Bildstrecke XFEL

18.11.2016

Erleuchtung im Röntgengewitter

Wie ist eigentlich der Jupiter entstanden? Und was geht im Inneren des Riesenplaneten vor, wo unfassbar hohe Temperaturen und ein enormer Druck herrschen? Wie verschafft sich ein Virus Zugang zum Wirt? Und wodurch lässt sich das verhindern? Ein Forschungsprojekt der Superlative soll helfen Antworten auf diese und weitere Fragen zu finden. Anfang 2017 geht mit dem European XFEL ein Röntgenlaser gewaltiger Dimension am Deutschen Elektronen-Synchotron (DESY) in Betrieb.

Die Röntgenkanone des European XFEL reicht vom DESY in Hamburg 3,4 Kilometer weit bis ins schleswig-holsteinische Schenefeld. Mehr als 1000 Forscher hatten sich 2016 zum „Users Meeting" in der Hansestadt angemeldet, um über den Fortschritt der Anlage zu erfahren. Doch nur ein Bruchteil von ihnen wird dort forschen können. Derzeit wird ihre Arbeit noch fleißig vorbereitet und die Anlage getestet. Der Hamburger Fotograf Ronald Frommann hat den Röntgenlaser für bild der wissenschaft besucht und den Baufortschritt der riesigen Blitzlicht-Maschine mit seiner Kamera eingefangen.

Gesehen hat er eine Röntgenlaserkanone die pro Sekunde 27.000 Blitze aus Röntgenlicht senden kann und damit bestehende Anlagen in den USA, der Schweiz, Japan und Südkorea in den Schatten stellt. Im European XFEL werden über eine 1,7 Kilometer lange Strecke Teilchen beschleunigt, deren Blitze dann 100 Mal so hell strahlen, wie Röntgenlicht aus Synchotrons, also einfachen Ringbeschleunigern. Außerdem weltweit einzigartig: Das Röntgenlicht kann auf verschiedene Wellenlängen aus einem Bereich zwischen 0,05 und 4,7 Nanometern eingestellt werden. Eine vielversprechende Anlage für Wissenschaftler verschiedener Disziplinen.

Blitze für die Medizin

Biologen, Mediziner und Pharmakologen setzen große Hoffnungen auf den Röntgenlaser. Er soll es ihnen ermöglichen Zeitlupenfilme zu erstellen, zum Beispiel von Reaktionen die sich in Sekundenbruchteilen abspielen. Dazu werden lebende Proben in den Fokus des Röntgenlichts geschossen. Das empfindliche Material wird dadurch zerstört, wegen der ultrakurzen Belichtungszeit von knapp vier Millionstel Sekunden allerdings erst nach der Aufnahme. Wie ein Daumenkino lassen sich mehrere solcher Schnappschüsse zu einem ganzen Film zusammensetzen.

Das könnte nicht nur die Strategien vor Viren entlarven, die sich in Wirtszellen einschleusen, sondern auch dabei helfen die Proteinfaltung zu beobachten. Schwere Krankheiten wie Alzheimer hängen ursächlich mit einer falschen Proteinfaltung zusammen. Allerdings weiß man noch nicht genau, was dabei schief läuft. Im Zeitlupenfilm könnte das sichtbar werden – und helfen, Medikamente zu entwickeln, die eine Falschfaltung verhindern.

Beobachten statt "Trial and Error"

Auch bei der Suche nach neuen Katalysatoren, die günstiger und effektiver als die heute verwendeten sind, ist diese Filmfunktion interessant. Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen. Sie reinigen etwa die Abgase von Autos und Kraftwerken, oder steigern die Effektivität der Wasserstoffelektrolyse. In über 80 Prozent aller industriellen chemischen Prozesse werden Katalysatoren verwendet. Im Moment sind die Guten, etwa aus Platin, allerdings auch sehr teuer. Chemiker sind deshalb ständig auf der Suche nach neuen und ähnlich wirkungsvollen Katalysatoren.

Doch es gibt ein weiteres Problem bei der Katalysator-Forschung: Niemand kann sehen, wie ein Katalysator genau arbeitet. Nach dem Prinzip "Trial and Error" ("Versuch und Irrtum") ergeben sich manchmal neue Erklärungen. So haben Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum einen Katalysator aus dem natürlich vorkommenden Mineral Pentlandit entwickelt, der die Wasserstoffelektrolyse beschleunigen kann. Doch von einer zielgerichteten Forschung ist das noch weit entfernt. Sicher ist nur: Die Oberfläche von Katalysatoren steht mit dem Reaktionspartner in Wechselwirkung – diese Interaktion soll XFEL sichtbar machen.

Mit Licht speichern

Auch für Entwickler von Speichersysteme ist XFEL interessant. Sie wollen das Speichervolumen erhöhen, indem sie Speichermedien künftig mit zirkular polarisiertem Licht beschreiben, anstatt winzige Magnete zu verwenden. Dafür ist Licht mit bestimmten Schwingungseigenschaften nötig, das der Hamburger Röntgenlaser erzeugen kann.

Mit der 1,35 Milliarden teuren Anlage lassen sich nicht nur bestimmte Schwingungen erzeugen, sondern auch besondere Bedingungen, wie sie etwa auf dem Jupiter herrschen. Dazu wird alle Energie eines Lasers für einen Sekundenbruchteil auf eine kleine Probe aus dem Material des Planetenkerns entladen. Das Material wird auf eine Temperatur von mehreren Millionen Grad Celsius erhitzt, und es entsteht ein extremer Druck. Dann zündet der Röntgenlaser sein Blitzlichtgewitter und macht die Miniaturversion eines planetaren Infernos sichtbar.

 

 

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© wissenschaft.de - Xenia El Mourabit
18.11.2016

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