Die Kraft der Sonne besser nutzen

Die Zukunft der Energiewende ist ein Forschungsgebiet, bei dem XFEL Antworten liefern könnte.
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Die Zukunft der Energiewende ist ein Forschungsgebiet, bei dem XFEL Antworten liefern könnte.

Die Grundlagenforschung bei XFEL bietet große Chancen für regenerative Energien, Materialforschung und im IT-Bereich

shz.de von
16. August 2018, 16:00 Uhr

Im beschaulichen Schenefeld steht der stärkste Röntgenlaser der Welt: Hinter dem Namen European XFEL steckt eine Forschungsanlage der Superlative. Erzeugt werden ultrakurze Laserlichtblitze im Röntgenbereich – 27 000-mal in der Sekunde und mit einer Leuchtstärke, die milliardenfach höher ist als die der besten Röntgenstrahlungsquellen herkömmlicher Art. Wie verhalten sich Moleküle und Atome? Wer hat je so genau in den Nanokosmos geschaut? European XFEL soll solche Blicke ermöglichen. In einem Thema der Woche widmet sich unsere Zeitung der Forschungseinrichtung – und wagt sich an eine hochkomplexe Materie.

Die Forschung in Schenefeld wird für viele wissenschaftliche Bereiche wertvolle Erkenntnisse liefern – da sind sich die Verantwortlichen bei XFEL bereits jetzt sicher. Die Erfahrung habe gezeigt, dass sich aus Grundlagenforschung wie sie bei European XFEL möglich ist, wichtige Anwendungen ergeben, glauben die Forscher.

In Schenefeld trifft sich eine bunte Mischung an wissenschaftliche Disziplinen. Aus einem solchen Wechselspiel können vielfältige Anregungen und Ideen erwachsen, die zu konkreten Produkten und Produktverbesserungen führen sollen. Die neue Anlage soll für viele wissenschaftliche Bereiche nützlich sein – unter anderem Medizin, Pharmazie, Chemie, Physik, Materialwissenschaft, Nanotechnologie, Energietechnik und Elektronik.

Biologen können Strukturen wie Proteine, Zellen oder Membranen besser erklären. „Sie werden untersuchen können, wie sich Biomoleküle im Verlauf biologischer Prozesse verändern“, sagt European XFEL-Pressesprecher Bernd Ebeling. Dies sei ein wichtiger Ausgangspunkt für die Entwicklung von Arzneimitteln und Therapien.


Neue Arzneimittel entwickeln

Adrian Mancuso, leitender Wissenschaftler an der SPB/SFX Experimentierstation, nennt ein Beispiel: „Es ist in der Medizin ein großes Problem, dass viele Keime inzwischen Resistenzen gegen gängige Antibiotika entwickelt haben. Um neuere Arzneimittel gegen resistente Bakterien verbessern zu können, brauchen Forscher genaue Informationen wie diese wirken. Hieran arbeitet eine Wissenschaftlergruppe die kürzlich bei uns war und der eine atomgenaue Aufnahme eines solchen Arzneimittels in Aktion geglückt ist.“ Doch auch beim Thema regenerative Energie könnten atemberaubende Erkenntnisse gewonnen werden. Beispiel Solarforschung: Von der Sonne gelangen riesige Mengen Energie zur Erde. Die saubere, wirtschaftliche und verlässliche Nutzung dieser Energie ist vermutlich der beste Weg, wenn es darum geht, die Ressourcen der Erde zu schonen. Die Nutzung der Sonnenenergie zur Stromerzeugung in großem Umfang erfordert es, die Energie zu speichern, da sie auch benötigt wird, wenn die Sonne nicht scheint. „Derzeit ist die Speicherung von Energie jedoch noch wenig effizient und teuer, was den Einsatz von Solarthermie und Photovoltaik wie auch Windenergie einschränkt“, führt Ebeling aus.

Eine mögliche Lösung biete die Pflanzenwelt. Inspiriert von der natürlichen Photosynthese in Pflanzen sollen Prozesse optimiert werden, um die Sonnenenergie zur Produktion von speicherbaren und transportierbaren Brennstoffen nutzen. Pflanzen spalten mit Hilfe der Sonnenenergie Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Letzterer werde weiter in ein Proton und ein Elektron gespalten. Die Rückverwandlung in Wasserstoff liefere die Energie für weitere Reaktionen, die das Leben und Wachstum der Pflanzen ermöglichen. Könnte man diesen Prozess imitieren, ließe sich der Wasserstoff aus dem Wasser nutzen, um aus Kohlendioxid Treibstoffe wie Methanol oder Methan zu erzeugen.

Die von Röntgenlasern eröffnete Möglichkeit, einzelne Schritte eines chemischen Prozesses wie in Zeitlupe zu verfolgen, lässt auf neue Erkenntnisse zur effizienten Spaltung von Wasser in Pflanzen hoffen. XFEL könnte die Basis schaffen für eine optimierte Photosynthese im industriellen Maßstab – mit der Wasserstoff und flüssige Treibstoffe aus billigen und weitverbreiteten Ausgangsstoffen wie Sonnenlicht, Wasser, Kohlendioxid und Leichtmetallen gewonnen werden können.


Weniger Schadstoffe bei Autos

Auch beim Thema Katalysatoren könne es neue Erkenntnisse geben, glaubt Ebeling. Zwar hätten sie bereits seit mindestens 100 Jahren eine fundamentale Bedeutung für die chemische Industrie und sie werden eingesetzt, um den Schadstoffausstoß von Autos zu begrenzen – dennoch seien die genauen Vorgänge beim Katalyseprozess häufig kaum verstanden. Röntgenlaser bieten die Möglichkeit, die Katalyse in molekularen Filmen in verschiedenen Phasen zu beobachten, und könnten damit neue Impulse für eine systematische Entwicklung von Katalysatoren geben.

Materialien für modernste Technologien zu entwickeln oder weiter zu verbessern ist eine Herausforderung, zu deren Lösung Röntgenlaser ebenfalls beitragen können. Fortschritte in der Informationstechnologie beispielsweise hängen von den Möglichkeiten ab, Daten auf immer kleinerem Raum zu speichern, so schnell wie möglich zu schreiben und wieder auszulesen. Durch Experimente bei XFEL lässt sich besser verstehen, wie die Magnetisierung von Datenträgern mit Hilfe von optischen Laserpulsen ultraschnell gelöscht und wiederbeschrieben werden kann.

www.xfel.eu




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