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Tagebuch: Ich sah das Licht der Zukunft

Tieferes Verständnis
Nein, ein Komet hat hier nicht eingeschlagen und einen Krater produziert. Aber als ich im typisch Hamburger "Schietwetter" neben einem 38 Meter tiefen Loch im Hamburger Vorort Bahrenfeld stehe, befallen mich doch Ahnungen kosmischer Kräfte, die hier gewütet haben könnten.

Baugrube für die Erkenntnismaschine | In Hamburg geht 2014 der XFEL, der "European X-Ray Free Electron Laser" in Betrieb. Mit 27 000 Röntgenblitzen pro Sekunde soll er alle bisherigen Laser überstrahlen und zum besseren Verständnis fundamentaler chemischer und biologischer Prozesse beitragen.
Die Wahrheit ist irdischer – und doch fantastisch genug. Es handelt es sich bei dem Bohrloch um die Vorbereitungen für das größte Experiment, das die Welt derzeit auf dem Gebiet der Röntgenlaser aufbaut. Die Macher haben das Experiment ziemlich unaussprechlich den "European X-Ray Free-Electron Laser", kurz European XFEL, genannt. Das Gerät wird ultrakurze Laserlichtblitze im Röntgenbereich erzeugen – 27 000-mal pro Sekunde und mit einer milliardenfach höheren Leuchtstärke als alle bisherigen Röntgenstrahlungsquellen. Die einzigartigen Eigenschaften der Anlage sollen sowohl Grundlagenforschern wie auch der Industrie völlig neue Möglichkeiten eröffnen.

Das Bohrloch in Nachbarschaft des "Deutschen Elektronen-Synchrotron", kurz Desy, ist indessen nur die Startgrube einer rund vier Kilometer langen Anlage, die bis zu 38 Meter unter der Erdoberfläche bis nach Schleswig-Holstein vor die Tore der Nachbargemeinde Schenefeld reicht. Dort, am anderen Ende erst, werden die gleichfalls unterirdischen Labors mit den Experimenten stehen, wenn die rund eine Milliarde Euro teure Anlage wie geplant im Jahre 2014 ihren Betrieb aufnimmt.

Unterirdische Blitze in der Provinz | Die rund vier Kilometer lange XFEL-Anlage wird bis zu 38 Meter unter die Erdoberfläche reichen und sich von Hamburg bis nach Schleswig-Holstein vor die Tore der Nachbargemeinde Schenefeld erstrecken. Dort werden auch die unterirdischen Labors mit den Experimenten stehen, wenn die Anlage im Jahre 2014 ihren Betrieb aufnimmt.
Desy, das zur Erinnerung, ist eine deutsche Großforschungsinstitution und damit eine von 17 naturwissenschaftlich-technischen sowie medizinisch-biologischen Forschungszentren, die sich in der Helmholtz-Gemeinschaft zusammengeschlossen haben. Traditionell wurden am Desy (und per Fernkooperation etwa auch am Cern in Genf) Elementarteilchen aufeinander geschossen und damit anspruchsvolle Teilchenphysikexperimente durchgeführt.

Kostbare Strahlung

Doch diese Zeiten scheinen vorbei. Der größte Ringbeschleuniger der USA, das Tevatron in Chicago, schließt diesen September seine Pforten; und die Teilchenphysik der nächsten Dimension wird dann ausschließlich nur noch in Genf am Large Hadron Collider betrieben – der Rest der Welt treibt anderes. Viele Teilchenbeschleuniger wenden sich längst anderen Horizonten zu, wo sie in die Zukunft der Photonenphysik blicken möchten. Das Zauberwort heißt "Synchrotronstrahlung". In der Physik elektromagnetischer Wellen ist dieser Strahlungstyp eigentlich ein uralter Hut – er entsteht jedes Mal, wenn elektrische Ladungen beschleunigt werden. Aber im Bereich der Röntgenstrahlen beginnen Theoretiker wie Experimentatoren im gleichen Atemzug nicht nur von neuer Physik, sondern gleich von neuer Wissenschaft zu schwärmen.

