„Wenn Wissenschaft gut ist, findet sie eine Anwendung“

Welt der Physik sprach mit dem geschäftsführenden Direktor der European XFEL GmbH über Forschung, Politik und die Rente.

Herr Altarelli, Sie haben jahrelang Festkörperphysik betrieben, nun sind Sie Chef einer Forschungs-GmbH. Was ist vertrackter: die Gesetze der Elektrodynamik oder deutsches Gesellschaftsrecht?

Das deutsche Gesellschaftsrecht ist furchtbar, aber man muss sich den Realitäten des Lebens stellen. Bei großen Forschungseinrichtungen, die ja auch viel Geld kosten, bewegt man sich nun einmal in einer rechtlichen Umgebung. Für mich ist das ein Dienst an der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Es ist sinnvoll, dass ältere Leute wie ich das tun. Es wäre unsinnig, dass sich 25 Jahre alte Doktoranden darum kümmern würden.

Wünscht man sich da manchmal an den Forscherschreibtisch zurück?

Massimo Altarelli

Ich versuche, ein Forschungsinstrument zu bauen, das natürlich auch rechtliche und Management-Aspekte hat, aber ich bin immer am Forscherschreibtisch dabei. Ich lese wissenschaftliche Literatur und in einem kleinen Bruchteil meiner Zeit schreibe ich auch welche. Ich fühle mich nicht so drastisch von der Welt der Forschung abgekoppelt, wie man vielleicht denkt. Ich fühle mich immer noch als Forscher.

Sie kommen aus der Theorie. Nun sind Sie Direktor einer experimentellen Forschungsinstitution. Muss man da umdenken?

Ich habe als Theoretiker studiert und ich bin immer noch ein Theoretiker. Aber ich habe seit langem enge Verbindungen mit experimentellen Einrichtungen. Das ist also nichts Neues für mich.

Bereits 1983, als ich 35 Jahre alt war, habe ich als kommissarischer Leiter eines experimentellen Forschungsinstituts in Grenoble gedient. Dann war ich für sieben Jahre Forschungsdirektor an der ESRF, der European Synchrotron Radiation Facility.

Welche Forschung wird am European XFEL stattfinden?

Massimo Altarelli

Die Freie-Elektronen-Laser sind die neueste Generation von beschleunigerbasierten Lichtquellen. Wir werden Wissenschaft mit Photonen betreiben. Besonders neu und interessant daran sind zwei Tatsachen. Einerseits, dass man hier über ganz kurze und brillante Lichtpulse verfügt. Das heißt, wir können Blitze erzeugen, die eine Länge von nur 10 Femtosekunden (10¹⁴ s) haben. Und deswegen kann man physikalische Prozesse auf eben dieser Zeitskala folgen – quasi wie in einem Film. Der zweite Aspekte, der interessant ist: Der European XFEL ist wie ein Laser in dem Sinne, dass man eine kohärente Quelle hat, mit der man holographische – das heißt dreidimensionale – Aufnahmen machen kann.

Das bringt uns zu möglichen Anwendungen wie der Untersuchung der Struktur und Dynamik von Molekülen ohne die Notwendigkeit der Kristallisierung als Zwischenstufe. Man kann in der Materialwissenschaft, in der Chemie und in der Biologie Realzeitprozesse verfolgen und Informationen über einzelne Nanostrukturen oder sogar einzelne Moleküle gewinnen. Das ist sehr spannend.

Und um diese Blitze zu erzeugen, braucht man eine über drei Kilometer lange Anlage?

