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Der Röntgenlaser European XFEL: Blick in unbekannte Welten

Deutschland ist seit Neuestem Heimat des weltgrößten Röntgenlasers, des European XFEL. Die Röntgenblitze, die in der 3,4 Kilometer langen unterirdischen Tunnelanlage entstehen, ermöglichen in bislang unbekannter Präzision, winzigste Teilchen und extrem schnelle Prozesse zu untersuchen.

Man nennt es Photosynthese und bisher hat es noch kein Mensch live gesehen: Wie Pflanzen mit Hilfe des Sonnenlichts Wasser in Energie verwandeln. Könnte man diesen Prozess besser verstehen, ihn nachbauen und optimieren, wäre es möglich, die Energieversorgung der Menschheit zu revolutionieren. Schaffen könnte dies der European XFEL, der größte Röntgenlaser der Welt. Im September 2017 hat er in der Nähe von Hamburg seinen Betrieb aufgenommen.

Der European XFEL ist eine Forschungsanlage der Superlative: 3,4 Kilometer lang ist das Tunnelsystem des Röntgenlasers und reicht vom DESY-Campus in Hamburg-Bahrenfeld bis nach Schenefeld im Kreis Pinneberg. 38 Meter unter der Erde werden Bündel an Elektronen in einer fast zwei Kilometer langen Vakuumröhre so sehr beschleunigt, dass sie auf einen Meter 30 Millionen Volt an Energie hinzugewinnen. Am Ende sind es unfassbare 17,5 Milliarden Volt.

In Schenefeld werden die Elektronen durch speziell angeordnete Magneten geführt und dabei immer wieder abgelenkt. Weiter geht es im Tunnel bis zu einem Spiegel. Wenn er hier ankommt, hat der Elektronenstrahl 99,99934 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreicht. Die Strahlung ist nun so hoch, dass der Elektronenstrahl zum Laser wird.

Hinter dem Spiegel liegt die Experimentierhalle des Röntgenlasers, in der die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit dem Laser arbeiten. Bis dahin verzweigt sich der Tunnel mehrfach. So können in der Halle die verschiedenen Instrumente mit dem jeweils passenden Röntgenlicht versorgt werden.

Video: Tunnelflug durch die Röntgenlaser-Anlage European XFEL

Das Auge des Lasers

Der European XFEL erzeugt 27.000 ultrakurze Röntgenblitze in der Sekunde. Bisher schafften herkömmliche Röntgenlaser deutlich weniger: Der LCLS in den USA erzeugt 120 Pulse pro Sekunde, SCALA in Japan kommt auf 60. Auch die Leuchtstärke ist milliardenfach höher als die der bislang besten Röntgenstrahlungsquellen.

Daher braucht es schon den schnellsten Röntgendetektor der Welt, um mit den vielen Röntgenblitzen Schritt zu halten. Das „Auge“ des European XFEL ist der Large Pixel Detector (LPD). Er kann 4,5 Millionen Bilder in der Sekunde aufzeichnen. Damit ist er schnell genug, um scharfe Schnappschüsse oder „molekulare Filme“ von ultraschnellen Prozessen – wie zum Beispiel der Photosynthese – aufzunehmen .

Was der European XFEL kann

Doch die Beobachtung der Photosynthese ist nur ein Beispiel dafür, was der European XFEL alles kann. Seine Röntgenblitze ermöglichen ganz unterschiedliche Experimente. Dafür gibt es verschiedene Messplätze mit unterschiedlichen Instrumenten. Sie erlauben nicht nur die Beobachtung dynamischer, ultraschneller Prozesse, sondern auch die Untersuchung von nanometerkleinen Partikeln und extremen Zuständen der Materie.

So ermöglichen die superhellen Lichtblitze es auch, Biomoleküle besser und einfacher als je zuvor auf atomarer Ebene zu untersuchen. Selbst  Zellen, Viren oder andere biologische Objekte können mit einer Auflösung von nur wenigen Nanometern abgebildet werden.

Damit kann der European XFEL in bisher unerreichter Detailschärfe zeigen, welche biomechanischen und biochemischen Prozesse etwa die winzigen HIV oder Grippe-Erreger nutzen, um Zellen zu infizieren. So soll die Entwicklung effektiver Therapien dieser Krankheiten ermöglicht werden.
Geforscht wird in vielen Bereichen – und das zumeist international und interdisziplinär. Die wichtigsten Forschungsfelder stammen aus:

  • Medizin
  • Pharmazie
  • Chemie
  • Physik
  • Materialwissenschaft
  • Nanotechnologie
  • Energietechnik
  • Elektronik

Mehr als 60 Forschergruppen sind einem „Call for proposals“ gefolgt und haben eingereicht, was sie alles mit dem riesigen Röntgenlaser erforschen wollen. Aus diesen Vorschlägen wählten internationale Expertengremien die aussichtsreichsten Forschungsprojekte aus. Die ersten 14 Wissenschaftlerteams haben im September 2017 ihre Arbeit am European XFEL aufgenommen.  Zu den ersten Nutzern gehört das Team um Professor Lars Redecke von der Uni Lübeck. Die Biochemiker wollen mit Hilfe des Röntgenlasers unter anderem das Alzheimer-Protein erforschen. Ihr Ziel: Die Entwicklung von Stoffen, die fehlerhafte Proteine blockieren.

„Mit dem European XFEL werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in unbekannte Welten vorstoßen und dazu beitragen, Antworten auf Menschheitsfragen zu finden, die das Leben auf unserem Planeten besser machen.“


Olaf Scholz, Erster Bürgermeister von Hamburg

Europäisches Projekt

Acht Jahre hat es gedauert, die riesige Forschungsanlage zu errichten. Mehr als 1,2 Milliarden Euro wurden investiert. Davon trägt Deutschland, das den European XFEL beheimatet, 58 Prozent. Doch der European XFEL ist vor allem ein europäisches Projekt: Neben Deutschland sind auch Dänemark, Frankreich, Großbritannien, Italien, Polen, Russland, Schweden, die Schweiz, die Slowakei, Spanien und Ungarn am European XFEL beteiligt. Auch das Mitarbeiterteam ist international: Mehr als 300 Menschen aus 46 Nationen arbeiten hier.

Der European XFEL wird von der European XFEL GmbH gebaut und betrieben, einer gemeinnützigen Gesellschaft mit beschränkter Haftung. Hauptgesellschafter ist das in Hamburg ansässige Forschungszentrum DESY. Das Jahresbudget liegt bei 117 Millionen Euro.

Autorin: Sabine Giehle

Professor Dr. Serguei Molodtsov ist wissenschaftlicher Direktor des Röntgenlasers European XFEL. Der russische Physiker kam 1991 als Stipendiat der Alexander von Humboldt-Stiftung an die Freien Universität (FU) Berlin.

3 Fragen zum European XFEL

Gemeinsam schaffen wir’s? Wie groß muss Forschung werden?

Der European XFEL konnte nur entstehen, weil sich elf europäische Länder an seiner Entwicklung und seinem Bau beteiligt haben. Wie ist Ihre Meinung: Brauchen wir solche Großprojekte und brauchen wir die internationale Zusammenarbeit, um die Herausforderungen der Zukunft zu stemmen? Diskutieren Sie mit uns und anderen Alumni in der Community-Gruppe Studium, Forschung und Bildung.

Community-Diskussion

November 2017

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