Spitzenforschung in Schenefeld : Es werde Licht: Was im Röntgenlaser European XFEL steckt

Die Tunnelanlage des in dieser Woche eingeweihten European XFEL Röntgenlasers in Schenefeld (Schleswig-Holstein).

Die Tunnelanlage des in dieser Woche eingeweihten European XFEL Röntgenlasers in Schenefeld (Schleswig-Holstein).

Der 1. September 2017 ist ein historisches Datum für die Wissenschaft. Sechs Fragen und Antworten zur Eröffnung des XFEL.

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28. August 2017, 12:06 Uhr

Schenefeld/Hamburg | Eine neue Ära der Forschung beginnt in Schenefeld (Kreis Pinneberg): Die weltgrößte Röntgenlaseranlage European XFEL steht ab Freitag für Experimente zur Verfügung. Da das Jahrhundert-Projekt tief unter der Erde liegt und kaum überirdische Präsentationfläche bietet, ist es mit dem gebührenden Feiern so eine Sache. Als „Elbphilharmonie der Forschung“ hat Hamburgs Wissenschaftssenatorin Katharina Fegebank (Grüne) das neue Wahrzeichen bezeichnet. Und so soll die „Elphi“, das schillernde Kulturprojekt am Elbufer dann auch dafür Sorge tragen, dass die Kunde über den Ersteinsatz des wissenschaftlichen Schwergewichtes nicht „in der dunklen Kammer“ bleibt.

Die „Eplhi“ wird deshalb am Montagabend (28.8.) um 19.15 Uhr einen „Lasergruß“ über Hamburgs Dächer zum Endpunkt der 3,4 Kilometer langen, unterirdischen Laseranlage nach Schenefeld senden. Den Betrieb nimmt die Superkamera für kleinste Teilchen im Nanokosmos dann am 1. September (Freitag) offiziell auf. Zwei der geplanten sechs Instrumente werden dann für Experimente zur Verfügung stehen.

Wofür ist der XFEL gut?

Um die extrem kurzen und intensiven Röntgenlaserblitze zu erzeugen, werden hochenergetische Elektronenpakete durch spezielle Magnetanordnungen (Undulatoren) gelenkt.
European XFEL

Um die extrem kurzen und intensiven Röntgenlaserblitze zu erzeugen, werden hochenergetische Elektronenpakete durch spezielle Magnetanordnungen (Undulatoren) gelenkt.

Im XFEL (X-Ray Free-Electron Laser/Röntgenlicht-Freie-Elektronen-Laser) sollen die hellsten ultrakurzen Röntgenblitze der Welt erzeugt werden, bis zu 27.000 pro Sekunde. Die Leuchtstärke soll milliardenfach über dem liegen, was vergleichbare Anlagen bislang leisten können. Forscher erwarten, mit Hilfe der ultrakurzen Röntgenblitze dreidimensionale Aufnahmen in atomarer Auflösung machen können. Dabei sollen Details von Viren und Zellen sichtbar werden. Auch das Filmen chemischer Reaktionen soll möglich sein. Es können über das ab Freitag zur Verfügung stehende FXE-Instrument (Femtosecond X-Ray Experiments) also auch ultraschnelle Prozesse wie beispielsweise die Entstehung von Zwischenprodukten bei chemischen Reaktionen dokumentiert und analysiert werden.

Belichtungszeiten von billiardstel Sekunden sorgen dabei für scharfe Aufnahmen bei hoher Dynamik. Es können sehr schwache Signale – auch solche die einem einzelnen Lichtteilchen (Photon) entsprechen – aufgezeichnet werden.

Wohin genau erstrecken sich die Anlagen?

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xfel.eu

Die drei Kilometer lange Anlage beginnt auf dem DESY-Gelände in Hamburg-Bahrenfeld, verläuft in nordwestlicher Richtung und endet in Schenefeld. In der schleswig-holsteinischen Stadt befindet sich das Forschungsgelände mit dem oberirdischen Hauptgebäude mit einer unterirdischen Experimentierhalle stehen. Letztere beherbergt zehn Messplätze.

Wie weit ist die Entwicklung abgeschlossen?

