Das Mini-Synchrotron

Ein herkömmliches Synchrotron ist normalerweise so groß wie ein Fußballfeld. So etwas zu bauen kostet Hunderte Millionen Dollar – gar nicht zu reden von den Kosten, die beim betreiben entstehen. Forscher beim Start-up Lyncean Technologies aus dem kalifornischen Palo Alto wollen das nun ändern: Sie haben die Technologie für anspruchsvolle wissenschaftliche Experimente auf Raumgröße geschrumpft. Die Miniaturausgabe ermöglicht es Forschern, Untersuchungen in ihren eigenen Labors durchzuführen, für die sie sonst weit reisen müssten.

Ein erster Prototyp des Mini-Synchrotrons ist bereits fertig; ein zweiter wird noch 2008 am Scripps Research Institute in La Jolla gebaut. Es soll vom "Accelerated Technologies Center for Gene to 3D Structure" verwendet werde, das Teil der Proteinstruktur-Forschungsinitiative der US-Nationalinstitute für Gesundheit ist.

Das tischgroße Instrument ist zwar nicht ganz so leistungsfähig wie ein großes Synchrotron, glänzt aber durch einen günstigen Preis und seine Kompaktheit, erläutert Ronald Ruth, Präsident und wissenschaftlicher Leiter von Lyncean. Für ihn sind die aktuell verfügbaren Anlagen wie Supercomputer, die sich viele Benutzer teilen müssten - die Zeit, in der man die Geräte für Experimente einsetzen könne, sei stets beschränkt. "Die Synchrotron-Technologie ist auf dem neuesten Stand und bringt die Forschung weiter. Doch ihr Einfluss beschränkt sich auf die Wissenschaftler, die sich die Anreise erlauben können." Das Mini-Synchrotron sei nun aber wie ein PC, den sich nur wenige Nutzer teilen müssten und der ständig verfügbar sei.

Röntgenstrahlen sind nützlich, um die genauen Eigenschaften von Materialien zu erforschen, weil ihre Wellenlänge ungefähr so groß ist wie die der zu untersuchenden Atome samt ihrer chemischen Verbindungen. Die Röntgen-Kristallographie ist darüber hinaus eine wichtige Methode zur Feststellung von Proteinstrukturen. Dabei werden die Strahlen abgelenkt, während sie sich durch Proteinkristalle hindurch bewegen. Es ergibt sich ein charakteristisches Interferenzmuster. Forscher können es analysieren und daraus dann die Anordnung der Atome ableiten - und mit ihr die Proteinstruktur.

Bei diesen Studien hat die Synchrotron-Strahlung gegenüber gewöhnlichen Röntgenquellen große Vorteile - sie ist 100 Millionen Mal heller und stark konzentriert. So sind sehr genaue, hochauflösende Experimente möglich. Die Anlagen produzieren außerdem eine Dauer-Röntgenquelle, statt nur kurze Impulse abzugeben, wie dies normale Röhren tun. Zudem lässt sich die Strahlung genau abstimmen, so dass sich die Energiemenge auf den Untersuchungsgegenstand einstellen lässt.

Die Qualität des Lichtes eines Mini-Synchrotrons ist so gut wie bei großen Anlagen, sagt Franz Pfeiffer, Physiker am Paul Scherrer-Institut und der Ecole Polytechnique Federale im schweizerischen Lausanne. "Das macht die Technik so attraktiv. Sie kombiniert die Vorteile eines relativ kleinen Gerätes mit denen eines extrem guten Strahls, wie ihn Großsysteme produzieren." Das sei eine "sehr schöne Sache".

Lyncean-Mann Ruth entwickelte erste Ideen für seine Technologie in den späten Neunzigerjahren, als er Professor am Linearbeschleuniger-Zentrum der Stanford University war. Zusammen mit seinem Masterstudenten Zhirong Huang suchte er damals nach einer Methode, Elektronenstrahlen abzukühlen. Sie fanden heraus, dass das Beschießen mit einem Laser dies nicht nur wie gewünscht erreichte, sondern auch noch qualitativ hochwertige Röntgenstrahlen hervorbrachte.

Dieser Effekt wurde zum zentralen Bestandteil beim Mini-Synchrotron. Großsysteme nutzen üblicherweise so genannte magnetische Wiggler, die den Elektronenstrahl hin und her bewegen, während er in einem riesigen Speicherring kreist. Dieses Hin und Her im Bereich von einem Zentimeter sorgt für Röntgenstrahlen, die tangential zum Ring abgegeben werden.

Das Mini-Synchrotron nutzt dagegen nur einen beweglichen Laserimpuls, der mit dem Elektronenstrahl jedes Mal zusammentrifft, wenn er den Speicherring umkreist hat - und der passt dadurch künftig auf eine Tischplatte. Das Hin und Her ist so zehntausend Mal kleiner als bei großen Anlagen - nur einen Mikrometer. Die Röntgenstrahlen verlassen das Gerät dennoch wie gewünscht in einem einzelnen Strahl. (bsc)