"Desy ist nach wie vor ein Beschleunigerlabor", betont Desy-Chef Helmut Dosch beim Interview. "Die Ausrichtung, wie wir Teilchenbeschleuniger nutzen, hat sich aber in den letzten Jahren entscheidend geändert." Der gelernte Festkörperphysiker, früher am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart, ist gut gelaunt. Gekonnt pariert er meine inquisitorischen Fragen und Sticheleien. Wieso, zum Beispiel, sitzt hier ausgerechnet ein Festkörperphysiker als Chef des Beschleunigerlabors Desy?

Mit dem Desy-Chef durch die heiligen Hallen | Desy-Chef Helmut Dosch (Mitte) mit Reinhard Breuer (rechts) und dem Wissenschaftsjournalisten Gerhard Samulat auf der Tribüne der Messhalle des FLASH-Beschleunigers. Der Beschleuniger selbst, ein Prototyp für den kommenden XFEL, befindet sich in angrenzenden Gebäuden.
Heute würde die hochbrillante Röntgenstrahlung, zunächst "eigentlich ein Abfallprodukt" und höchstens "parasitär" genutzt, selbst als Forschungswerkzeug eingesetzt: für die Analyse neuer Materialien, schneller chemischer Reaktionen, neuer Medikamente oder extremer Materiezustände. Mit den kostbaren Strahlen lassen sich, so berichtet Dosch, atomare Details von Viren und Zellen entschlüsseln, dreidimensionale Aufnahmen aus dem Nanokosmos machen, chemische Reaktionen filmen und Vorgänge wie die im Inneren von Himmelskörpern untersuchen – Dinge, die messtechnisch bisher nur grob oder gar nicht zugänglich waren.

Als Forscher habe Dosch sich schon immer mit Nanostrukturen befasst und damit, wie sich die neuartigen Röntgenstrahlen als Messsonde nutzen lassen. "Ich bin jemand, der auch darüber Bescheid weiß, welche Arten von Beschleunigern man für diese Strahlung braucht."

Röntgenblitz der Supralative

Die Methode, mit welcher der European XFEL Röntgenblitze erzeugt, klingt im Prinzip eigentlich nicht besonders komplex. Zuerst werden Elektronenpakete mit einem Beschleuniger auf hohe Energien nahe der Lichtgeschwindigkeit gebracht und durch spezielle Magnetanordnungen (Undulatoren) gelenkt. Dabei senden die geladenen Teilchen wegen der beschleunigten Bewegung Licht aus, das sich immer mehr verstärkt, bis schließlich ein extrem kurzer und intensiver Röntgenblitz entsteht. Jeder Einzelblitz dauert weniger als 100 billiardstel Sekunden und ist lichtstark genug für die Momentaufnahmen.

Neuer Abonnent? | Desy-Chef Helmut Dosch (links) mit Reinhard Breuer
Weniger bekannt ist, dass beim Desy schon seit fünf Jahren eine Art Pilotanlage für einen XFEL steht: der "Freie-Elektronen-Laser in Hamburg", kurz "Flash", was auch als Abkürzung noch "Blitz" bedeutet. Als Helmut Dosch uns auf die Tribüne der Flash-Messhalle führt, blicken wir über ein turnhallengroßes Gewirr von Röhren, Pumpen, Bildschirmen und Kabelsträngen. Und das sind nur die fünf Messstationen. Der eigentliche Beschleuniger verbirgt sich in den anschließenden Hallen.

Alle wesentlichen Komponenten für das Endgerät European XFEL, so erklärt Helmut Dosch, sind hier bereits so erfolgreich getestet worden, dass die Anlage längst auch wissenschaftlich für sich selbst steht und viele Gruppen den aufgeteilten Röntgenstrahl für ihre Experimente nutzen. Sogar eine zweite Halle mit weiteren sechs weiteren Messstationen, genannt Flash II, ist daher schon in Planung. Offenbar lief das Gerät bereits 2006 bei der Inbetriebnahme so gut, dass Forscher schon bei den ersten Experimenten in einem einzigen Röntgenblitz ein hochaufgelöstes Beugungsbild einer nichtkristallinen Probe aufnehmen konnten – eine wissenschaftliche Ersttat und ein Verfahren, das für den European XFEL zentral werden soll.

