Katalog Der Blick ins Innere

GrußwortProf. Albert HeubergerInstitutsleiter (geschäftsführend)Prof. Bernhard GrillInstitutsleiter Prof. Alexander Martin Institutsleiter Liebe Interessierte an Kunst und Wissenschaft,die Ausstellung »Der Blick ins Innere« zeigt Bilder von leistungsfähigen Röntgenanlagen des Fraunhofer IIS. Sie führt den Blick in Objekte hinein und offenbart Strukturen und Details, die eine ganz eigene Ästhetik aufweisen. Ohne technische Unterstützung oder die Zerstörung des Objekts sind sie nicht sichtbar. Einige Bilder wurden behutsam eingefärbt, um Details hervorzuheben oder den Blick zu lenken. In der Tradition unserer Ausstellungs-reihe Art & Technology verbindet die Ausstellung Kunst und Wissenschaft und ermöglicht es, die Augen für Neues zu öffnen und sich zu neuen Sichtweisen inspirieren zu lassen.Entstanden sind die Bilder im Auftrag von Museen, die kulturelles Erbe dokumentieren oder Erkenntnisse über ihre Objekte erhalten wollen. Die Röntgentechnik kann zeigen, ob und wie Objekte repariert werden können oder bringt neue Erkenntnisse zum Aufbau und zur Zusammensetzung der Gegenstände. Viele historische Objekte schlummern auch in Archiven und können nur digital zugänglich gemacht werden. Auch sollen weltweite Standards entstehen, die eine vergleichbare Bildqualität gewährleisten. Im Katalog finden Sie die Bilder der Ausstellung sowie die Geschichten zu ihrer Entstehung und den gewonnenen Erkenntnissen.Wir wünschen Ihnen viel Inspiration bei der Lektüre.

GrußwortLiebe Besucherinnen und Besucher,Neugierde ist ein zentraler Motor unserer täglichen Arbeit als Forschende und eine Eigenschaft, die den Weg zu unzähligen Erkenntnissen und Entdeckungen ebnet. In der Welt der Wissenschaft ist es die innige Verbindung zwischen Frage und Antwort, die die Triebkraft für den Fortschritt bildet. Wir als Forscherinnen und Forscher werden von unserer Neugierde angetrieben, einen Blick ins Innere der Dinge zu ermöglichen.Ich erinnere mich gut an eines unserer ersten Projekte mit dem Germanischen Nationalmuseum, bei dem wir eine rund 500 Jahre alte Henlein-Dosenuhr digitalisiert haben. Das komplex geformte und präzise zusammen-gesetzte Innere der Uhr zu erreichen, ohne diese zu zerstören, war mit herkömmlichen Mitteln absolut undenk-bar. Mit unserer Technik haben wir unsere Kolleginnen und Kollegen des Museums in die Lage versetzt, das Objekt digital in seine Einzelteile zu zerlegen und so zahlreichen Rätseln auf die Spur zu kommen.Die Erforschung und Untersuchung von einmaligem, unersetzlichem Kulturerbe treibt uns Forschende an und weckt Faszination. Modernste Röntgentechnik befähigt uns dazu, verborgene Details als Erste zu entdecken. Darüber hinaus ermöglicht sie Forscherinnen und Forschern aus aller Welt, auf digitalisierte Objekte zuzugrei-fen, die unter ihrer Oberfläche Details freigeben, die für das menschliche Auge durch bloße Betrachtung nicht sichtbar wären.Dr. Norman UhlmannBereichsleiter Fraunhofer-Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT

