22:23 27 November 2020
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    Der stärkste Röntgenlaser der Welt wird am Freitag bei Hamburg in Betrieb genommen. Sputnik war schon vor der Eröffnung vor Ort und durfte in die Experimentier-Hallen unter Tage. Forscher wollen dort letzte Rätsel von Molekülen und Atomen entschlüsseln. Russland finanziert als zweitgrößter Geber fast ein Drittel des internationalen Projekts.

    „Wir sind hier wissenschaftliche Weltspitze“, betonte Prof. Dr. Robert Feidenhans’l, Managing Director des Projektes „European XFEL“, gegenüber Sputnik am Donnerstag. Auf dem Gelände der Großforschungsanlage in Schenefeld bei Hamburg sprach er davon, dass große Durchbrüche durch die Arbeit des XFEL in der Biologie und anderen Forschungsfeldern möglich seien. „Wir könnten hier eventuell bessere Energiequellen erschließen, zum Beispiel für die Photovoltaik. Die chemische Industrie könnte in der Katalyse profitieren. Auch die Pharmazie.“ Der aus Dänemark stammende Röntgenphysiker ist seit Januar geschäftsführender Direktor vom XFEL. "Ich fördere das Projekt aber schon seit zehn, eigentlich schon seit 20 Jahren im Rahmen meiner wissenschaftlichen Arbeiten", erklärte er weiter. Zuvor war er am Niels-Bohr-Institut an der Universität Kopenhagen tätig.

    Die Reise ins Reich der Wissenschaft beginnt ...
    © Sputnik / Alexander Boos
    Die Reise ins Reich der Wissenschaft beginnt ...
    XFEL steht für „X-Ray Free-Electron Laser“, zu deutsch: „Röntgenstrahl Freier Elektronen Laser“. Feidenhans`l über die Funktionsweise: „Wir produzieren hier ultrakurze Lichtwellen, so dass sie auf der Zeitskala von Molekülen kommen. Davon können wir dann Streubilder anfertigen.“ Dabei würden Blitze erzeugt, die der Fotografie von kleinsten atomaren und molekularen Strukturen dienen. Durch das Licht können Prozesse auf der Molekularebene gefilmt werden. Letztlich sei das XFEL ein Riesen-Mikroskop. Ähnliches werde schon in Japan und an der Stanford University in Kalifornien gemacht. „Die Forscherkollegen von Stanford und aus Japan schauen schon etwas neidisch auf uns“, meinte er schmunzelnd. Es gebe jedoch rege Kooperation und Austausch weltweit mit allen Forscherkollegen im Bereich der Röntgen- und Laserphysik.

    Es geht tief runter in die Experimental-Gewölbe. 14 Meter unter der Erde finden die eigentlichen Experimente statt.
    © Sputnik / Alexander Boos
    Es geht tief runter in die "Experimental-Gewölbe". 14 Meter unter der Erde finden die eigentlichen Experimente statt.

    Internationales Projekt: Russland aktiv beteiligt

    Das internationale Projekt kostete bisher etwa 1,5 Milliarden Euro. Allein Deutschland steuerte durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung 760 Millionen Euro bei. Russland trägt fast ein Drittel (27 Prozent) des Budgets und ist damit zweitgrößter Finanzier. Neben Russland und Deutschland sind folgende Länder beteiligt:  Dänemark, Frankreich, Großbritannien, Italien, Polen, Russland, Schweden, die Schweiz, Slowakei, Spanien und Ungarn. Auch die Wissenschaftler kommen aus vielen Ländern und finden sich in den nach Themen geordneten Experimental-Gruppen zusammen. Der Röntgenlaserstrahl versorgt verschiedene sogenannte „Hutches“, sprich Experimentier-Teams. Denn das XFEL sei kein Großprojekt, sondern der Röntgenlaser versorge Physiker und Chemiker genauso wie Biomediziner, Biochemiker oder Strukturbiologen. Bisher gibt es die zwei wissenschaftlichen Experimente „Instrument FXE"  und "SPB Instrument" in den Katakomben. „Weitere sollen folgen“, so Dr. Rosemary Wilson, Pressesprecherin der Forschungsanlage. „Bis 2019 werden wir voraussichtlich vier weitere Hutches haben, die alle mit dem Röntgenlaser arbeiten wollen.“ Sie zeigte sich hocherfreut: “Die Experimentier-Phase endlich erreicht zu haben, ist großartig. Es ist eine aufregende Zeit.“

