Heimwerken im Columbia Physics Design Lab

Dec 25, 2023

Eine alte Maschinenwerkstatt in Pupin Hall hat ein neues Leben als Makerspace für Wissenschaftler, die sich die Zukunft der Physik vorstellen können.

Pupin Hall hat eine bewegte Geschichte an der Columbia University. Das 1927 erbaute Gebäude war die Heimat von Wissenschaftlern, die Pionierarbeit in der Atom- und Kernphysik leisteten, in die Tiefen des Universums blickten und den Weg in die erste Quantenrevolution ebneten.

Heute wird diese Tradition fortgesetzt, aber innovative Experimente erfordern innovative Teile … die oft noch erfunden werden müssen. Im Columbia Physics Design Laboratory steht Lehrkräften und Doktoranden jetzt ein DIY-Raum zur Verfügung, in dem sie sich die Zukunft vorstellen und die Teile bauen können, um dorthin zu gelangen.

Zu diesen Teilen gehörten Dinge wie Drehtellerständer zur Untersuchung der Quanteneigenschaften atomar dünner Schichten, Flansche für ultrakalte Vakuumkammern, in denen Quantenmaterialien für Bildgebung und Manipulation untergebracht werden sollen, sowie Komponenten für neue Laseraufbauten. „Es handelt sich im Allgemeinen um viele sehr kleine Teile bis hin zu sehr komplexen, sehr coolen Systemen“, sagte Clara Wilson, eine Stabsingenieurin, die letztes Jahr von JILA zu Columbia kam, um dabei zu helfen, den Weltraum neu zu erfinden.

Während eines Großteils des 20. Jahrhunderts mussten Wissenschaftler fast alles für ihre Experimente selbst bauen, erklärte der kolumbianische Physiker Cory Dean, sodass Universitätsmaschinen-, Holzbearbeitungs- und sogar Elektrowerkstätten die Norm waren. Doch im Laufe der Zeit tauchten kommerzielle Anbieter auf, die spezielle Teile und Teile lieferten, und die Unterstützung durch Universitäten wurde immer seltener.

Pupin Hall unterhielt eine Werkstatt, in der ein Maschinist immer noch Teile auf Bestellung herstellte, aber eine neue Generation von Physikern an der Columbia – darunter auch Dean – wollte den Prozess selbst in die Hand nehmen. „Um die moderne Physik zu unterstützen, brauchen wir einen Bauraum vor Ort, der von einer qualifizierten Person beaufsichtigt wird, die uns die Werkzeuge und Anleitungen zur Verfügung stellen kann, die uns bei der Verwirklichung völlig neuartiger Ideen helfen“, sagte Dean. „Das Design Lab wird eine entscheidende Rolle für die Zukunft der Physik an der Columbia spielen.“

Heute ist Pupin Hall, Raum 1111 ein kollaborativer Makerspace, in dem Benutzer zusammenkommen, um gemeinsam und mit Wilson Ideen zu sammeln und herauszufinden, wie sie diese am besten auf den verschiedenen verfügbaren Maschinen umsetzen können.

Die Maschinenpalette reicht von hochmodernen Maschinen, darunter drei 3D-Drucker und ein neu installierter Laserschneider, bis hin zu uralten Ersatzmaschinen wie massiven Eisenmühlen und Bohrmaschinen. Das älteste Gerät ist eine Bandsäge aus den 1950er-Jahren, Wilsons Favorit sind die Drehmaschinen aus den 1960er-Jahren, die auch nach all den Jahren noch einwandfrei funktionieren. „Außerdem sind sie in einem wirklich schönen Columbia-Blau gestrichen. Ich weiß nicht, wer das wann gemacht hat, aber es verleiht dem Ganzen eine nette Note“, sagte sie.

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Folie 1: Ein alter Raum ist weiterhin nützlich.

Folie 2: Moderne 3D-Drucker bieten Anwendern Möglichkeiten der additiven Fertigung.

Folie 3: Ein Laserschneider ist eine weitere moderne Möglichkeit, computergestützte Designs zu erstellen.

Ein alter Raum ist weiterhin nützlich.

Moderne 3D-Drucker bieten Anwendern Möglichkeiten der additiven Fertigung.

Ein Laserschneider ist eine weitere moderne Möglichkeit, computergestützte Designs zu erstellen.

Die neueren Maschinen bieten Möglichkeiten für die sogenannte additive Fertigung, die eine geringere Eintrittsbarriere haben kann und sich besser für computergestütztes Design eignet als die klassischen Eisenbearbeitungsteile, bemerkte Dean. Beispielsweise nutzte sein Labor kürzlich einen 3D-Drucker, um spezielle Halterungen zum Laden und Entladen von Quantenmaterialproben in ihre Instrumente für Messungen zu bauen; Dieser Prozess dauerte nur wenige Wochen, während bei einer klassischen Maschine die Schulung und Bearbeitung möglicherweise Monate gedauert hätte.

Unabhängig von der Wahl der Maschine – jede bringt Vor- und Nachteile mit sich – ermöglicht der Vor-Ort-Shop Iteration, Flexibilität und Zusammenarbeit auf eine Art und Weise, wie dies bei der Auslieferung von Entwürfen an einen Anbieter nicht der Fall ist. „Wir können mit einem Problem zu Clara kommen, überlegen, wie wir es lösen können, und dann mit dem Bauen und Wiederaufbauen beginnen, bis wir genau das haben, was wir brauchen“, sagte Dean.

Neben der Unterstützung von Experimenten bietet das Design Lab den Studierenden die Möglichkeit, wertvolle Design- und Fertigungsfähigkeiten zu erlernen. „Ich möchte, dass das Design Lab dazu beiträgt, die Ausbildung der Studenten abzurunden und ihnen gleichzeitig die Ressourcen zum Basteln zur Verfügung zu stellen, und ich wünsche mir viel Spaß mit der Technologie, die wir hier haben“, sagte Wilson.

Um Zugang zu erhalten, müssen interessierte Nutzer zwei Sicherheitsschulungen absolvieren. Das Design Lab hat bisher 24 Benutzer und steht derzeit nur Lehrkräften und Studenten der Fakultät für Physik zur Verfügung. Wilson hofft jedoch, diese Zahl zu erhöhen und bald auf andere Abteilungen auszudehnen.

„Ich möchte, dass jeder, der den Raum nutzt, ich selbst eingeschlossen, experimentieren und voneinander lernen kann“, sagte Wilson. „In Columbia gibt es eine Menge spannender wissenschaftlicher Entwicklungen und ich freue mich, ein Teil davon zu sein.“