Physik als Pinsel: Unsichtbares wird sichtbar Röntgenstrahlung ist – wie Licht – elektromagnetische Strah- lung. Im Vergleich zu sichtbarem Licht mit 380 bis 780 Nano- metern Wellenlänge ist Röntgenstrahlung tausend bis hundert- tausendfach kurzwelliger und dadurch deutlich energiereicher. Röntgenstrahlung wird erzeugt, indem Elektronen mit Hoch- spannung beschleunigt und auf ein Stück Metall, das so genannte Target, gelenkt werden. Bei der Interaktion der beschleunigten Elektronen mit dem Targetmaterial, meistens Wolfram, erwärmt sich das Metall stark. Nur ein geringer Teil der Energie wird in Form von Röntgenstrahlung abge- geben. Die Energie der so erzeugten Röntgenstrahlung ist dabei abhängig von der Bewegungsenergie der auftreffenden Elektronen. Auf der anderen Seite messen elektronische Flachbild- oder Zeilendetektoren pixelweise die Röntgenstrahlung, die das Objekt durchdrungen hat, und wandeln sie in ein digitales Graustufenbild um. Da die Strahlung von einem einzelnen Punkt ausgeht, handelt es sich um ein Projektionsbild, das die Intensitätsverteilung der geschwächten Röntgenstrahlung nach Durchquerung des Untersuchungsgegenstands zeigt. Unter Computertomographie (CT) versteht man die compu- tergestützte Berechnung von Schnittbildern (altgriechisch tomos: Schnitt) für wohldefinierte Ebenen innerhalb eines Röntgenaufbau mit Strahlungs- quelle links und Flachbildschirm- detektor rechts dreidimensionalen Körpers. Grundlage für die CT ist eine Serie von Projektionsbildern des Objekts, wobei die Aufnahmen aus möglichst vielen unterschiedlichen Richtungen angefertigt werden. Um die CT-Messung durchzuführen, wird das Objekt zwischen einer Strahlungsquelle, z. B. einer Röntgenröhre, und einer großflächigen Kamera, z. B. einem Flachbilddetektor, positio- niert. Während das Objekt einmal um seine Achse gedreht wird, zeichnet der Flachbilddetektor die Serie von Durchstrah- lungsbildern auf. Mit Hilfe einer mathematischen Vorschrift, dem Rekonstruktionsalgorithmus, werden diese in einem Computer so weiterverarbeitet, dass sich die dreidimensionale Verteilung der Massendichte im Objekt ergibt.

» Unser zerstörungsfreies Monitoring umfasst den gesamten Produktlebens- zyklus, angefangen vom Rohstoff über die Produktion bis zum Recycling.« Dr. Norman Uhlmann Bereichsleiter Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT Bei der praktischen Durchführung ist es dabei ohne Belang, ob der Gegenstand im Strahlenkegel zwischen einer feststehen- den Quelle und einem ebenfalls ortsfesten Detektor gedreht wird, oder die Quelle und der Detektor sich synchron um das ruhende Objekt drehen. In der medizinischen CT ist das Untersuchungsobjekt aus- schließlich der menschliche Körper, die Fragestellungen sind wohlbekannt. Um neuartige Fragestellungen an Objekten, die nie zuvor tomographiert wurden, zu bearbeiten, müssen eine Vielzahl der Aufnahmeparameter durch erfahrene Fachleute angepasst und optimiert werden. Am Entwicklungszentrum Röntgentechnik existiert ein breit aufgestellter Anlagenpark verschiedenster CT-Systeme. Damit kann ein Auflösungsbe- reich von Nanometer bis Millimeter abgedeckt werden. Eines dieser Systeme ist die sogenannte XXL-CT. Dabei handelt es sich um das weltweit größte öffentlich zugängliche CT-Sys- tem. Die Verwendung eines Linearbeschleunigers mit maximal 9 Megaelektronenvolt (MeV) Röntgenenergie in Kombination mit einem 4 Meter langen Zeilendetektor und einem präzisen Manipulationssystem ermöglicht zahlreiche neuartige Anwen- dungen. Die Hochenergie-CT erlaubt erstklassige zerstörungs- freie Analysen auch an Objekten mit großen Abmessungen wie beispielsweise kompletten Hubschraubern oder Fahrzeu- gen, Frachtcontainern mit Inhalt, Klavieren und Statuen. Auch Materialien hoher Dichte wie Stahl, Blei oder Platin können hinsichtlich der äußeren wie inneren Struktur, konstruktiver Details, Abmessungen sowie verborgener Inhalte untersucht werden. Text von Dr. Theobald Fuchs, Chief Scientist Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT Deutlich erkennbar ist die Struktur eines Holzstücks

