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Blitzlichtgewitter für die Forschung

In einer Vakuumkammer, deren technische  Innereien hier die Physikerin Rita Graceffa justiert, sollen mit ultrakurzen Laserblitzen aus Röntgenstrahlen mikroskopisch kleine Proben wie Viren, Zellen oder Bakterien untersucht werden.
In einer Vakuumkammer, deren technische Innereien hier die Physikerin Rita Graceffa justiert, sollen mit ultrakurzen Laserblitzen aus Röntgenstrahlen mikroskopisch kleine Proben wie Viren, Zellen oder Bakterien untersucht werden. FOTO: European XFEL / European XFEL / Jan Hosan
Hamburg. Mit einer neuen Röntgentechnik wollen Physiker die Welt der Atome fotografieren und so grundlegende Fragen der Chemie und Biologie beantworten.

Von Hamburgs neuer Rennbahn ist nicht viel zu sehen. Sie verläuft zwanzig Meter unter einer idyllischen Flusslandschaft. Durch einen 3,4 Kilometer langen Tunnel unter der Düppenau fliegen hier Elektronen, um extreme Röntgen-Lichtpulse zu erzeugen. Die neue Großforschungsanlage wird mit dem Kürzel XFEL benannt, das „X“ steht für Röntgenstrahlen und das „FEL“ für „Freie Elektronen Laser“. Hier werden hochenergetische Laserpulse aus beschleunigten Elektronen für die Forschung erzeugt.


Forscher des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (Desy) erzeugen die Elektronen. In einem unscheinbaren Industriegebiet steht die große Experimentierhalle der Großforschungsanlage XFEL. Dort können dann Forschergruppen aus aller Welt mit den erzeugten Röntgenstrahlen experimentieren.

Christian Bressler beschreibt in einem Beispiel aus der Geschichte der Fotografie die Arbeitsweise des XFEL. „Pferde traben und galoppieren eigentlich zu schnell für das menschliche Auge,“ erklärt Bressler. Doch im Jahr 1892 wollten Wissenschaftler wissen, ob ein Pferd im schnellen Trab irgendwann alle vier Hufe vom Boden hebt. Um das zu klären, ersann der US-amerikanische Fotopionier Eadweard Muybridge eine Vorrichtung aus zwölf Kameras und fotografierte mit einer Art Stolperdraht den Pferdetrab. Und tatsächlich, bei Belichtungszeiten von einer tausendstel Sekunde stellte sich heraus, dass trabende Pferde alle vier Hufe vom Boden nehmen. Die erste Bilderfolge von Muybridge war gewissermaßen ein Vorläufer des Kinofilms.

Bressler und seine Kollegen wollen mit dem XFEL Ähnliches erreichen, allerdings auf einer völlig anderen Ebene. Sie arbeiten am Molekül-Kino. Die Dynamik und Reaktionen von Molekülen spielen sich auch auf einer völlig anderen Zeitskala ab. Es sind Femtosekunden, also 0,000 000 000 000 001 Sekunden. „So etwas hat bisher noch keiner gesehen“, erklärt Christian Bressler. „Was passiert am Anfang einer chemischen Reaktion?“, beschreibt er eine Forschungsfrage.

Es sind grundlegende Fragen aus der Chemie und der Materialforschung, die die Wissenschaftler umtreiben. Der Australier Adrian Mancuso möchte Riesenmoleküle fotografieren – wobei fotografieren hier meint, deren innere Struktur zu bestimmen. Ein Forschungsvorhaben von Mancuso besteht darin, Proteine in der Hülle des Influenzavirus zu analysieren. Der XFEL sei  dafür genau das richtige Werkzeug. Er gilt derzeit als weltweit leistungsfähigstes Röntgen-Blitzlicht und schnellste Hochgeschwindigkeitskamera für die Nanowelt.



Seine Untersuchungsmethoden sind allerdings brachial: Mit einem Röntgenblitz bildet der XFEL zwar ein Molekül ab, das wird aber durch die Strahlung zerstört. Aus dem Abblitzen von vielen Einzelmolekülen wollen die Forscher dann ein Gesamtbild errechnen.