    Weltweit einmalig: Schnellste Röntgenkamera, höchste Photonen-Energie

    „Ohne die Maschine in Stanford wäre das, was Sie jetzt hier sehen, überhaupt nicht entstanden“, sagte Prof. Dr. Christian Bressler, Teamleiter des Experiments „Instrument FXE“, im Sputnik-Interview. Er arbeitet 14 Meter unter der Erde im sogenannten „Experimental Vault“, also im Experimentier-Gewölbe der Anlage. Hier finden die eigentlichen Experimente statt. Der Wissenschaftler bescchrieb die Anlage: „Wir haben hier eine Instrumentenvorrichtung, die Röntgenstrahlen für Experimente nutzt. Wir haben dazu noch ein Laser-System mit optischem Licht. Mit dem wir chemische Reaktionen anregen wollen. Wir beleuchten diese kurz zeitversetzt, in einer billionstel Sekunde, mit einem Röntgen-Blitz, der vom Laser kommt. Um nachzuschauen, in welchen Reaktionszustände sich der Prozess befindet.“ Solche Experimente wiederhole sein Team nach immer größeren Zeitabständen, um herauszufinden, wie sich die Atome bei chemischen Reaktionen bewegen. 

    Das Team unter Leitung von Dr. Christian Bressler schraubt am Röntgenlaser in einem sogenannten Hutch
    © Sputnik / Alexander Boos
    Das Team unter Leitung von Dr. Christian Bressler schraubt am Röntgenlaser in einem sogenannten "Hutch"
    Elektronen werden hierfür in einem 3,4 Kilometer langen Tunnel auf bis zu 17 Elektronenvolt beschleunigt. Der beschleunigte Elektronenstrahl gibt dabei sehr kurze Blitze im Röntgenbereich ab. Diese Blitze erhellen die zu untersuchenden chemischen oder biologischen Prozesse. Kameras filmen das Ganze. „Dazu brauchen wir eine ganze Sammlung von Kameras“, so Bressler, der ein Team aus 14 Forschern leitet. „Wir haben die schnellste Röntgenkamera der Welt. Die ist in der Lage, die Molekular-Struktur zu filmen. Seitwärts haben wir eine weitere Kamera, die die Elektronen filmt.“ Ziel sei es, die allerersten Anfänge einer chemischen Reaktion zu verfolgen. 

    Der XFEL-Laser sei der größte und leistungsfähigste Linearbeschleuniger. Er löse damit den bisher stärksten Röntgenlaser der Welt ab. Dieser befinde sich in Stanford (Kalifornien) in den USA, wo die Forscher nur 120 Lichtblitze pro Sekunde erzeugen können. Der Super-Laser des XFEL erzeuge bis zu 27.000 Röntgenlaserblitze pro Sekunde, betonte Bressler. Diese Blitze seien für den Bruchteil einer Sekunde heller als das Sonnenlicht. „Wir revolutionieren unser Wissen, das ist Grundlagenforschung. Das könnte einmal für die Photovoltaik von Interesse sein. Die hohe Photonen-Energie ist zudem ein weiteres, weltweites Alleinstellungsmerkmal.“

    Das 'Mission Control Center', der Rechner- und Server-Raum. Hier beobachten die Forscher das Geschehen, lesen an den Bildschirmen Werte und Daten ihrer Experimente ab. (2. von rechts: Dr. Bressler)
    © Sputnik / Alexander Boos
    Das 'Mission Control Center', der Rechner- und Server-Raum. Hier beobachten die Forscher das Geschehen, lesen an den Bildschirmen Werte und Daten ihrer Experimente ab. (2. von rechts: Dr. Bressler)