Zusammenarbeit mit Museen Die Digitalisierung des Kulturerbes stellt sowohl eine Her- ausforderung als auch eine nie dagewesene Chance zur Erschließung vergessener, unerkannter und bisher unzugäng- licher Wissensquellen dar. Angesichts der überwältigenden Fülle und Vielfalt bedarf es einer Systematik und optimierter Prozesse zur virtuellen Erfassung historisch bedeutsamer Objekte in Sammlungen und Museen. Demnach besteht hier beträchtlicher Bedarf nach methodischer, technischer und prozeduraler Entwicklung. Bereits heute lässt sich absehen, dass eine massenweise Digitalisierung von naturkundlichen, kunst-, kulturwissenschaftlichen und technischen Sammlun- gen ein unabsehbar weites Betätigungsfeld für datenbasierte Forschung und die Wissenschaft eröffnen wird. Mithilfe der eingesetzten Röntgentechnik gewinnen wir Erkenntnisse über den Aufbau und die Zusammensetzung der Gegenstände. Dies versetzt Experten und Expertinnen in die Lage zu entscheiden, ob und wie Objekte idealerweise restauriert werden können. Gleichzeitig wird Röntgentechnik eingesetzt, um historische Objekte zeit- und ortsunabhängig digital zugänglich zu machen. Forschende auf der ganzen Welt können somit bisher noch nicht erkannte Zusammenhänge ver- schiedener Kulturgüter herstellen. Auch verborgene Schätze in Archiven können somit einer breiten Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden – schließlich sind Museen üblicherweise in der Lage nur einen schwindend geringen Teil ihrer Sammlung auszustellen. Das Entwicklungszentrum Röntgentechnik des Fraunhofer IIS beschäftigt sich bereits seit über zehn Jahren mit der Digitali- sierung einmaliger Kulturschätze. Die Forschenden am Stand- ort Fürth verfügen über einen einmaligen Anlagenpark an Computertomographie-Systemen, um nahezu alle Hürden der Digitalisierung von Objekten nehmen zu können, ohne dabei die unersetzbaren Gegenstände zu beschädigen: Von hoch- energetischer Untersuchung für besonders große und massive Objekte, über hochflexible robotergestützte Computertomo- graphie bis hin zu höchstauflösenden Systemen, können wir für nahezu jede Fragestellung das passende Instrument zur Verfügung stellen. Aufgrund dieser einmaligen Möglichkeiten sowie der umfang- reichen Expertise im Umgang mit kulturhistorischen Artefakten vertrauen uns Kunden, Sammler und Museen aus aller Welt. Die Art-und-Technology-Ausstellung mit besonderen Röntgen- aufnahmen von Museumsobjekten präsentiert einen Aus- schnitt jahrelanger Forschungsarbeit.

Ein Auszug aus unseren Projekthighlights Mumien und Masken In Kooperation mit dem Linden-Museum Stuttgart wurden zwei besondere Objekte mittels Röntgentechnik digitalisiert: eine peruanische Mumie und eine Elfenbeinmaske. Am Beispiel der Mumie wird besonders deutlich, dass Einblicke ins Innere ohne Beschädigung sonst nicht möglich wären und auch auf- grund des Respekts vor Human Remains ohnehin nicht zuläs- sig. Der hochaufgelöste Scan umfasst eine Größe von ca. einem Terrabyte an Daten. Um Datenmengen dieser Grö- ßenordnung effizient verarbeiten zu können, wurden eigene Kompressions- und Visualisierungsverfahren entwickelt. Die Elfenbeinmaske der Iyoba Idia (Inv. Nr. F 50565) wurde in Absprache mit der National Commission for Museums and Monuments (NCMM) in Nigeria digitalisiert, bevor sie im Januar 2023 nach Benin restituiert wurde. Ziel war einerseits die Feststellung des Erhaltungszustands, der sich als sehr gut erwies und andererseits die Herstellung einer 3D-gedruckten Kopie für eine Sonderausstellung »Benin: Restitution als Pro- zess« im Linden-Museum. Die Herausforderungen bestanden darin, eine möglichst genaue Messung durchzuführen und die Oberfläche der Maske für die Druckvorbereitung genau zu extrahieren. Beide Beispiele zeigen, dass neben den technischen Möglich- keiten und den Kompetenzen in der Durchführung qualitativ hochwertiger CT-Scans auch Methoden und Technologien zur Datennachverarbeitung, -analyse und -visualisierung unerläss- lich sind. Die Elfenbeinmaske aus der Benin-Sammlung des Linden-Museums in Stuttgart. Sie wurde zusammen mit den Benin-Bronzen vor der Rückgabe in Fürth tomographiert. Digitalisierung in Museen: Wie wir das Geheimnis einer peruanischen Mumie lüfteten – Beitrag im Online-Magazin des Fraunhofer IIS. www.iis.fraunhofer.de/mumie

