Helmholtz-Gemeinschaft Geschaeftsbericht 2015

Energie I Erde und Umwelt I Gesundheit I Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr I Materie I Schlüsseltechnologien zum Beispiel der weltweit größte Teilchenbeschleuniger LHC am CERN, der Beschleunigerkomplex bei GSI und zahlreiche große Detektoren, unterirdische Labore oder Observatorien, mit denen sie tief in den Kosmos blicken können. Von Materie zu Materialien und Leben Mithilfe modernster Strahlungsquellen untersuchen die Forscher Strukturen, dynamische Vorgänge und Funk- tionen von Materie und Materialien. Dabei arbeiten sie eng mit Universitäten und der Industrie zusammen. Forschungsschwerpunkte sind zum Beispiel Übergangszu- stände in Feststoffen, Molekülen und biologischen Syste- men, komplexe Materie und maßgeschneiderte intelligente Funktionsmaterialien sowie das Design neuer Materialien für den Energiesektor, Transportsysteme und Informations- technologien. Ein weiteres Ziel ist es, den molekularen Aufbau von Wirkstoffen und damit deren Eigenschaften verbessern zu können. Nationalen wie internationalen Der Beschleunigerphysiker Jens Osterhoff und sein Team nutzen den Elektronenstrahl aus dem FLASH-Beschleuniger bei DESY für Versuche mit Plasmazellen. Bild: H. Müller-Elsner/DESY Großgeräte sind für Spitzenforschung unerlässlich. Einige von ihnen könnten in Zukunft jedoch kleiner, kompakter und zugleich enorm leistungsstark sein. Bei den heute oft kilo- meterlangen Teilchenbeschleunigern zum Beispiel könnte das eine Technologie ermöglichen, die auf einem exotischen Materiezustand basiert: dem Plasma. Darin sind die Atome aufgespalten in positiv geladene Ionen und negativ gelade- ne Elektronen, die sich frei bewegen können. Bereits heute lassen sich in einem Plasma Wellen erzeugen, die Elektronen auf Energien im Bereich von Milliarden Elektronenvolt be- schleunigen können. An dieser Entwicklung forschen Arbeitsgruppen des Deut- schen Elektronen-Synchrotrons (DESY) und der Universität Hamburg. Sie arbeiten gemeinsam unter dem Dach von LAOLA, dem Laboratory for laser- and beam-driven plasma acceleration. „Wir wollen die Plasmabeschleuniger zur Anwen- dungsreife führen”, sagt Florian Grüner, Sprecher von LAOLA. „Zurzeit betreiben wir Grundlagenforschung, um stabile und kontrollierbare Elektronenstrahlen hoher Qualität zu erzeu- gen.“ Nur damit ließen sich zum Beispiel die Freie-Elektronen- Röntgenlaser von morgen betreiben, deren Abmessungen im Bereich von einigen Metern lägen und nicht mehr im Bereich BESCHLEUNIGUNGSREKORDE MIT PLASMAWELLEN von Kilometern. „Unser Ziel ist es, den ersten „Table-top-FEL“ zu bauen, also einen Freie-Elektronen-Laser im kompakten Laborformat“, sagt Grüner. „Wir wollen in den nächsten vier bis fünf Jahren zeigen, dass so eine Anlage prinzipiell funktio- niert – das wäre ein entscheidender Durchbruch.“ Bis es soweit ist, müssen die Beschleunigerphysiker allerdings noch viele grundlegende Erkenntnisse über Prozesse gewin- nen, die innerhalb von Femtosekunden stattfinden – das ist der milliardste Teil einer millionstel Sekunde. Dabei geht es um ein Plasma, in dem extrem hohe Kräfte wirken zwischen Teilchen und Wellen, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Kein einfaches Unterfangen, sagt Ralph Aßmann, der mit seiner Gruppe neue Beschleunigertechnologien ent- wickelt: „Wir haben hier Experten, die ultraschnelle Prozesse erforschen, Spezialisten für Hochleistungslaser, fokussierte Elektronenstrahlen und jahrzehntelange Erfahrung im Be- schleunigerbau. Bislang lassen sich zwar immer neue Be- schleunigungsrekorde mit Plasmazellen aufstellen, doch wir können die Prozesse weder genau genug kontrollieren noch steuern, also auch nicht nutzen.“ Weitere Beispiele aus diesem Forschungsbereich g Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY 29

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