Die beschleunigerbasierten Lichtquellen waren bis vor kurzer Zeit ringförmig – etwa Synchrotrone wie PETRA III oder DORIS bei DESY. Man hat jedoch beweisen können, dass man mit dieser Ringgeometrie nicht viel besser werden kann, als man es derzeit bei PETRA III ist. Um hier einen Quantensprung zu machen, um Röntgenstrahlung mit voller Kohärenz und diese ultrakurzen Blitze mit hoher Intensität zu erzeugen, muss man zu einer Geometrie wechseln, in der die Elektronen nur einmal strahlen. In einem Ring laufen sie herum und strahlen und strahlen und strahlen – Hunderttausende Male oder Millionen Male in der Sekunde. Das ist nicht kompatibel mit der Qualität eines Elektronenstrahles, die man für ultrakurze und kohärente Röntgenblitze braucht. Daher muss man eine lineare Maschine bauen.

Massimo Altarelli

Für einen Linearbeschleuniger gilt nun: Je höher die Energie der Elektronen, die man erreichen möchte, umso länger ist die Anlage. Deswegen muss der Elektronenbeschleuniger also lang genug sein, um den Elektronen mehrere Milliarden Elektronenvolt Energie geben zu können.

Um das kohärente Licht zu erzeugen, braucht man zudem lange Undulatoren –regelmäßige Magnetanordnungen, in denen die beschleunigten Elektronen die Röntgenblitze aussenden. Am Ende ist der Strahl dann auch noch sehr konzentriert, so dass man ihm noch ein wenig Freiraum geben muss, damit man am Experiment etwa einen halben Millimeter Strahldurchmesser hat. Und so kommt das Ganze auf die drei Kilometer – aus den verschieden Notwendigkeiten heraus.

Notwendig ist auch ein besonders guter Elektronenstrahl?

Ja, unser Beschleuniger ist deswegen supraleitend. Das ist ein großer Vorteil gegenüber unserer Konkurrenz. Die andere Anlage, der LCLS in Stanford, der schon in Betrieb ist, arbeitet mit einem alten Beschleuniger bei normaler Temperatur. Eine solche Anlage wird auch in Japan gebaut. Aber mit einem Normaltemperaturbeschleuniger kann man nur 100 oder 200 Pulse pro Sekunde erzeugen. Am European XFEL wollen wir 27.000 Pulse pro Sekunde und vielleicht noch mehr erzeugen. Das sind zwei Größenordnungen Unterschied in der Leistung der Maschine. Und dieser Unterschied kommt aus der supraleitenden Technologie, die im Wesentlichen bei DESY entwickelt wurde.

Was bedeuten diese beiden Größenordnungen für die Forschung?

Für ein Experiment, bei dem Sie die Struktur eines einzelnen Moleküls untersuchen wollen, müssen zwei sehr kleine Objekte – ein ultrakurzer Lichtblitz und ein Molekül – zusammenstoßen. Das ist sehr unwahrscheinlich und Sie müssen es mit vielen Pulsen versuchen, bis Sie treffen. Wenn Sie dann 27.000 Pulse pro Sekunde anstelle von 200 haben, ist das ein entscheidender Vorteil. Das gilt für alle verdünnten Proben.

Wenn Sie jetzt einen Antrag für Strahlzeit beim European XFEL einreichen könnten, was würden Sie untersuchen wollen?

Die Idee der Strukturuntersuchung einzelner Makromoleküle ist sehr ehrgeizig und man muss vielleicht ein paar Jahre lang Versuche machen, um wirklich an diesen Punkt zu kommen. Aber man kann damit anfangen, einzelne Nanostrukturen zu untersuchen.

Massimo Altarelli

Oder auch die Entstehung von neuen Phasen: Wir wissen, dass eine Flüssigkeit, die man bis zum Gefrierpunkt kühlt, fest wird. Wasser wird zu Eis. Per Zufall gibt es mal einen größeren Keimpunkt, an dem das passiert, und das Ding wächst. Wir haben von diesem Prozess ein theoretisches Verständnis, wir haben das mit Computersimulationen am Rechner untersuchen können. Man hat solche Prozesse aber noch nicht direkt beobachtet. Das wäre extrem interessant: wie diese Keime zufällig erzeugt werden und dann wieder verschwinden oder sich stabilisieren und wachsen, bis das ganze System zu einer neuen Phase übergeht.