Die Idee zum sogenannten Freien Elektronen Laser (FEL) geht auf die 1960er Jahre zurück. Beschleunigte Elektronen strahlen Röntgenstrahlen ab. In kreisförmigen Anlagen, sogenannten Synchrotrons, nutzen das Materialforscher schon Jahrzehnte. Im FEL werden dagegen beschleunigte Elektronen auf eine Slalomstrecke geschickt. Dabei geben sie elektromagnetische Strahlung ab, die sich immer weiter verstärkt. Auf der 210 Meter langen Slalomstrecke entstehen 27 000 Röntgenblitze pro Sekunde.

Rund 1,2 Milliarden Euro hat die Anlage gekostet. Das Gastgeberland Deutschland trägt 58 Prozent der Kosten. Ein Dutzend weitere Staaten sind Partner, darunter Russland, Frankreich und Schweden. Die Betriebskosten für das Jahr 2018 sollen bei rund 118 Millionen Euro liegen.

Gut angelegtes Geld? Helmut Dosch, der Leiter des Desy, kennt diese Frage und ist um eine Antwort nicht verlegen. Er nennt gleich  mehrere Punkte, wieso sich Grundlagenforschung auszahle. In den Vordergrund rückt er ein Beispiel,  mit dem seine Forschungseinrichtung Desy historisch verbunden ist: das Elektron.

Dieses Teilchen wurde erst im Jahr 1897 vom Engländer  Joseph John Thomson entdeckt. „Ohne die Kenntnis von seiner Existenz und ohne das Detailverständnis von seinen Eigenschaften gäbe es heute keine Telekommunikation, keine Hochleistungsmaterialien, kurz: keinen Wohlstand“, erklärt Helmut Dosch. Außerdem ziehe Grundlagenforschung die besten Köpfe aus Wissenschaft und Wirtschaft an. „Wir arbeiten täglich mit der Industrie, um die Grenzen des Möglichen zu verschieben“, erklärt Dosch. „Um physikalisches Neuland zu erreichen, braucht es viel neue Technologie.“ Das heißt: Der Weg zum eigentlichen Forschungsziel ist gesäumt von vielen weiteren Hightech-Errungenschaften – beim XFEL in Hamburg ist es beispielsweise die Konstruktion und der Bau der Supraleiter-Technik, die Elektronen auf beinahe Lichtgeschwindigkeit beschleunigen.

Für den Forschungsmanager Dosch sind Grundlagenforschung und deren Anwendung eng miteinander verbunden. Mit den Röntgenstrahlen des neuen Europäischen Freie Elektronen Lasers (XFEL) lassen sich Fragen der Reibung in den Materialwissenschaften oder der Proteinstruktur in der Biomedizin direkt angehen. Deswegen hat auch das Heidelberger Europäische Labor für Molekularbiologie (EMBL) einen Ableger mit neuem Forschungsgebäude auf dem Desy-Campus in Hamburg.

Die Erfahrung zeige außerdem, dass sich aus Forschung ohne offensichtlichen Anwendungsbezug viele nützliche Sachen für unseren Alltag entwickeln können. Das Kernforschungszentrum Cern in der Schweiz ist ein gutes Beispiel dafür. Hier werden grundsätzliche Fragen des Aufbaus der Materie untersucht. Doch dem Cern verdankt die Welt auch die Idee des World Wide Web, der Grundlage fast aller Internet-Anwendungen. Der Forscher Tim Berners-Lee hatte dort das sogenannte Hypertext-Format ursprünglich ersonnen, um den Austausch wissenschaftlicher Daten einfacher zu machen.

Durch diese Beschleunigermodule fliegen die Elektronen, die dann hochenergetische Röntgenstrahlung erzeugen.
Durch diese Beschleunigermodule fliegen die Elektronen, die dann hochenergetische Röntgenstrahlung erzeugen. FOTO: xfel / xfel/Heiner M�ller-Elsner