Forschung 07.09.2012, 11:00 Uhr

European XFEL-Projekt: Riesenaufwand für Bilder aus dem Nanokosmos

Mithilfe eines Röntgenlasers wollen Wissenschaftler tief unter Hamburg erstmals Fotos und Filme von Atomen und Molekülen aufnehmen. Das erlaubt es u. a., die Eigenschaften bekannter Materialien zu verbessern und völlig neue Werkstoffe mit revolutionären Merkmalen zu finden. Außerdem werden chemische Prozesse sichtbar gemacht – und damit optimierbar.

European XFEL-Gemeinschaft: Fotos und Filme von Atomen und Molekülen.

European XFEL-Gemeinschaft: Fotos und Filme von Atomen und Molekülen.

Foto: Helmholtz

„Ameli“ und „Tula“ haben ganze Arbeit geleistet. 23 Monate lang wühlten sie sich durch das Erdreich zwischen dem Hamburger Stadtteil Bahrenfeld und einem 3,1 km entfernten Punkt im Nachbarort Schenefeld (Kreis Pinneberg). Ergebnis ist ein 5777 m langes Tunnelsystem. Es besteht aus einem 2 km langen und schnurgeraden Teilstück, das sich am Ende strahlenförmig verzweigt. Die fünf „Abzweige“ münden in einer tief in die Erde von Schenefeld gegrabene Experimentierhalle. Exakt gerade ausgerichtet unterqueren die Tunnel mehrere Straßen, Wohngebiete und Felder. Tief unter einer – je nach Geländesprung – 6 m bis 38 m tiefen Erdschicht verborgen, sollen sie der Wissenschaft buchstäblich und bildlich blitzartig neue Einblicke ermöglichen.

Der Name der beiden Tunnelbohrmaschinen ist Programm: Tula bedeutet „Tunnel für Laser“, Ameli bezeichnet das Ergebnis: „Am Ende Licht“.

Die Anlage, die ab 2015 in diesem Tunnelsystem in Betrieb gehen wird, heißt „Europäischer Röntgenlicht-Freie-Elektronen-Laser“ oder kurz European XFEL vom englischen „X-Ray Free Electron Laser“: „Wir wollen Atome und Bio-Moleküle sichtbar machen, sie fotografieren und sogar Videos anfertigen“, sagt der Geschäftsführer der European XFEL GmbH, Massimo Altarelli.

Rund 1,1 Mrd. € lässt sich die European XFEL-Gemeinschaft aus zwölf europäischen Ländern die Chance auf einen solchen Blick in die Bausteine des Lebens und der Materie kosten. Bislang war dies nur schwer möglich: Das Licht aus herkömmlichen Forschungslasern ist zu langwellig, um Atomstrukturen im Detail abbilden zu können. Und das Licht anderer Röntgenlichtquellen ist bei Weitem nicht intensiv genug, um einzelne Moleküle sichtbar zu machen. Die Forscher mussten sich deswegen in der Vergangenheit mit einem Kunstgriff helfen. Sie züchteten Kristallstrukturen aus jenen Molekülen, die sie abbilden wollten.

„Bei Bio-Molekülen ist das aber außerordentlich schwierig und kann 15 und mehr Jahre dauern“, erläutert Altarelli. Zudem gibt es viele Proteine, die sich gar nicht kristallisieren lassen.

Altarelli hat das Beispiel der Bio-Moleküle bewusst gewählt, denn es macht den Zweck der für Laien kaum verständlichen Physik besonders anschaulich: „Wenn wir den Aufbau von Bio-Molekülen näher betrachten können, werden wir vielleicht auch die Funktionsweise von Viren besser verstehen. Das wird uns erlauben, gezielt Gegenmittel zu entwickeln.“

XFEL-Laser blitzt 27 000 Mal pro Sekunde

Beim Sichtbarmachen molekularer Strukturen steckt der Teufel jedoch buchstäblich im Detail: Zum einen bewegt sich die Größe von Molekülen im Nanometer-Bereich (10-9m) – die Wellenlänge des Laserlichtes muss also kleiner sein. Der XFEL-Laser werde sich in einer Wellenlänge von 0,05 nm bis 6 nm bewegen, sagt Altarelli. Zum anderen reagieren Moleküle und Atome extrem schnell auf Energie-Impulse von außen mit einer Leuchtdauer von nur wenigen billiardstel Sekunden (Femtosekunden) sollen die XFEL-Lichtblitze die molekularen Reaktionszeiten deutlich unterbieten. Bis zu 27 000 dieser Blitze wird der Hamburger Röntgenlaser pro Sekunde produzieren. Zum Vergleich: Die beiden Röntgenlaser, die zur Zeit in Kalifornien und in Japan entstehen, werden „nur“ Frequenzen von rund 120 beziehungsweise 60 Blitzen pro Sekunde produzieren. „Die kurze Abfolge der Blitze wird es uns sogar ermöglichen, Videoaufnahmen von molekularen Prozessen anzufertigen“, freut sich Altarelli.

