PETRA III als brillante Lichtquelle

Im Jahr 2009 hat sie den Betrieb aufgenommen: PETRA III, die brillanteste Speicherring-Röntgenstrahlungsquellen der Welt. Als leistungsstärkste Lichtquelle ihrer Art bietet sie den Wissenschaftlern exzellente Experimentiermöglichkeiten mit Röntgenstrahlung besonders hoher Brillanz. Davon profitieren vor allem Forscher, die sehr kleine Proben untersuchen wollen oder stark gebündeltes, sehr kurzwelliges Röntgenlicht für ihre Analysen benötigen.

Einbau eines Undulators

Nach seinem Einsatz für die Teilchenphysik diente der PETRA-Beschleuniger zunächst als Vorbeschleuniger der großen HERA-Anlage. Als HERA im Jahr 2007 abgeschaltet wurde, baute DESY den PETRA-Ring innerhalb von zwei Jahren zur Speicherring-Röntgenstrahlungsquelle aus. Dafür mussten knapp dreihundert Meter des 2,3 Kilometer langen Ringbeschleunigers komplett umgebaut und eine neue Experimentierhalle errichtet werden.

Im Endausbau verfügt PETRA III über 14 Messplätze mit bis zu dreißig Instrumenten. Die zentralen Komponenten der PETRA-III-Anlage sind lange Magnetanordnungen, sogenannte Undulatoren: Starke Permanentmagnete, die in abwechselnder Polarität verbaut sind, bringen den fast lichtschnellen Elektronenstrahl auf eine Slalombahn. Dadurch senden die Elektronen Synchrotronlicht von sehr hoher Energie und Intensität aus. Durch verschiedene Bauformen und Längen der Undulatormagnetanordnungen kann an den insgesamt 14 Strahlführungen an PETRA III Licht mit ganz individuellen Eigenschaften produziert werden. Die Photonen sind dabei auf kleinster Fläche gebündelt und bilden einen extrem intensiven Lichtstrahl. So ermöglicht PETRA III auf einer Fläche von einem einzigen Quadratmillimeter einen ebenso hohen Photonenfluss wie DORIS III auf einigen Quadratzentimetern.

Exzellente Aussichten für die Forschung

Ein solch haarfeiner, brillanter Röntgenlichtstrahl wie der von PETRA III bietet Forschern entscheidende Vorteile. So lassen sich auch sehr kleine Materialproben untersuchen und die Anordnung ihrer Atome extrem genau bestimmen. Molekularbiologen beispielsweise können damit die räumliche atomare Struktur von winzigen Proteinkristallen aufklären. Der Bedarf hierfür ist groß: Die Struktur der Proteine, die nach dem genetischen Bauplan zusammengesetzt werden, steht ganz oben auf der Wunschliste der Wissenschaftler. Eine wichtige Anwendung ist die Entwicklung von neuen Medikamenten, die gezielt und punktgenau dort ansetzen, wo ein Krankheitserreger angreift.

Der Speicherring PETRA III mit der neuen Experimentierhalle

Aufgrund dieser Perspektiven errichtete die Hamburger Außenstelle des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie (EMBL) bei DESY die integrierte Forschungsanlage für Strukturbiologie. Deren hochmoderne Messstationen erlauben es Forschern, die außergewöhnlichen Eigenschaften des Speicherrings für neuartige Anwendungen in den Lebenswissenschaften zu nutzen – beispielsweise für Fortschritte in der Proteinkristallographie, der Kleinwinkelröntgenstreuung und der Röntgenabsorptionsspektroskopie von biologischen Materialien. In der neuen Anlage lassen sich sämtliche Schritte von Hochdurchsatz-Proteinkristallisation über Probenaufbereitung bis zu Datenverarbeitung unter einem Dach durchführen – was die Erforschung von Molekülen, die über Krankheit oder Gesundheit des Menschen entscheiden, deutlich beschleunigt.

Auch für das weite Feld der Materialforschung bietet PETRA III vielseitige Möglichkeiten. Für einige Anwendungen brauchen Materialforscher sehr energiereiche Photonen mit starkem Durchdringungsvermögen, beispielsweise um Schweißnähte zu prüfen oder Ermüdungserscheinungen von Werkstü­cken zu untersuchen. Der Speicherring PETRA III erzeugt besonders energiereiche Strahlung bis über 100.000 Elektronenvolt mit hoher Leuchtstärke – und bietet damit ein entscheidendes Plus für viele Experimente.

Strukturbiologie und neue Werkstoffe

Um die Bausteine des Lebens zu entschlüsseln und zu verstehen, werden heutzutage immer größere und komplexere Moleküle untersucht, deren Kristalle die Röntgenstrahlung jedoch immer schwächer beugen. Ein Beispiel ist die Aufklärung des Ribosoms. Je komplexer die Struktur ist, desto intensiver muss auch die Röntgenstrahlung sein, mit der sie durchleuchtet wird. Die große Herausforderung der Zukunft ist es, die Wirkungsweise einer kompletten Zelle auf molekularer Ebene zu erkunden. Moderne Synchrotronstrahlungsquellen wie PETRA III liefern dazu wertvolle Beiträge.

