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Röntgenlaser European XFEL Stärkste Röntgenblitze der Welt im Forschungstunnel

Er ist der Röntgenlaser der Superlative: XFEL im Hamburger Forschungszentrum Desy. Mit seinen ultrastarken Röntgenlaserblitzen hoffen Forscher, die Geheimnisse von Molekülen, Viren und Zellen zu entschlüsseln.

Stand: 01.09.2017

Röntgenlaser European XFEL in Hamburg  | Bild: picture alliance / Christian Charisius/dpa

Mit Kosten von 1,5 Milliarden Euro ist der Röntgenlaser European XFEL in Hamburg eine der teuersten Forschungsanlagen, die je in Deutschland gebaut wurde. In dem über 3,4 Kilometer langen Tunnel, der vom Forschungszentrum Desy in Hamburg-Bahrenfeld bis Schenefeld in Schleswig-Holstein verläuft, sollen die stärksten Röntgenblitze der Welt hergestellt werden. Erzeugt werden diese Blitze von Elektronen, die fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden.

Röntgenlicht im Slalomkurs

Bei der Arbeit an der Röhre des Röntgenlasers European XFEL im Februar 2017

Zunächst werden Elektronenpakete durch Laserbeschuss eines Metallstücks erzeugt, die dann beschleunigt werden. In dem 1,7 Kilometer langen unterirdischen Teilchenbeschleuniger sind 96 Metallröhren mit einem Durchmesser von jeweils knapp einem Meter aufgereiht. In ihnen werden die Elektronen beschleunigt. Haben die Elektronen am Ende des Beschleunigers ihre maximale Geschwindigkeit erreicht, werden sie in eine Reihe von speziellen Magnetanordnungen gelenkt, sogenannte Undulatoren. Durch sie wird der Elektronenstrahl auf einen Slalomkurs gelenkt, auf dem die Elektronen anfangen, Röntgenlicht abzustrahlen, so Tobias Haas, der technische Koordinator am European XFEL. Das wiederholt sich alle vier Zentimeter. Von diesen Undulatoren gibt es 35, hintereinander geschaltet auf einer Strecke von mehr als 200 Metern.

"Wenn dieses Licht mit dem Licht des nächsten Undulators sozusagen im Takt schwingt, findet da eine Verstärkung statt. Und damit erreiche ich dann den Verstärkungseffekt, den ich für den Laser brauche."

Tobias Haas, der technische Koordinator am European XFEL

Für was steht XFEL?

Die Abkürzung XFEL steht für das englische X-Ray Free-Electron Laser, übersetzt: Freie-Elektronen-Laser für Röntgenstrahlen

Die ultrastarken Laserblitze enden in einer riesigen Halle. Dort können dann mit einem Roboterarm Proben in den Laserstrahl gehalten werden. So können Proben gewechselt werden, ohne dass jemand den Raum betreten muss. Zur Sicherheit sind die Wände der Experimentierhütte mit Blei abgeschirmt.

Röntgenlaser macht winzige Strukturen sichtbar

Dank bestimmter physikalischer Eigenschaften ist das im Gleichtakt schwingende oder kohärente Licht der Laser besonders geeignet den dreidimensionalen Aufbau von komplexen Molekülen und Atomansammlungen zu untersuchen. Je kurzwelliger das Licht ist, umso winziger die Strukturen, die sich damit sichtbar machen lassen. Zudem lassen sich mit einem Laser in Form von rasch aufeinanderfolgenden Lichtpulsen physikalische, chemische und biologische Prozesse aufnehmen. Im European XFEL werden 30.000 Lichtblitze in einer Sekunde erzeugt. Zum Vergleich: In einer schon betriebenen US-amerikanischen Anlage sind es nach Angaben des European XFEL nur 100. Allein durch diese Anzahl sind einige Experimente nur in Hamburg möglich. Die Röntgenblitze des European XFEL sind dabei mit weniger als 0,0000000000001 Sekunden so kurz, dass sich mit ihnen zeitliche Abläufe in chemischen Reaktionen "filmen" lassen sollen. 

Forschungsobjekte: Vom Bakterium bis zum Riesenplaneten

Ausgelegt ist der Röntgenlaser nach Aussage der Forscher für eine große Bandbreite wissenschaftlicher Anwendungen: So sollen chemische Reaktionen entschlüsselt werden, indem sie mit einem Lichtblitz ausgelöst werden. Dann wird untersucht, wie sich bei dieser Reaktion die Atome innerhalb der Moleküle bewegen. Astrophysiker erhoffen sich neue Details darüber, wie Materie im Inneren von Sternen aussieht. Geoforscher wollen künstlich Riesenplaneten wie Jupiter simulieren und Biologen einzelne Bilder von Proteinen aufnehmen. So könnten atomare Details von Viren und Molekülen entschlüsselt werden. Die Ergebnisse könnten unter anderem dabei helfen, spezielle Medikamente herzustellen.

Langer Weg für Röntgenlaser European XFEL

Laserschau über Hamburg zur Eröffnung von European XFEL

Wegen der Verhandlungen zwischen den elf bisherigen Partnerländern und einiger technischer Probleme hatte sich die Inbetriebnahme erheblich verzögert. Begonnen wurde der Bau im Frühjahr 2008. Damals ging man davon aus, dass die Anlage 2013 ihre Arbeit aufnimmt. Auch die Kosten für die Anlage sind um mehr als ein Viertel höher als zu Beginn angepeilt. Von den nun 1,5 Milliarden Euro übernimmt Deutschland rund 820 Millionen. Für das Bundesministerium für Bildung und Forschung gilt der Röntgenlaser "als Meilenstein in der europäischen Grundlagenforschung und ist Teil der Roadmap für Forschungsinfrastrukturen des Bundesforschungsministeriums." Am 1. September 2017 ging XFEL in Betrieb.

XFEL - Der größte Röntgenlaser: 4. September 2017, 16.30 Uhr, nano, ARD-alpha.


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