Xfel: Riesenkamera nimmt Filme von Atomen auf

In Hamburg und Schleswig-Holstein entsteht derzeit eines der größten und leistungsfähigsten Aufnahmesysteme der Welt: Der European Xfel ist ein Röntgenlaser, der Atome und chemische Reaktionen abbilden kann.

Ein Bericht von Werner Pluta veröffentlicht am 19. August 2016, 12:00 Uhr

European Xfel: gigantisches Mikroskop und gigantische Kamera (Bild: Werner Pluta/Golem.de)

Diese Kamera ist gigantisch: Mehrere Kilometer ist sie lang. Die Belichtungszeit bemisst sich in Femtosekunden, die Auflösung liegt im atomaren Bereich. Der abgelichtete Gegenstand wird zwar zerstört, aber das Aufnahmesystem ist schneller.

Der European Xfel - eine Abkürzung für X-Ray Free-Electron Laser (Röntgen-Freie-Elektronen-Laser) - ist eine Forschungsanlage, die zurzeit in Norddeutschland gebaut wird. Der Anfang der Anlage befindet sich in Hamburg, am Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy), das Ende in Schenefeld in Schleswig-Holstein. Golem.de hat die Experimentierhalle in Schenefeld besucht.

Der European Xfel ist eine Kamera und ein Mikroskop

Die Anlage erzeugt ultrakurze, hochenergetische Röntgenblitze, um Einzelbilder und Filme von Molekülen oder chemischen Reaktionen aufzunehmen. Damit sei die Anlage "ein gigantisches Mikroskop und eine gigantische Kamera", sagte European-Xfel-Sprecher Bernd Ebeling Golem.de. An der Anlage werde künftig Grundlagenforschung in unterschiedlichen wissenschaftlichen Disziplinen betrieben: Physik und Astrophysik, Chemie, Nanotechnologie, Energieforschung, aber auch Biologie, Medizin oder Pharmazie.

Materialforscher etwa können die Eigenschaften neuer Materialien erforschen. Chemiker sollen schnell ablaufende Reaktionen Schritt für Schritt analysieren. Die Untersuchung von Prozessen in Solar- oder Brennstoffzellen könnte zu Verbesserungen führen.

Einzelne Moleküle werden abgebildet

Biologen und Mediziner sollen am European Xfel Proteine, Zellen oder molekulare Abläufe beobachten. Bisher müssen sie, um etwa Proteine untersuchen zu können, Kristalle aus den Proteinmolekülen züchten. Der Kristall wird dann mit einem Röntgenblitz angestrahlt. Am European Xfel können die Kristalle kleiner sein als bisher. Die Forscher hoffen, dass künftig auch ein einzelnes Molekül ausreicht. Die Untersuchung von Biomolekülen hilft Wissenschaftlern, Krankheitsverläufe zu verstehen und möglicherweise zu beeinflussen. Krankheiten wie Alzheimer werden durch Proteine ausgelöst, die sich unnormal verhalten.

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Vorsicht Vakuum! Am European Xfel geht es voran. 2017 soll die Anlage in Betrieb gehen. (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

All diese Experimente werden in Schenefeld durchgeführt. Der Anfang der Anlage ist jedoch knapp dreieinhalb Kilometer entfernt: Am Desy werden dafür Elektronenpakete erzeugt. Diese werden in einen 1,7 Kilometer langen Linearbeschleuniger injiziert und bis fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Das übernehmen supraleitende Resonatoren, die mit flüssigem Helium auf minus 271 Grad gekühlt werden.

Der Tunnel verzweigt sich

Die Elektronenpakete sausen dann in Richtung Experimentierhalle. Bis dahin verzweigt sich der Tunnel mehrfach. Dadurch können in der Halle mehrere Experimente mit Röntgenpulsen versorgt werden. Anschließend passieren die Elektronen die Undulatoren, die die Röntgenpulse erzeugen. Ein solcher Undulator ist gut 200 Meter lang und besteht aus Permanentmagneten, die abwechselnd polarisiert hintereinander angeordnet sind. Die Magnete zwingen die Elektronenpakete auf eine Slalombahn.

Das Undulieren, das Hin- und Herpendeln der Elektronen, führt dazu, dass sie Röntgenblitze mit Lasereigenschaften emittieren. Die Blitze werden zu den Experimenten geleitet. Insgesamt stehen drei Undulatoren zur Verfügung, von denen zwei baugleich sind. Alle drei können Röntgenstrahlung in verschiedenen Wellenlängen erzeugen. Die Wellenlänge hängt von der Stärke des Magnetfelds im Undulator ab - das Feld wird durch den Abstand der beiden Schienen über und unter dem Elektronenstrahl verändert. Die Elektronen werden schließlich in einem Absorber aufgefangen.

Zwei Experimente pro Röhre

In der Halle enden fünf Tunnel. Aus jedem kommen zwei Röhren mit einem Durchmesser von etwa 10 cm. Jede dieser Röhren versorgt ein wissenschaftliches Instrument mit den Laserpulsen. Allerdings nicht gleichzeitig: Wird an einem Instrument experimentiert, ist das andere nicht in Betrieb.

Experimentieren am European Xfel heißt, eine Probe mit solchen Röntgenblitzen zu beschießen.