„Hier gehen einige technische Meisterleistungen in Betrieb“

Zwischen Schenefeld in Schleswig-Holstein und Hamburg-Bahrenfeld entstand in den vergangenen Jahren der weltweit leistungsfähigste Röntgenlaser – der European XFEL. Die Anlage erzeugt extrem intensive Röntgenblitze, mit denen sich beispielsweise der Aufbau von Biomolekülen untersuchen lässt. Im Podcast erklärte Thomas Tschentscher, wie der Röntgenlaser funktioniert und was Wissenschaftler künftig damit erforschen wollen.

Im September 2017 wurde der European XFEL – der leistungsstärkste Röntgenlaser der Welt – offiziell eröffnet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lasern wird die Strahlung in diesem sogenannten Freie-Elektronen-Laser mithilfe von Elektronen erzeugt. Die Elektronenquelle für die 3,4 Kilometer lange Anlage, die sich zum größten Teil in unterirdischen Tunneln erstreckt, steht am Forschungszentrum DESY in Hamburg-Bahrenfeld. Mit einem gewöhnlichen Laser werden dort Elektronen aus einem Metall herausgelöst und in einen Linearbeschleuniger eingespeist.

Thomas Tschentscher

Thomas Tschentscher: „Hier am Standort in Hamburg beziehungsweise Schenefeld hat man mit dem DESY ein Institut, das langjährige Erfahrung in der Beschleunigerentwicklung hat. Dadurch ließ sich die Beschleunigerentwicklung so weit voranbringen, dass man diese Anlage hier bauen konnte.“

Die beschleunigten Elektronen werden durch speziell angeordnete Magnete auf eine Slalombahn gezwungen, wodurch der eigentliche Laserprozess stattfindet. Dabei wird ausgenutzt, dass geladene Teilchen, die sich in einem Magnetfeld bewegen und von ihrer ursprünglichen Bahn abgelenkt werden, elektromagnetische Strahlung abgeben. Diese Strahlung besitzt ähnliche Eigenschaften wie Laserlicht.

„Wegen der gleichmäßigen Abstrahlung der Elektronen, diesem kohärenten Prozess, sprechen wir von einem Laser. Dadurch entstehen die Monochromasie – das heißt, die Einfarbigkeit der Strahlung –, die hohe Intensität und die kurzen Pulse. Das sind Eigenschaften, die man typischerweise mit Lasern assoziiert und die auch hier zutreffen.“

Der European XFEL kann bis zu 27 000 Röntgenlaserblitze pro Sekunde erzeugen – mit einer Wellenlänge von 0,05 bis 4,7 Nanometern. Das entspricht sogenannter harter Röntgenstrahlung.

„Dieser harte Röntgenbereich ermöglicht es uns, atomare Abstände abzubilden. Zusätzlich sind die Röntgenpulse sehr intensiv und sehr kurz. Wir sprechen da typischerweise von Femtosekunden.“

Eine Femtosekunde ist der milliardste Teil einer millionstel Sekunde. Diese kurzen Röntgenpulse erlauben extrem kurze Belichtungszeiten, wodurch sich auch sehr schnelle Prozesse abbilden lassen.

„Mit derart kurzen Pulsen können wir die Konfiguration der Atome in einer Probe bestimmen. Weil die Pulse so kurz sind, bekommen wir gewissermaßen viele Schnappschüsse und können die Prozesse in der Probe zeitlich auflösen. Gleichzeitig ist man durch die sehr kurze Wellenlänge des Röntgenlichts in der Lage, die räumliche Abmessung darzustellen.“

Beschleunigertunnel des XFEL

Durch diese Eigenschaften können Forscher mit dem European XFEL nicht nur die Struktur, sondern auch das Verhalten von Molekülen während einer chemischen Reaktion verfolgen.

„Das erlaubt uns letztendlich, sogenannte molekulare Filme aufzunehmen. Man kann also tatsächlich verschiedene Bilder aufnehmen und sehen, wie eine chemische Reaktion abläuft.“

Diese molekularen Filme wollen Forscher aus verschiedenen Fachbereichen – von der Medizin über die Materialwissenschaften bis hin zur Astrophysik – nutzen, um zeitliche Abläufe auf Mikro- und Nanoebene detaillierter als je zuvor zu untersuchen. Auf diese Weise lassen sich etwa chemische und katalytische Prozesse besser verstehen und vielleicht neue Materialien für die Energieforschung entwickeln.

„Die Sonne ist bekanntermaßen eine große Energiequelle für die Erde – und die Absorption von Sonnenlicht führt in Pflanzen zu Photosynthese. Das wäre eine wunderbare Energiequelle, wenn man so einen Prozess im Reagenzglas erzeugen könnte.“

In einem anderen Experiment sollen die kurzen und intensiven Laserblitze genutzt werden, um die Struktur von Proteinen zu untersuchen. Dafür liegen die Proteine in Kristallform vor.

„Man trifft dann so einen Kristall mit dem Röntgenblitz und erhält ein Bild. Wenn man das mit ganz vielen Kristallen macht und ganz viele Bilder hat, lässt sich daraus die Struktur der einzelnen Proteine rekonstruieren. Das werden zunächst Testsysteme sein, aber langfristig kann man mit der Methode komplexe biochemische Prozesse und die molekulare Form untersuchen. Das ist wichtig, um neue Medikamente zu entwickeln, die bestimmte Prozesse im Körper unterdrücken oder hervorheben. Das sind die ersten Schritte, um diese Methode vielfach und breit anzuwenden.“

Experiment am European XFEL

Verschiedene Forschergruppen können gleichzeitig am neuen Röntgenlaser arbeiten. Ab September 2017 sind zwei der sechs eingerichteten Messplätze in der unterirdischen Experimentierhalle in Schenefeld in Betrieb.

„Nächstes Jahr werden wir die anderen vier Messplätze in Betrieb stellen. Die Halle bietet Platz für zehn bis fünfzehn Messplätze, die wir in Zukunft sukzessive aufbauen werden.“

Bis auf wenige Unterbrechungen soll der European XFEL sieben Tage die Woche laufen.

„Ende 2017 werden wir einen größeren Shutdown haben, wo wir noch einmal Veränderungen an der Maschine und an den Aufbauten durchführen können. Im Sommer 2018 planen wir einen kürzeren Shutdown, wo wir nochmals ein paar Änderungen vornehmen wollen. Im Großen und Ganzen werden wir vier Blöcke im Jahr haben, die jeweils von kürzeren Unterbrechungen separiert sind.“

Insgesamt wird die Anlage 6000 Stunden im Jahr in Betrieb sein. Davon sollen 4000 Stunden, das entspricht etwa 200 Tagen, für Nutzer verfügbar sein. Die übrigen Tage werden benötigt, um die Messplätze für die verschiedenen Forschungsgruppen einzurichten und die Aufbauten zu wechseln.