Befriedigt das nur die Neugierde der Wissenschaftler oder ergeben sich daraus auch Anwendungen?

Natürlich gibt es Anwendungen. Man betont immer den Unterschied zwischen reiner und angewandter Wissenschaft. Ich glaube, es ist wichtiger, zwischen guter und schlechter Wissenschaft zu unterscheiden. Gute Wissenschaft findet immer Anwendungen. Es ist nur schwer zu sagen, ob das in einem Jahr, in fünf Jahren, in 15 Jahren oder noch später passieren wird. Es gibt nichts, was wirklich nutzlos ist, wenn es wissenschaftlich richtig und gut begründet ist.

Zum Beispiel: Das reinste und abstrakteste Reich der Mathematik ist die Theorie der Zahlen. Menschen haben seit dem 17. Jahrhundert die Eigenschaften von Primzahlen untersucht. Das mag vielleicht interessant sein, eine Art Sudoku-Spiel für Mathematiker, aber macht es Sinn? Ja! Zweihundert Jahre später sind Computer gekommen, die diese Mathematik benutzen. Dass Ihr Kreditkartenkonto morgen nicht von einem Hacker geplündert wird, wenn Sie heute damit im Internet bezahlen, fußt auf Theoremen der Zahlentheorie, die Leute im 18. Jahrhundert entdeckt haben.

Massimo Altarelli

Und dann unsere ganze Festkörper-Technologie – Halbleiter, integrierte Schaltkreise! Sie beruht auf Entdeckungen, die in den 1940er und 1950er Jahren in der Festkörperphysik gemacht wurden. Zuerst hatte man ganz wenige Ideen, wozu das gut sein könnte, aber mittlerweile ist es – man könnte sagen – eine Basis unserer Zivilisation.

Wenn Wissenschaft gut ist, findet sie eine Anwendung.

Um das weniger philosophisch zu machen: Wenn ich beispielsweise davon spreche, die Struktur eines einzelnen Moleküls zu entschlüsseln, könnte das zu neuen Anwendungen in der pharmazeutischen Industrie führen. Ich kann nicht sagen, dass sich damit Krebs heilen lässt, aber wir können es auch nicht ausschließen.

Aber man muss geduldig sein.

Sie sind Vollblut-Wissenschaftler. Gab es jemals Alternativen für Sie?

Ich habe die Physik relativ früh als meine Disziplin gewählt, aber ich habe eine gewisse Zeit lang auch überlegt, ob ich Arzt werden möchte. Es gibt da aber auch viel Zufall. Ich habe einen älteren Bruder, der Teilchenphysiker ist. Darüber ist die Physik in die Familie gekommen.

Mit der Forschung am European XFEL kommen ja auch durchaus medizinische Aspekte in Ihr Leben.

Ja, das stimmt. Medizinische Anwendungen kommen ins Spiel. Aber ich wollte Arzt werden, um den direkten Kontakt zum Patienten zu haben.

Sie waren in den USA, in Italien, in Frankreich, haben lange Zeit in Deutschland geforscht. Gibt es nationale Arten, Wissenschaft zu betreiben?

Die Forschung an sich ist überall dieselbe. Die Gesetze der Natur ändern sich nicht von Frankreich zu den USA, aber wie die Forschung organisiert ist. Früher gab es reiche Personen wie Lord Kelvin, die in ihrem Keller ein privates Labor hatten. Aber heute ist Forschung eine hochstrukturierte und hochorganisierte Tätigkeit. Diese Strukturierung und Organisation der Forschungsinstitutionen ist in allen Ländern anders, weil die Kultur und die Institutionen verschieden sind. In Amerika gibt es das Phänomen der privaten Universität. Harvard und Princeton sind Leuchttürme der Wissenschaft. Das gibt es in Deutschland nicht.

Aber egal, ob ein junger Forscher an einem Problem in Harvard, in einem Max-Planck-Institut oder in einem Institut in Japan sitzt – er macht dieselbe Arbeit.

