technische Leistung unbestreitbar. Die volle wissenschaftliche Wirkung hängt jedoch davon ab, was künftige Versuche über die Anwendungen in der Praxis und die Genauigkeit der Modellvorhersagen zeigen werden.
Das Wichtigste
- Die Zentrifuge CHIEF1900 an der Zhejiang-Universität erzeugt 1.900 g-Tonnen und ist damit die leistungsstärkste Hypergravitationsanlage der Welt. Sie übertrifft den bisherigen Rekord von 1.300 g-Tonnen, den ihre Schwestermaschine Anfang 2025 aufgestellt hatte.
- Die Anlage wurde von der Shanghai Electric Nuclear Power Group gebaut und 15 Meter unter der Erde installiert, um Erschütterungen zu minimieren. Sie kostete rund 285 Millionen US-Dollar und wurde fünf Jahre nach der Genehmigung des Projekts im Jahr 2021 fertiggestellt.
- Die Maschine kann auf Proben von einer Tonne Gravitationskräfte wirken lassen, die 1.900-mal stärker sind als die natürliche Schwerkraft der Erde. Eine herkömmliche Waschmaschine erreicht dagegen etwa 2 g-Tonnen.
- Zu den Anwendungsgebieten zählen die Modellierung von Dammbrüchen, Erdbebenschäden und Erdrutschen, die Ausbreitung von Schadstoffen im Boden über Jahrtausende, das Verhalten von Atommülllagern und Resonanzerscheinungen an Hochgeschwindigkeitsbahnstrecken.
- Sechs spezialisierte Versuchskammern decken unter anderem die Hangstabilität, die seismische Geotechnik, die Tiefseetechnik und die Umweltforschung im tiefen Untergrund ab.
- Ein vakuumgestütztes Kühlsystem mit speziellem Kühlmittel und dem größten je für solche Anwendungen gebauten Flanschdurchmesser bewältigt die extreme Wärme, die bei hohen Drehzahlen entsteht.
- Die Anlage steht Forschenden von Universitäten, Forschungsinstituten und Unternehmen aus aller Welt offen. Sie dient als gemeinsame Plattform, ähnlich großen Teilchenbeschleunigern oder Teleskopen.
- Der Bau ist abgeschlossen und die Maschine betriebsbereit. Begutachtete wissenschaftliche Ergebnisse der CHIEF1900 wurden jedoch noch nicht veröffentlicht. Die Bestätigung ihrer vollen Leistungsfähigkeit steht daher noch aus.
