Serie „XFEL leicht erklärt“ : Die große Welt der kleinen Moleküle

Eine Wissenschaftlerin justiert den mikroskopisch feinen Flüssigkeitsstrahl. Diese Strahlen werden entwickelt, um Tröpfchen in den Röntgenblitz des European XFEL einzubringen. Damit können einzelne, mikroskopisch kleine Objekte wie Viren, Zellbestandteile oder Bakterien untersucht werden.
Eine Wissenschaftlerin justiert den mikroskopisch feinen Flüssigkeitsstrahl. Diese Strahlen werden entwickelt, um Tröpfchen in den Röntgenblitz des European XFEL einzubringen. Damit können einzelne, mikroskopisch kleine Objekte wie Viren, Zellbestandteile oder Bakterien untersucht werden.

340 internationale Wissenschaftler hatten bisher das Privileg, mit dem weltweit führenden Röntgenlaser zu arbeiten.

shz.de von
14. August 2018, 12:10 Uhr

Schenefeld | 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 ersten Forscher haben ihre Arbeit in der Experimentierhalle der Forschungseinrichtung European XFEL beendet: 340 internationale Wissenschaftler hatten bisher das Privileg, mit dem weltweit führenden Röntgenlaser zu arbeiten. Er kann pro Sekunde 27 000 Lichtblitze erzeugen – weit mehr als jeder andere. Die Wissenschaftler hoffen durch die tiefen Einblicke in den Nanokosmos, die der Super-Röntgenlaser gewährt, auf neue Erkenntnisse und große Entdeckungen. „Doch zuerst mussten alle erst lernen, mit der Anlage umzugehen“, sagt XFEL-Sprecher Bernd Ebeling.

Die Forscher bewerben sich als Arbeitsgruppe für die Experimentierstationen, von denen bisher zwei in Betrieb sind. In den Teams arbeiten etwa 15 bis 80 Wissenschaftler. Viele kennen sich über ihr Forschungsgebiet über Ländergrenzen hinweg. Sie können die Anlage jeweils eine Woche lang nutzen und haben außerhalb der Experimentierhalle Zugang zu den Laboren, um beispielsweise ihre Proben optimal vorzubereiten.

Luftaufnahme des European XFEL-Campus mit der Stadt Hamburg im Hintergrund. Die Linien kennzeichnen das Tunnelsystem, das auf dem DESY-Campus startet und bis zur unterirdischen Experimentierhalle unter dem Hauptgebäude in Schenefeld reicht.
XFEL

Luftaufnahme des European XFEL-Campus mit der Stadt Hamburg im Hintergrund. Die Linien kennzeichnen das Tunnelsystem, das auf dem DESY-Campus startet und bis zur unterirdischen Experimentierhalle unter dem Hauptgebäude in Schenefeld reicht.

 

Eine Bewerbung garantiert aber noch lange nicht den Zugang zur Forschungsanlage – der Andrang ist einfach zu groß: „Nur etwa ein Drittel der Teams kommt derzeit zum Zuge. Die anderen müssen sich neu bewerben“, so Ebeling. Ein internationales Komitee mit Experten legt anhand der Bewerbungen fest, wer Zugang zur Experimentierhalle bekommt. Bei der Auswahl käme es darauf an, welche Relevanz das Experiment für die Wissenschaft habe, erklärt Ebeling.
Nach der ersten erfolgreichen Praxis-Anwendung durch die Wissenschaftler sind derzeit keine Gäste mehr in der Experimentierhalle zu entdecken. „Wir betreiben momentan den weiteren Aufbau der Anlage, optimieren die Abläufe und machen eventuell notwendige Reparaturen. Außerdem ist Urlaubszeit“, sagt Ebeling. Am 23. August beginnen dann die Forscher des zweiten Durchganges mit ihrer Arbeit am Röntgenlaser.

Gästehaus ist in Planung

Untergebracht werden sie in Hamburger und Schenefelder Hotels oder im DESY-Gästehaus. Ein Gästehaus auf dem Schenefelder XFEL-Campus ist zeitnah und fest eingeplant. Die Betten werden möglichst schnell benötigt – denn schon Ende des Jahres sollen zwei weitere Experimentierstationen an den Start gehen, Anfang 2019 noch zwei weitere. „Im Laufe der Jahre könnten es durchaus 15 werden“, sagt Ebeling. „Platz für weitere Experimentierhütten gibt es in der Mitte der Halle. Die dient momentan noch als Lagerfläche.“

Das Hauptgebäude des XFEL in Schenefeld.
European XFEL

Das Hauptgebäude des XFEL in Schenefeld.

 

Derzeit sind die wissenschaftlichen Stationen SPB/SFX und FXE in Betrieb. Die Experimentierstation SPB/SFX (Single Particles, Clusters and Biomolecules and Serial Femtosecond Crystallography) wird zur Erforschung kristalliner und nicht-kristalliner Proben genutzt. Schwerpunkt ist die Bestimmung der 3D-Struktur etwa von Biomolekülen, makromolekularen Komplexen oder Viren. Es lassen sich auch Bewegungen und Reaktionen von Molekülen, Atomgruppen und von biologischen Systemen untersuchen. Das Wissen um diese Prozesse könnte unter anderem die Entwicklung von maßgeschneiderten Medikamenten oder die Lösung von Problemen mit Antibiotika-Resistenzen voranbringen.

Das optische Laser-System für Anregungs-Abfrage-Experimente im Laser-Labor.
European XFEL

Das optische Laser-System für Anregungs-Abfrage-Experimente im Laser-Labor.

 

Die Experimentierstation FXE (Femtosecond X-Ray Experiments Instrument) ermöglicht das Betrachten extrem schneller Prozesse durch Pump-Probe-Experimente – eine von einem optischen Laser angeregte Probe wird mit den Röntgenblitzen des European XFEL untersucht. Dabei wird nicht nur die gestreute, sondern auch die von der Probe emittierte sekundäre Röntgenstrahlung ausgewertet. Neue Erkenntnisse über atomare Strukturen und die Elektronen-Verteilung könnten in vielen Forschungsbereichen Anwendung finden – bei der Energiegewinnung durch die Sonne, bei neuartigen Werkstoffen oder der künstlichen Photosynthese.

Enormer Datenfluss von  Experimentierstationen

Durch die Experimente am European XFEL in Schenefeld werden gigantische Datenmengen produziert. Pro Sekunde kann jeder der 2D-Pixeldetektoren bis zu 40 Gigabyte an Daten erzeugen – das sind Informationen für sechs DVDs.

Der Photonentunnel, blau illuminiert, zur Inbetriebnahme des XFEL am 6. Oktober 2016.
European XFEL

Der Photonentunnel, blau illuminiert, zur Inbetriebnahme des XFEL am 6. Oktober 2016.

 

Bis 2019 werden zusätzlich zu den jetzigen zwei, vier weitere Experimentierstationen arbeiten. Es wird geschätzt, dass dann Datenmengen in Höhe von zehn Millionen Gigabyte (zehn Petabyte) im Jahr anfallen – mit der geplanten verbesserten Auflösung können es sogar 50 Petabyte werden – das sind zehn Millionen DVDs, die gestapelt einen Turm von zwölf Kilometern bilden. Karabo, eine von European XFEL entwickelte Software, übernimmt die Positionierung der Proben, das Speichern, die gezielte Extraktion und Analyse von Daten und die Visualisierung der Ergebnisse. Gespeichert werden die Rohdaten ein Jahr auf Festplatten –  danach werden sie zur Archivierung auf Bänder verschoben.

zur Startseite
Karte

Diskutieren Sie mit.

Leserkommentare anzeigen