Röntgenlaser: Elektronen auf Slalomkurs

Im Verhältnis zu diesem physikalischen Nanokosmos ist der physische Aufwand für die erforderliche Technik geradezu galaktisch groß. Das Prinzip klingt zunächst einfach: Um Röntgenlaser-Blitze zu erzeugen, werden Elektronen zunächst beschleunigt, dann auf einen Slalomkurs und damit dazu gebracht, Röntgenstrahlen abzugeben.

Konkret passiert folgendes: Im ersten, 2000 m langen Tunnelabschnitt werden die Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt: Die mit-hilfe eines Lasers aus einem Metallstück gelösten Elektronenpakete „fliegen“ durch spezielle Hohlkörper – sogenannte Resonatoren – und werden dabei durch Mikrowellen zusätzlich auf höchste Energien gebracht.

Die Resonatoren bestehen aus dem Metall Niob und sind supraleitend: Kühlt man sie auf -271°C ab, verlieren sie ihren elektrischen Widerstand. Strom fließt dann verlustfrei und praktisch die gesamte elektrische Leistung kann auf die Teilchen übertragen werden.

Diese supraleitende Struktur definiert den wesentlichen Unterschied zwischen dem European XFEL und den beiden anderen Röntgenlasern in Kalifornien und Japan: „Die Supraleitung ermöglicht einen Elektronenstrahl, der aus vielen hintereinander gereihten Elektronenpaketen besteht und von besonders hoher Qualität ist. Dadurch lassen sich am European XFEL zum einen weit mehr Lichtblitze pro Sekunde erzeugen, zudem erhöht sich die Ausbeute an verwertbaren Lichtblitzen“, sagt Altarelli. Das verbessert nicht nur die Experimentiermöglichkeiten, sondern erhöht auch die Kapazitäten für die Forschungsarbeiten.

Im Forschungsgebäude am Ende der fünf „Tunnelfinger“ in Schenefeld können bis zu zehn Messplätze mit unterschiedlichen Experimenten parallel zueinander betrieben werden.

Bevor es dort allerdings Licht wird, müssen die Elektronenpakete noch zum Leuchten gebracht werden. Diesem Zweck dienen jeweils mehr als 100 m lange Magnetstrukturen mit wechselnder Magnetrichtung. Diese „Undulatoren“ bringen die beschleunigten Teilchen auf den gewünschten engen Slalomkurs, dabei geben die Elektronen Röntgenlicht ab.

Das Licht hat einen wichtigen Effekt: Da es sich schneller ausbreitet als die auf der Slalombahn fliegenden Elektronen, überholt es die Teilchen und wirkt beim Vorbeifliegen auf die Elektronen ein. Einige Elektronen werden beschleunigt, andere abgebremst. Als Folge davon ordnen sich die Elektronen in zahlreichen dünnen Scheiben an. Das Entscheidende: Sämtliche Elektronen in einer Scheibe strahlen jetzt im Gleichtakt. Dadurch entstehen extrem kurze und intensive Röntgenblitze mit den Eigenschaften von Laserlicht. Sie treffen am Ende des Tunnels auf verschiedene Proben. Wenn die Röntgenstrahlung von der Probe abgelenkt wird, entstehen bestimmte Muster. Aus diesen können die Wissenschaftler Bilder oder sogar Filme erzeugen, die die Struktur der Probe und ihr Verhalten mit atomarer Auflösung zeigen.

Forschungstradition beschert Hamburg den XFEL-Zuschlag

Dass diese Technologie in Hamburg angesiedelt ist, hat mit der dortigen Forschungstradition zu tun. Unter der Hansestadt wurde bereits 1964 der Teilchenbeschleuniger „Deutsches-Elektronen-Synchroton“ (DESY) in Betrieb genommen. Physikalisch dreht sich dort alles um Beschleuniger: In einem 6,3 km langen Ringtunnel unter der Stadt sowie einer ganzen Reihe weiterer Teilchenbeschleuniger untersuchen die Wissenschaftler dort das Verhalten von kleinsten Teilchen und betreiben Röntgenlichtquellen für die Forschung.

Mit „Flash“ bauten die Hamburger auch den ersten Freien-Elektronen-Laser und erprobten das Prinzip der XFEL. Heute wird dort Forschung mit Laserlicht im sogenannten weichen Röntgenbereich betrieben. Der Schritt von der 260 m langen Versuchsanlage zum European XFEL ließ sich jedoch erst als gemeinsames Projekt von zwölf europäischen Teilhabern realisieren, darunter Deutschland und Russland als größte Partner. Jetzt fiebern alle Beteiligten dem Jahr 2015 entgegen: Dann soll erstmals Röntgenlaserlicht am Ende des Tunnels strahlen.

Von Wolfgang Heumer

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