Röntgenblitze der Superlative für einen Blick in den Nano-Kosmos

Es ist eine Experimentalanlage der Superlative, die völlig neue Einblicke in die Vorgänge auf atomarer Ebene liefern soll: Am Freitag nimmt der XFEL-Röntgenlaser zwischen Hamburg und Schenefeld nach acht Jahren Bauzeit den Betrieb auf. Bundesforschungsministerin Johanna Wanka (CDU) gibt gemeinsam mit Kollegen aus verschiedenen Ländern offiziell den Startschuss für eines der ambitioniertesten europäischen Forschungsprojekte. Ein Überblick:

WAS MACHT DER XFEL-LASER?

Er erzeugt extrem starke, aber ultrakurze Röntgenblitzkaskaden, die dieselben Eigenschaften wie Laserlicht haben. Damit lassen sich 3D-Aufnahmen von kleinsten Strukturen wie einzelnen Atomen oder Molekülen machen. Nach Angaben des XFEL-Betreibers eröffnet dies der Forschung neue Möglichkeiten, etwa bei der Entwicklung von Medikamenten oder Werkstoffen mit völlig neuen Eigenschaften.

Mit den 3D-Röntgenblitzen lassen sich unter anderem Strukturen von Viren entschlüsseln oder quasi „filmen“, wie sich Moleküle bei chemischen Reaktionen trennen oder verbinden. Darüber hinaus lassen sich die Strahlen auch bündeln und dazu nutzen, Materie in extremste Druck- und Temperaturzustände zu versetzen. Damit lassen sich etwa Vorgänge im Inneren von Planeten simulieren.

WIE VIEL AUFWAND IST DAFÜR NÖTIG?

Die XFEL-Anlage ist an das seit längerem bestehende Deutsche Elektronen-Synchroton (Desy) im Hamburger Stadtteil Bahrenfeld angegliedert und führt von dort bis ins 3,4 Kilometer entfernte Schenefeld auf dem Gebiet Schleswig-Holsteins. Der größte Teil der Einrichtung befindet sich in unterirdischen Tunneln, in denen die Röntgenblitze in einem technisch enorm komplexen Verfahren erzeugt und für Experimente genutzt werden.

Überirdisch gibt es insgesamt drei separate Betriebsgelände, das größte befindet sich in Schenefeld. Dort liegt auch der Forschungscampus, auf dem Spezialisten aus aller Welt mit dem Röntgenlaser arbeiten sollen. Die Baukosten belaufen sich auf etwa 1,22 Milliarden Euro nach dem Preisniveau von 2005, das Jahresbudget 2015 belief sich auf beinahe 118 Millionen Euro.

WIE ARBEITET DER LASER GENAU?

Die Erzeugung der extrem starken Röntgenblitze erfolgt in einem mehrstufigen Prozess. Zunächst werden Elektronenpakete durch Laserbeschuss eines Metallstücks erzeugt und in einem 1,7 Kilometer langen Teilchenbeschleuniger so stark beschleunigt, dass sie fast mit Lichtgeschwindigkeit fliegen. Dieser besteht aus supraleitenden sogenannten Resonatoren aus dem Metall Niob, die auf minus 271 Grad Celsius abgekühlt werden und in denen Mikrowellen schwingen. Deren Energie überträgt sich dabei auf die Elektronen.

In der zweiten Stufe wird der extrem schnelle Elektronenstrahl durch speziell angeordnete Magnete gejagt, die ihn auf einen engen Slalomkurs zwingen. Während der Achterbahnfahrt durch die sogenannten Undulatoren senden die Elektronen Röntgenlicht aus, das sich immer weiter selbst verstärkt. So entstehen 27.000 Röntgenlichtblitze pro Sekunde, wobei einer kürzer als 100 Billiardstelsekunden dauert. Die Rate ist weltweit einmalig.

Das Röntgenlicht strahlt in der Spitze milliardenfach stärker als das aus den besten herkömmlichen Röntgenquellen und hat eine ultrakurze Wellenlänge von 0,05 bis 4,7 Nanometer. Das ist so klein, dass damit atomare Details sichtbar gemacht werden können. Die eigentlichen Experimente erfolgen an Arbeitsstationen, auf welche die Strahlen mit Spiegeln, Gittern oder Kristallen gelenkt werden. Dort treffen sie auf Materialproben, mit denen sie in Wechselwirkung treten. Spezialgeräte halten diese Vorgänge fest.

WER TRÄGT UND BEZAHLT DIE EINRICHTUNG?

Es handelt es sich um ein internationales Projekt mit rund 300 Mitarbeitern, an dem sich derzeit schon elf europäische Staaten beteiligen. Mit Großbritannien soll bald das zwölfte dazukommen. Die mit Abstand größten Träger sind Deutschland und Russland. Der Bund sowie die Länder Hamburg und Schleswig-Holstein kommen für 58 Prozent der Kosten auf, Russland für weitere 27 Prozent. (afp)