Dass der European XFEL 27000 Röntgenblitze pro Sekunde erzeugen kann, verdankt er seinen supraleitenden Komponenten. "Das ist ein großer Vorteil gegenüber der Konkurrenz", berichtet Massimo Altarelli, der Geschäftsführer der European XFEL GmbH. Der Italiener ist von Haus aus ebenfalls Festkörperphysiker, scheint aber – wie Helmut Dosch – bei dem europäischen Großprojekt genau am richtigen Platz gelandet zu sein. Wir blicken aus seinem Hochhausbüro auf das Desy-Gelände, wo gerade der Regen gegen die Fensterscheiben peitscht. Erfahrungen mit wissenschaftlichen Großgeräten hat der 62-Jährige immer wieder gesammelt, so etwa Anfang der 1990er Jahre beim Bau der "European Synchrotron Radiation Facility", ESRF, in Grenoble.

Freund der schnellen Teilchen | Massimo Altarelli, Festkörperphysiker und Geschäftsführer der European XFEL GmbH, sieht den neuen Röntgenlaser dank seiner supraleitenden Elemente als "großen Vorteil gegenüber der internationalen Konkurrenz".
Die internationalen Konkurrenten zum European XFEL – dazu gehört die LCLS-Anlage (Linac Coherent Light Source) an der kalifornischen Stanford University oder der Super Photon Ring SPring-8 im japanischen Harima Science Park, der noch 2011 in Betrieb gehen soll – arbeiten alle mit normalleitenden Magnetspulen. "Damit kann man aber höchstens 200 bis 300 Pulse pro Sekunde erzeugen. Das sind zwei Größenordnungen weniger als mit unserem XFEL", berichtet Altarelli.

Fundamentales Filmprojekt

Das wissenschaftliche Neuland, das diese Ultrakurzblitze beleuchten sollen, sieht so aus: Einmal können sie sichtbar machen, wie Proteine und andere komplexe Biomoleküle zusammengesetzt sind – Qualitäten, die sich bisher nur in kristallisierten Proteinen analysieren ließen. Aber nicht alle Proteine lassen sich eben als Kristalle züchten. Jetzt kann man sie etwa in Flüssigkeitströpfchen quer in den Röntgenstrahl schießen und dabei stroboskopisch fotografieren.

Als zweites lassen sich mit den Röntgenblitzen ultraschnelle chemische Reaktionen wie die Bildung von Molekülen filmen. "Bisher kennt man nur Anfangs- und Endzustände solcher Reaktionen", sagt Massimo Altarelli. "Mit dem European XFEL werden wir endlich genau messen können, was dazwischen passiert. Das betrifft zum Beispiel den geheimnisvollen Prozess der Katalyse – hier liegen gewaltige Anwendungspotenziale auch für die Industrie". Der Italiener schildert mir auch ein drittes Gebiet, wo die neue Anlage für Aufklärung sorgen kann: Phasenübergänge. Wenn etwa Wasser gefriert, so kennt man einerseits die Flüssigkeit vor den Einfrieren sowie andererseits sämtliche Kristallzustände von Wassereis – hinterher. Aber der dynamische Prozess des Gefrierens selbst ist heute noch weitgehend unerschlossen: für Experimente zu schnell, für Theoretiker zu kompliziert. "Wenn wir den dynamischen Prozess des Phasenübergangs selbst beobachten, dann werden wir zahlreiche fundamentale Prozesse in der Natur besser verstehen."

Als ich mich von Massimo Altarelli verabschiede, regnet es draußen immer noch. Ob er das italienische Wetter vermisse, frage ich ihn noch in der Türe. "Ja, sicher", meint er und seufzt. "Das Hamburger Wetter ist erheblich verbesserungswürdig." Beim Wegfahren denke ich noch darüber nach, wie man ein so tolles Forschungsgerät auf einen so unaussprechbaren Namen wie "European XFEL" taufen kann. Haben die Forscher denn keine Imageberater, die wenigstens ein sprechbares Akronym zustande kriegen? Will man denn gar nicht, dass die Anlage mit einem populären Begriff in die Öffentlichkeit kommt? Vielleicht kann ich ja mit einem Vorschlag nachhelfen. Ich habe ihn sogar auf einem der Desy-Flure aufgeschnappt. Offenbar will ihn niemand haben, aber trotzdem: Wie wäre es mit "Euro FLASH"?

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