Das Instrument SPB/SFX ermöglicht neue Untersuchungen in der Strukturbiologie. Es ist eins von zwei Instrumenten, die im Herbst 2017 den Nutzern zur Verfügung stehen.
European XFEL

Das Instrument SPB/SFX ermöglicht neue Untersuchungen in der Strukturbiologie. Es ist eins von zwei Instrumenten, die im Herbst 2017 den Nutzern zur Verfügung stehen.

Derzeit erzeugt der XFEL erst mehrere hundert Blitze pro Sekunde, wie Pressesprecher Bernd Ebeling sagt. Damit übertrifft das Projekt an Leistungskraft aber bereits vergleichbare Anlagen in den USA und Japan. Die ersten Experimente ab Mitte September sollen auch ein Test für den XFEL sein und helfen, ihn weiter zu verbessern. Bislang gibt es zwei Experimentierstationen („Instrumente“), in die der Röntgenstrahl gelenkt werden kann. In den nächsten Jahren sollen vier weitere Stationen hinzukommen. Der erste LPD-Detektor (Large Pixel Detector) wurde vor einer Woche installiert. Es ist das erste „Auge“ einer bahnbrechenden „Röntgenkamera“, die von European XFEL und dem Rutherford Appleton Laboratory in der Nähe von Oxford in Großbritannien entwickelt wurde.

Wer darf die Milliarden-Anlage zuerst benutzen?

Zwei Wissenschaftler aus Australien und Polen, die beide bereits in Hamburg tätig sind, werden voraussichtlich die ersten Nutzer sein. Anton Barty und Kollegen wollen Bilder von Biomolekülen gewinnen, Wojciech Gaweldas Team plant, eine chemische Reaktion zu filmen.

Wer zahlt dafür und wer hatte die Idee?

Elf europäische Länder sind am XFEL beteiligt. Größte Geldgeber sind Deutschland mit 58 und Russland mit 27 Prozent. Die übrigen Länder sind mit jeweils 1 bis 3 Prozent der Kosten dabei. Spannungen in der internationalen Politik hätten die wissenschaftliche Zusammenarbeit mit Russland nicht beeinträchtigt, versichert Ebeling. „Russland hat sehr viel beigetragen, nicht nur finanziell, sondern auch an Know-how und Bauteilen.“ Ursprünglich komme sogar die Idee für einen Freie-Elektronen-Laser aus Moskau. Auch die Kooperation mit Großbritannien laufe sehr gut. Der Beitritt des Landes zu dem Forschungsprojekt werde bis Ende des Jahres unterzeichnet sein. Die Briten hatten zu Beginn des Projekts im Jahr 2009 aus finanziellen Gründen zunächst einen vorgezogenen „Brexit“ gemacht. Jetzt gehören britische und russische Forscher zu den ersten Nutzern, denen bereits Experimentierzeit eingeräumt wurde.

Wie wird die Eröffnung gefeiert?

Bei so viel europäischer Eintracht könnte bei der Feier am Freitag eigentlich Beethovens „Freude schöner Götterfunken“ gespielt werden, wie bei der Eröffnung der Elbphilharmonie. Doch für eine solche Überhöhung ihrer Arbeit sind nüchterne Wissenschaftler wohl nicht zu haben. Darum soll nur eine Band die 800 Gäste aus Politik und Wissenschaft mit einem Medley aus Melodien der Partnerländer erfreuen.

Was macht „XFEL“ und „Elphi“ zu „Geschwistern“?

Es gibt tatsächlich Parallelen zwischen Elbphilharmonie und dem XFEL: Beide fußen auf älteren Fundamenten, die Elbphilharmonie auf einem Kaispeicher aus den 60er Jahren. Der XFEL ist eng mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy) in Bahrenfeld verbunden, wo ebenfalls seit den 60er Jahren mit Teilchenbeschleunigern gearbeitet wird. Auch die Bauzeit - zehn beziehungsweise acht Jahre - sowie die Kosten, 789 Millionen für die Elbphilharmonie und 1,22 Milliarden Euro für den XFEL, sind nicht so weit voneinander entfernt. Aber vor allem: Beide Projekte beanspruchen für sich, ganz neue Maßstäbe in ihren Bereichen zu setzen.

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