Politisch sollte der European XFEL von Anbeginn ein europäisches Projekt werden, ein Projekt der EU wurde daraus aber nicht. Deutschland hält über 50 Prozent, Russland ist später noch einmal mit 25 Prozent eingestiegen. Wie viel Europa steckt im European XFEL?

Massimo Altarelli

Zunächst einmal: Deutschland und Russland gehören zu Europa, so viel ich weiß. Aber ich stimme überein, dass die anderen europäischen Länder mehr hätten beitragen müssen. Aber die Zusammensetzung unserer Mitarbeiter ist sehr international und wir werden uns große Mühe geben, dass es so bleibt. Auch ist unser Umfeld ganz europäisch. Wir wollen nicht nur Forscher aus Hamburg-Lurup oder Hamburg, sondern die besten Forscher aus ganz Europa haben.

Ich glaube, die Europäische Gemeinschaft sollte sich mehr an solchen internationalen Forschungseinrichtungen wie dem European XFEL beteiligen, die ganz wichtig für die europäische Forschungsstrategie sind. Sie hat uns aber mit einer kleinen, doch sehr rechtzeitigen Injektion von Geldern geholfen, eine kritische Masse zu erreichen.

Die Sache ist zuweilen politisch verzwickt. Die internationalen Verhandlungen hatten sich in die Länge gezogen. Hat es Sie überrascht, wie schwierig das ist?

Nicht wirklich. Ich habe die Geburt der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble mitverfolgt. Das war nicht so sehr anders. Mit einem Unterschied: Wir haben derzeit eine sehr schwierige wirtschaftliche und finanzielle Lage der Welt. Aber das ewige Diskutieren über einzelne Worte und wo Kommata in Übereinkommen zu setzen sind, habe ich schon einmal miterlebt. Das ist wohl ein unvermeidlicher Aspekt der internationalen Zusammenarbeit.

Andererseits: Bei internationalen Einrichtungen muss man zwar viel zu Beginn basteln, aber dann sind sie auch sehr stabil. Wenn sie sich einmal in Bewegung setzen, haben sie keine Probleme, von Jahr zu Jahr zu kommen. Nationale Einrichtungen sind hingegen viel schwächer. Nationale politische und finanzielle Störungen können hier einen viel größeren Einfluss haben.

Das Forschungszentrum DESY ist Hauptgesellschafter. Wie ist die Zusammenarbeit zwischen den beiden Instituten?

Hervorragend. Wir sind quasi von DESY adoptiert worden. Wir haben als ein Projekt bei DESY angefangen, wir wurden von DESY angestellt, von DESY bezahlt, durch DESY haben wir Zugang zu jeder Menge wissenschaftlicher Dienste und Infrastrukturen.

Massimo Altarelli

Jetzt werden wir allmählich ein wenig selbstständiger, obwohl DESY sehr eng an dem Projekt beteiligt ist. DESY wird den Bau des Beschleunigers ausführen und koordinieren. Das ist ein riesiger Posten. DESY ist auch immer noch unser Gastgeber-Labor. Wir nutzen viele Dienste und Infrastrukturen von DESY in unserem täglichen Leben.

Wenn die Anlage fertig ist, sind Sie im Rentenalter. Ist das beruhigend oder enttäuschend?

Älter zu werden ist nicht besonders beruhigend, das ist empörend. Aber das Leben geht und wir gehen auch. Wenn der European XFEL fertig ist, bin ich 67 oder 68. Vielleicht werden die Leute sagen: Jetzt ist Zeit für Ruhe und ich werde in den Ruhestand gehen. Oder ich kann noch etwas tun. Sicher ist: Mein Interesse für Wissenschaft wird nicht ausgeschaltet sein. Ich werde mehr Zeit für Forschung haben. Es gibt ja kein Gesetz, dass Rentner nicht denken und schreiben dürfen. Ich mache mir da keine großen Sorgen.

Vielen Dank für das Gespräch.