Historische Musikinstrumente Im Rahmen des Projekts MUSICES wurden insgesamt über hundert Einzelstücke historischer Musikinstrumente innerhalb von drei Jahren digitalisiert. Ziel war eine möglichst hohe drei- dimensionale Auflösung bei gleichzeitig minimaler Einwirkung auf die Instrumente zu realisieren. Aus diesem Grund bestand das Projektteam nicht nur aus Forschenden des Entwicklungs- zentrums Röntgentechnik, sondern wurde um Mitarbeitende des Germanischen Nationalmuseums Nürnberg erweitert. Anschließend wurden alle Messungen gemeinsam geplant, relevante Prüfparameter diskutiert und spezielle Halterungen für die Objekte angefertigt, um sie röntgentechnisch optimal und gleichzeitig sicher in den Anlagen zu platzieren. Zum Einsatz kamen beispielsweise Vakuumkissen und Styropor-For- men. Zudem wurde das Raumklima überwacht und gegebe- nenfalls die Luftfeuchtigkeit angepasst, um ideale Bedingun- gen zu gewährleisten. Je nach Objektklasse kamen unterschiedliche Anlagen zum Einsatz: Klaviere wurden in der Linac -CT untersucht, hölzerne Streich- und Blasinstrumente in der Mikro-CT, Trompeten und andere Blasinstrumente aus Messing in der 600 kV-Anlage. Für eine bessere Darstellung wurden manche Instrumente mehr- fach gemessen, um problematische Stellen, wie beispielsweise Bereiche rund um die metallische Klappen bei Klarinetten, Oboen und Fagotten optimal abbilden zu können. Im Rahmen dieses Projekts wurden schrittweise Empfehlungen zum Umgang mit historisch bedeutsamem Kulturgut erstellt. Flügel in der XXL-Röntgenhalle Das Projekt Musices www.iis.fraunhofer.de/musices

Von XXL bis massiv Eine besondere Herausforderung stellen sehr große Objekte oder Fundstücke aus massiven Material dar. Darunter zählt einer der besterhaltenen Tyrannosaurus-Rex-Funde aller Zeiten, der auf ein Alter von 66,4 Millionen Jahren datiert wird. Alleine der Schädel dieses Exemplars wiegt um die 500 Kilogramm. Um das fragile Skelett möglichst detailgetreu abzubilden, wurden die Überreste des T. Rex einschließlich der ihn umge- benden Gesteinsschichten in der XXL-CT-Anlage untersucht. Die hochaufgelösten Messergebnisse lassen zuverlässig Rück- schlüsse auf verborgene Bruchstellen zu, die die Aufbereitung des Fundes enorm erleichtern. Ebenso wurden in der XXL-CT-Halle beispielsweise auch 60 Chiffriermaschinen aus Metall von den 1870er-Jahren bis in die 1990er-Jahre aus der Sammlung des Deutschen Museums untersucht, deren detailliertes Innenleben und Funktionswei- se bislang nicht vollständig geklärt werden konnten. Mittels Röntgentechnik konnten so neue Erkenntnisse über die Kons- truktion gesammelt werden, ohne die Geräte zu öffnen. Ein speziell eingebauter Mechanismus sorgt nämlich dafür, dass beim Öffnen des Gehäuses das Innere unwiderruflich zer- stört wird. Bei der Durchführung der Messungen wurden fünf Chiffriermaschinen mittels eines eigens entwickelten Manipula- tionsmechanismus zeitgleich gescannt, um die verhältnismäßig lange Aufnahmezeit dieser Sammlung effizient zu gestalten. Die anschließend entstandenen 3D-Modelle stehen heute auch Besucherinnen und Besuchern des Deutschen Museums zur Verfügung. Wir sind stolz darauf, auch in Zukunft einen entscheidenden Beitrag zur Digitalisierung des Kulturerbes leisten zu können, um einerseits die Forschung voranzutreiben, aber auch die Erhaltung dieser kostbaren Gegenstände zu ermöglichen. Blick in die XXL-CT-Halle XXL-Computertomographie www.iis.fraunhofer.de/xxl

Chiffriermaschine SG-41 von 1943 Im Rahmen der eHeritage-Förderung wurden ca. 60 Chiffriergeräte aus der Kryptografie- Sammlung des Deutschen Museums mittels CT-Scans erschlossen und der Öffentlichkeit als Open Data zur Verfügung gestellt. Das Schlüsselgerät SG-41 gilt als Nachfolger der Heeres-Enigma-Dechiffriergeräte. Durch einen verbesserten, unregelmäßigen Chiffrieralgorithmus sind bedeutend mehr Ver- schlüsselungskombinationen möglich. Die Maschine wurde im Jahr 2017 durch Hobby- Schatzsucher im Waldboden in der Nähe von Ayin entdeckt. Die aufbereiteten Daten dienen Forschenden bei der lückenlosen Rekonstruktion des Verschlüsselungsalgorithmus.