    Viren studieren

    Das „Instrument FXE“ ist nur eines von vielen Experimentalprojekten in den XFEL-Katakomben. Ein weiteres Team, „SPB Instrument“ genannt, ist räumlich gleich neben dem Experiment von Prof. Dr. Bressler angesiedelt. „Bei uns geht es hauptsächlich um Biologie und um Pharmazie im Speziellen“, sagte Team-Wissenschaftler Dr. Marc Messerschmidt gegenüber Sputnik. „Wir untersuchen Wirkstoffe, die direkt auf Proteine oder Rezeptoren einwirken. Wir können auch Viren uns direkt angucken und dementsprechend irgendwann mal der Pharma-Industrie die atomare Struktur der Virus-Struktur aufzeigen. Dann kann diese direkt den Wirkstoff entwickeln und auf den Virus abstimmen.“ Das spare der Pharma-Industrie einige Jahre an Entwicklung. Zudem sei das Arbeiten im internationalen Umfeld „hochinteressant.“ Auf der Forschungsanlage arbeiten insgesamt etwa 300 Mitarbeiter.

    Das FXE ist in einem bleiummantelten Raum in Bürogröße untergebracht. In diesem Raum können die Forscher während der Experimente wegen der intensiven Röntgenstrahlung nicht bleiben. Viele Hinweisschilder warnen.
    © Sputnik / Alexander Boos
    Das FXE ist in einem bleiummantelten Raum in Bürogröße untergebracht. In diesem Raum können die Forscher während der Experimente wegen der intensiven Röntgenstrahlung nicht bleiben. Viele Hinweisschilder warnen.

    „Was wir hier machen ist Röntgenbeugung an biologischen Partikeln, Kristalle, Moleküle, hauptsächlich an Proteinen. Wir untersuchen Wirkstoffe, die direkt auf Proteine oder Rezeptoren einwirken“, so Messerschmidt. Er fand Zeit für das Interview am Donnerstagnachmittag, obwohl er mit seinem Team laut Eigenaussage 20 Minuten vor dem „Strahl“ stand. „Das bedeutet, wir erzeugen einen Laser-Strahl.“ Auf die Frage, ob das Interview danach möglich sei, erwiderte der Chemiker: „Nun ja, das wird schlecht möglich sein. Der Strahl dauert bis morgen früh um 5 Uhr.“

    Funktionsweise: Von diesem einen Röntgen-Laserstrahl profitieren verschiedene (rechts: FXE, SPB/SFX usw.) Forschungs-Teams.
    © Foto : European XFEL GmbH (© 2017)
    Funktionsweise: Von diesem einen Röntgen-Laserstrahl profitieren verschiedene (rechts: FXE, SPB/SFX usw.) Forschungs-Teams.
    Die Pressesprecherin betonte: Das European XFEL sei eine gemeinnützige Forschungsorganisation, die eng mit dem Forschungszentrum DESY in Hamburg-Bahrenfeld zusammenarbeitet, aber „unabhängig davon agiert“. In Bahrenfeld würden die Elektronen ebenfalls im 3,4 Kilometer langen Tunnel losgeschickt. Heute um 15 Uhr wird das Projekt in Schenefeld bei Hamburg mit einer feierlichen Zeremonie eingeweiht. „Mehr als 800 Gäste aus Wissenschaft und Politik kommen zur Eröffnung des hellsten Röntgenlasers der Welt“, schreibt das Lokalblatt „Schenefelder Bote“ in seiner aktuellen Ausgabe. Erwartet werden unter anderem die Bundesministerin für Bildung und Forschung Johanna Wanka (CDU), Karin Prien (CDU), Bildungsministerin des Landes Schleswig-Holstein, der Hamburger Bürgermeister Olaf Scholz (SPD) sowie internationale Vertreter der weiteren XFEL-Staaten.

    Alexander Boos

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    European XFEL, Deutschland