European XFEL: Am Hamburgischen Röntgenlaser wird es kalt
Seite 2: Elektronen emittieren Photonen
Kurz bevor sie die Hamburger Stadtgrenze erreichen, wird damit begonnen, die Elektronenpakete auf mehrere Tunnel aufzuteilen. Jeder Tunnel führt in die Experimentierhalle in Schenefeld, wo die wissenschaftlichen Experimente stattfinden. Insgesamt gibt es fünf Tunnel, von denen aktuell drei genutzt werden. An jedem der drei Tunnel hängen zwei Experimente, also insgesamt sechs, drei davon können parallel mit Elektronenpaketen versorgt werden.
Damit die aufgeteilten Pakete für die wissenschaftlichen Experimente genutzt werden können, müssen sie transformiert werden: Aus Elektronen werden Photonen, also Lichtteilchen. Dafür werden die Elektronenpakete durch Undulatoren geleitet. Das sind 200 Meter lange Strukturen aus Permanentmagneten, die abwechselnd polarisiert hintereinander angeordnet sind. Die Magnete zwingen die Elektronenpakete in eine Schlangenlinie.
Elektronen emittieren Röntgenblitze
Jedes Mal, wenn ein Elektron die Richtung ändert, emittiert es einen Röntgenblitz mit Lasereigenschaften. Was also an den Experimenten ankommt, sind Abfolgen von Röntgenblitzen – sehr vielen und sehr kurzen: 27.000 Pulse pro Sekunde, jeder Puls dauert wenige Femtosekunden.
Die Undulatoren ermöglichen es, verschiedene Wellenlängen zu erzeugen. Die Wellenlänge hängt dabei von der Stärke des Magnetfelds im Undulator ab. Das Feld wird durch den Abstand von zwei Magneten verändert. Die Elektronen werden in Absorber geleitet und geben dort ihre Energie in Form von Wärme abgeben.
In den Experimenträumen, Hütten genannt, beschießen die Forscher ihre Proben mit diesen hochenergetischen und ultrakurzen Röntgenpulsen. Wenn der Röntgenpuls auf die Probe trifft, wird er gestreut. Es entsteht ein Beugungsmuster, das ein Detektor auffängt. Aus diesen Mustern lässt sich ein Bild errechnen, etwa die Struktur eines Moleküls.
Die Probe hält zwar dem Röntgenblitz nicht standhalten und wird zerstört. Doch da die Blitze so kurz sind, wird eine Aufnahme erzeugt, bevor deren Atome auseinanderfliegen. Die nächsten Röntgenblitze – sie folgen im Abstand 220 Nanosekunden aufeinander – erzeugen weitere Muster, sodass es möglich ist, einen Film von einer chemischen Reaktion aufzunehmen und diese in Echtzeit zu verfolgen.
Dabei entstehen Unmengen an Daten: Ein Detektor muss ja bis zu 27.000 Bilder in der Sekunde auswerten. Da bleibt nicht genug Zeit, um Daten zu speichern. Jedes Pixel eines Detektors verfügt deshalb über einen Zwischenspeicher in Form von Kondensatoren. Insgesamt werden an der Anlage, die mit Ausnahme der normalerweise kurzen Wartungszeiten das ganze Jahr rund um die Uhr läuft, über 30 Petabyte pro Jahr erzeugt.
Der European XFEL ist letztlich ein superempfindliches Mikroskop und eine superempfindliche und -schnelle Kamera in einem. Hier forschen die unterschiedlichsten Disziplinen: Astronomen können hier etwa die Vorgänge im Inneren von Planeten oder in Zukunft auch im Inneren von Sternen simulieren. Biowissenschaftler untersuchen die Struktur von Molekülen oder Proteinen. Während der Corona-Pandemie wurde am XFEL Untersuchung zu zwei Proteinen durchgeführt, die wichtig sind für die Vermehrung des Virus.
Forschung fĂĽr die Fusion
Am XFEL wird auch Forschung für die Kernfusion betrieben. So wurde etwa bei der Laserträgheitsfusion festgestellt, dass weniger als zehn Prozent des Brennstoffs verbrannten. Am XFEL wird untersucht, wie sich das künftig ändern kann. Auch die Industrie profitiert von der Arbeit am XFEL. Die Automobilbranche etwa: Die Vorgänge in Katalysatoren sind bis heute nicht vollständig verstanden. Mit dem Röntgenlaser ist es möglich, molekulare Filme der Katalyse zu erstellen.
Aus der Forschung am XFEL sind schon eine Reihe von wissenschaftlichen Publikationen hervorgegangen – über 1500, sagt Feurer. Eine weitere ist in Vorbereitung und wird voraussichtlich im Frühjahr erscheinen.
Auch an einem Nobelpreis war die Anlage schon beteiligt: Das Team von Omar Yaghi hat hier Experimente durchgefĂĽhrt. Yaghi hat fĂĽr seine Arbeit bei der Entwicklung metallorganischer GerĂĽste mit zwei anderen Forschern zusammen den Chemienobelpreis in diesem Jahr erhalten.
(wpl)