Historische Uhren Dosenförmige Taschenuhr, so genannte »Henlein-Uhr« Foto: Germanisches Nationalmuseum, Nürnberg Bei der Henlein-Dosenuhr war das Germanische Nationalmuseum Nürnberg daran interessiert, das tatsächliche Alter der Uhr zu bestimmen. Im Deckel der Uhr befindet sich eine gefälschte Signatur des Nürnberger Uhrmachers Peter Henlein samt der Jahresangabe 1510. Entspräche die eingeprägte Datierung der Wahrheit, so wäre die Henlein-Uhr die älteste kleinformatige mobile Taschenuhr der Welt. Die röntgentechnologischen Untersuchungen ergaben, dass das Uhrwerk zwar dem Typ nach aus Peter Henleins Zeit stammt, die Uhr selbst jedoch erst im 19. Jh. zusammengefügt wurde. Damit ist sie ein »Kompilat« aus älteren und neuen Bauteilen, und, anders als vermutet, nicht die älteste Taschenuhr der Welt.

Geschichte des RöntgensAm 8. November 1895, »zu später Abendstunde, in der sich keine dienstbaren Geister mehr im Laboratorium befanden«, bereitet der Würzburger Physikpro-fessor Wilhelm Conrad Röntgen eines seiner Experimente vor. Er möchte die Leuchtfähigkeit von Gasen testen, indem er mithilfe von elektrischem Strom Gasentladungen in einer Vakuumröhre aus Glas erzeugt. Er dunkelt sein Labor ab, wickelt die Glasröhre in schwarzes Papier, schaltet den Strom ein – und sein Blick fällt auf ein nebensächliches, scheinbar belangloses Phänomen: Ein Leucht-schirm, der zufällig neben der lichtdicht verpackten Röhre auf einem Tisch liegt, beginnt in der Dunkelheit des Labors grün zu leuchten. Selbst Holz, Papier-hefte und ein rund 1000 Seiten dickes Buch können die wunderlichen Strahlen nicht aufhalten, Platin und Blei hingegen schon. Röntgen hält seine Hand in die Strahlen und macht die wohl aufregendste Entdeckung seines Lebens: Auf dem Leuchtschirm sieht er die Schatten seiner Handknochen.So begann vor über hundert Jahren die Geschichte des Röntgens. Heute hat sich das Entwicklungszentrum Röntgentechnik (EZRT) des Fraunhofer IIS zu einem der bedeutsamsten Forschungszentren für industrielle Röntgentech-nik weltweit entwickelt. Die Fachabteilungen bieten Lösungen von optischen 3D-Messsystemen über industrielle Röntgenkameras bis hin zu schlüsselfertigen Röntgensystemen für Fertigungsebenen.Der Hauptsitz des Entwicklungszentrums ist in Fürth, weitere Standorte befin-den sich in Würzburg, Deggendorf und Passau. Eine enge Zusammenarbeit besteht auch mit dem Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP in Saarbrücken.Professor Wilhelm Conrad Röntgen im Jahr 1990 Das aufsehenerre-gendste der ersten Röntgenbilder: Bertha Röntgens Handkno-chen mit EheringFoto: Deutsches Röntgen-MuseumDie Entdeckung der Röntgenstrahlenwww.iis.fraunhofer.de/ezrt/roentgengeschichte Entwicklungszentrum Röntgentechnik (EZRT) des Fraunhofer IIS www.iis.fraunhofer.de/ezrt

HerausgeberFraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IISProf. Dr.-Ing. Albert Heuberger (geschäftsführend)Prof. Dr.-Ing. Bernhard GrillProf. Dr. Alexander MartinAm Wolfsmantel 3391058 ErlangenTelefon +49 9131 776-0info@iis.fraunhofer.dewww.iis.fraunhofer.deRedaktionPatricia Petsch (Leitung), Thoralf Dietz, Miriam Doll, Vanessa Jelito, Thomas KestlerRedaktionelle MitarbeitDr. Michael Böhnel, Dr. Theobald Fuchs, Dr. Thomas Lang, Nils Reims, Prof. Dr. Tomas Sauer, Gabriele Scholz, Dr. Norman Uhlmann Layout und ProduktionAriane RitterDruckNova-Druck, NürnbergImpressumKontaktFraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IISUnternehmenskommunikationAm Wolfsmantel 3391058 ErlangenTelefon +49 9131 [email protected] IIS, wenn nicht anders angegebenAlle Rechte vorbehalten.Vervielfältigung und Verbreitung nur mit Genehmigung der Redaktion.© Fraunhofer IISErlangen, September 2023