Die fertige Experimentierhalle von PETRA III

In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die Computertomographie auch auf dem Gebiet der Materialwissenschaften etabliert und zu einem Standardverfahren für die Analyse innerer Strukturen von Werkstoffen entwickelt. Insbesondere die räumliche Auflösung und der Bildkontrast wurden immer weiter verbessert. Die hochbrillante Röntgenstrahlung von PETRA III ermöglicht es, Strukturen in verschiedenen Materialien mit einer Genauigkeit von unter einem Mikrometer mit hoher Geschwindigkeit zu untersuchen. So lassen sich auch schnelle Prozessabläufe wie Schäumvorgänge dreidimensional verfolgen. Mit speziellen Kontrastverfahren ist es dabei möglich, auch kontrastschwache Objekte zerstörungsfrei dreidimensional darzustellen und quantitativ zu analysieren. Mit dem Verfahren der Mikrotomographie kann man so zum Beispiel das Einwachsverhalten von Zellen in biokompatible Materialien zerstörungsfrei verfolgen und damit Erkenntnisse über den optimalen Herstellungsprozess der 3D-Zellsubstrate gewinnen.

Chemische Analysen im mikroskopischen Maßstab

Das Lichtmikroskop eröffnet den Blick in den Mikrokosmos. In der Regel bleibt jedoch offen, aus welchen chemischen Elementen die unter dem Mikroskop sichtbaren Strukturen bestehen. Fokussierte Röntgenstrahlen an PETRA III ermöglichen die chemische Analyse einer Probe auf engstem Raum. Das Ergebnis sind dreidimensionale mikroskopische Abbildungen der Elementverteilung – selbst wenn deutlich weniger als eines von einer Millionen Teilchen aus dem jeweiligen Element bestehen. Darüber hinaus können die chemische Bindung und die kristalline Struktur abgebildet werden. Die Messung ist zerstörungsfrei und schnell, sodass auch Wachstumsprozesse verfolgt werden können. Dadurch ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten in Biomedizin, Umweltanalytik und Materialwissenschaften.

Diese Methoden konnten beispielsweise dazu beitragen, dem Magnetsinn von Vögeln auf die Spur zu kommen. Bisher konnten die daran beteiligten Kristalle aus zwei verschiedenen Eisenverbindungen nur gemeinsam gemessen werden. Fokussierte Röntgenstrahlen an PETRA III jedoch sind klein genug, um die verschiedenen Kristalle einzeln zu vermessen und den Magnetsinn noch genauer zu verstehen.

Nanomagnete als Datenspeicher

Ultradünne magnetische Schichten sind heutzutage unverzichtbar, wenn es um die Speicherung von Daten auf immer kleinerem Raum geht. Die magnetische Speicherdichte in kommerziell erhältlichen Festplatten ermöglicht heute bereits das Abspeichern und Wiedergeben kompletter Spielfilme auf Geräten im Scheckkartenformat. Die physikalische Grundlage dafür liegt in magnetischen Strukturen, die 10.000-fach kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Die gespeicherte Information steckt in der Ausrichtung von winzigen Nanomagneten, die dicht nebeneinander angeordnet sind. Beim Schreiben von Informationen auf solche Speichermedien muss man diese Ausrichtung in kürzester Zeit ändern können, ohne dabei benachbarte Nanomagnete zu beeinflussen. Der Ablauf dieses Prozesses hängt davon ab, wie diese Strukturen im Inneren beschaffen sind. Um derartige Speichermedien weiterzuentwickeln und zu optimieren, ist es daher erforderlich, in solche Nanostrukturen hineinblicken zu können. Dies ist mit den hochbrillanten Röntgenstrahlen von PETRA III möglich.

Maßgeschneiderte Oberflächen

Der PETRA III-Ring innerhalb der neuen Halle

Fokussierte Röntgenstrahlen an PETRA III sind bis zu tausendmal feiner als ein menschliches Haar. Mithilfe solcher Nanostrahlen ergeben sich völlig neue Möglichkeiten zur Analyse von Materialien, insbesondere von Oberflächen.

Vielfach bestimmt die Mikrostruktur von Oberflächen deren Eigenschaften und Funktion. Beispiele sind wasser- und schmutzabweisende Beschichtungen, Katalysatoroberflächen oder Materialien, deren optische Eigenschaften gezielt eingestellt werden können, indem an der Oberfläche nanometerkleine Edelmetallteilchen platziert werden. Form und Anordnung der Teilchen bestimmen die Farbe und die Helligkeit der Oberfläche in sichtbarem Licht. Damit lassen sich beispielsweise fälschungssichere Kennzeichnungen erstellen. Die Nanostrahlen von PETRA III ermöglichen es, die Struktur und die Anordnung solcher Teilchen auf Oberflächen mit sehr großer Genauigkeit zu bestimmen. Darüber hinaus lassen sich die Entstehung, das Wachstum und die Anordnung von Nanoteilchen auf Oberflächen in realen technischen Produktionsprozessen verfolgen und verstehen – eine wichtige Voraussetzung dafür, diese Verfahren weiter zu optimieren.