Weltgrößter Röntgenlaser geht in Betrieb

Sie sind milliardenfach heller als das Licht aus einem Speicherring und deutlich kürzer als eine billionstel Sekunde – jene Röntgenblitze, die bald eine spektakuläre Laseranlage erzeugen wird: Der „European XFEL“ ist eine 3,4 Kilometer langer Gigant, eingebaut in einen unterirdischen Betontunnel. Er beginnt auf dem Gelände des Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg-Bahrenfeld, verläuft in Richtung Nordwest und endet hinter der Landesgrenze zu Schleswig-Holstein in einer riesige Experimentierhalle. Nun ist die Anlage nahezu fertig und wurde feierlich eingeweiht.

Basis ist ein supraleitender, rund zwei Kilometer langer, linearer Beschleuniger. Er bringt Elektronen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit und schickt sie anschließend durch lange Spezialmagneten. Diese sogenannten Undulatoren zwingen die Elektronen auf Slalombahnen, wodurch die Teilchen extrem kurze und starke Röntgenblitze aussenden. Genau diese Blitze sind es, auf die die Forscher aus sind. Sie sind bis zu eine Milliarde Mal intensiver als bei Speicherringen, den heute stärksten Röntgenquellen.

Die Wellenlänge der Blitze kann variiert werden – die größte beträgt sechs, die kleinste 0,1 Nanometer. Damit lassen sich selbst feinste, atomare Details einer Probe erkennen. Außerdem sind die Blitze deutlich kürzer als eine billionstel Sekunde – ideal, um ultraschnelle Prozesse wie den Ablauf einer chemischen Reaktion zu analysieren. Nicht zuletzt haben die Blitze die Eigenschaften von Laserlicht. Das ermöglicht im Prinzip die Aufnahme von Hologrammen, also dreidimensionalen Bildern.

Der Röntgen-Weltrekordler 

Zwar gibt es in Japan und den USA bereits ähnlich große Röntgenlaser. Doch im Gegensatz zum European XFEL können sie nur relativ wenige Röntgenblitze pro Sekunde abfeuern. Der XFEL dagegen schafft 30.000 Blitze – für manche Experimente ein entscheidender Vorteil. Elf europäische Länder sind an dem Gemeinschaftsprojekt beteiligt. DESY ist der mit Abstand größte Partner.

Von den Forschungsmöglichkeiten werden die unterschiedlichsten Wissenschaftler profitieren: Chemiker wollen chemische Reaktionen quasi in Echtzeit filmen: Das Prinzip: Ein herkömmlicher Laser startet die Reaktion, anschließend schauen die Experten mit den intensiven Röntgenblitzen aus dem Europan XFEL nach, was genau passiert und wie sich einzelne Atome während der Reaktion verhalten.

Materie unter Schock

Molekularbiologen können künftig detaillierte Bilder einzelner Eiweißmoleküle aufnehmen. Physiker wollen unter anderem Reibungsprozesse haarklein analysieren, um das bislang nur mäßig erforschte Phänomen der Reibung grundlegend zu verstehen. Und Astrophysiker werden Schockwellen durch Materialproben schicken und dadurch Extrembedingungen simulieren, wie sie im Inneren von Sternen und Riesenplaneten herrschen.

In den nächsten Wochen werden die Physiker den Beschleuniger schrittweise hochfahren, um anschließend das erste Röntgenlicht zu erzeugen. Die ersten Experimente in der 1,2 Milliarden Euro teuren Nutzeranlage sollen dann Mitte 2017 starten – an vorerst sechs Messstationen in der Schenefelder Experimentierhalle. Das Interesse der Forschergemeinde ist riesig, schon jetzt ist die Anlage mehrfach überbucht. 

Resonator-Podcast zum European XFEL

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