FLASH – Highspeed-Kamera für den Nanokosmos

FLASH, der weltweit erste Freie-Elektronen-Laser im UV- und weichen Röntgenbereich, erzeugt ultrakurze und intensive Lichtblitze, mit denen sich chemische Reaktionen auf Molekularebene „filmen“ lassen. Seit 2005 forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der ganzen Welt an der Pionieranlage beim Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg. Die Erweiterung FLASH II ist eine Antwort auf das hohe Interesse internationaler Wissenschaftler an dieser Anlage – die neue Technologie liefert künftig noch präzisere Aufnahmen aus dem Nanokosmos.

Bis zu 250 Forschende aus aller Welt reisen Jahr für Jahr nach Hamburg-Bahrenfeld, um mithilfe von FLASH aktuelle Forschungsfragen zu beantworten: Wie wirkt ein medizinischer Wirkstoff im menschlichen Organismus? Warum geht ein Katalysator nach einer bestimmten Zeit kaputt? Welches Material eignet sich zur Energiegewinnung, welches zur Datenspeicherung?

Luftaufnahme vom DESY-Gelände in Hamburg. Das Bild zeigt eine Ansammlung von Gebäuden und Bäumen. Links erkennt man die kurvenförmig gebogene Experimentierhalle von PETRA III, in der Mitte die Experimentierhallen von FLASH.
DESY-Gelände in Hamburg

Zur Beantwortung dieser Fragen ist es erforderlich, tief in die Welt der kleinsten Partikel und Zellen einzudringen. Bis zu Beginn dieses Jahrtausends war kein Mikroskop der Welt imstande, diese nur millionstel Millimeter großen Molekülverbünde – geschweige denn ihre Bewegungen – sichtbar zu machen. Mit FLASH, dem weltweit ersten Freie-Elektronen-Laser im UV- und weichen Röntgenbereich, wurden Aufnahmen aus dem Nanokosmos zur Realität. Als 315 Meter lange Highspeed-Kamera produziert FLASH bis zu 8000 Lichtblitze pro Sekunde – mit einer Wellenlänge von 4,2 bis 40 Nanometern. Diese Lichtpulse sind zwischen 30 und 200 Femtosekunden, also billiardstel Sekunden kurz. Da sich die Aktivitäten von Zellen und Molekülen ebenfalls innerhalb von Femtosekunden abspielen, werden sie sichtbar, indem man unzählige Bilder der einzelnen Reaktionsstadien aufnimmt. Legt man die Aufnahmen anschließend nebeneinander, entsteht eine Art „molecular movie“ – ein Film der chemischen Reaktion in Echtzeit. Man kennt diesen Effekt von der Serienbildfunktion eines Fotoapparats. Allerdings schießt die herkömmliche Digitalkamera im Durchschnitt gerade einmal 25 Bilder pro Sekunde.

Die Technologie von FLASH ist für verschiedene wissenschaftliche Disziplinen hoch attraktiv. Vor allem Forschende aus den Materialwissenschaften, der Biologie und der fundamentalen Physik nutzen das Großgerät. Sie untersuchen, wie Kohlenmonoxid an Katalysatoroberflächen reagiert oder welche Strukturen auf Mikromagneten eine schnelle Datenspeicherung ermöglichen. Sie beobachten das Verhalten von Zellen und studieren den Aufbau von Proteinen. Mit den exakten Ergebnissen lassen sich Materialien verbessern und neue Medikamente entwickeln. Zahlreiche Pionierexperimente sind mit FLASH bereits gelungen.

Skizze, wie mit Lasertechnik eine chemische Reaktion in Echtzeit aufgenommen wird. Links ein Quader, der einen Laser darstellt, und senkrecht dazu ein Zylinder, aus dem ein Molekülstrahl den Laserstrahl kreuzt. Rechts ragt ein Filmstreifen aus einer Kamera und zeigt Moleküle in verschiedenen Stadien einer chemischen Reaktion.
„Filmen“ chemischer Reaktionen

Das Edelgas Helium etwa kommt normalerweise nur in Form einzelner Atome vor, da es keine chemischen Bindungen eingeht. 2016 gelang es Atomphysikern um Reinhard Dörner von der Goethe-Universität Frankfurt am Main jedoch mithilfe von FLASH, extrem schwach gebundene Helium-Moleküle zu untersuchen. Dabei haben sie sogar ein vor Jahren vorhergesagtes, bislang jedoch vergeblich gesuchtes Molekül aus drei Helium-Atomen entdeckt. Dörner und seine Kollegen konnten die sehr geringe Bindungsenergie dieser Helium-Moleküle präzise bestimmen. Das Forscherteam gewann hierfür den Helmholtz-Preis für Metrologie, der Wissenschaft vom Messen.

2015 wurde der Physiker Henry Chapman vom DESY mit dem Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ausgezeichnet. An FLASH hatte er eine Methode entwickelt, mit der die Streuung von Röntgenstrahlen an einem Proteinkristall aufgenommen werden kann, bevor der starke Lichtblitz die Proteinmoleküle zerstört. Hierfür wird ein Flüssigkeitsstrahl, der viele kleine Kristalle enthält, mit dem Laserstrahl von FLASH gekreuzt. Die Kristalle streuen das Röntgenlicht in charakteristischer Weise, und es werden insgesamt hunderttausende Streubilder aufgenommen. Aus dieser Bilderserie lässt sich anschließend die gesamte Struktur des Proteins berechnen.

Geburtsstunde des Freien Elektronen Lasers FLASH

FLASH ist Vorbild für den Bau und Betrieb von Freie-Elektronen-Lasern auf der ganzen Welt. Die Erfahrungen, die Wissenschaftler und Techniker mit FLASH gesammelt haben, werden rund um den Globus nachgefragt und fließen vor allem in den europäischen Röntgenlaser European XFEL ein, der zwischen dem DESY-Gelände in Hamburg und Schenefeld in Schleswig-Holstein verläuft und in 2017 fertiggestellt wird. In Ergänzung zu FLASH wird er hochbrillante Laserstrahlung im harten Röntgenbereich erzeugen.

Wie aber kam es dazu, dass die wegweisende Technologie von FLASH ausgerechnet in Deutschland entwickelt wurde? In den 90er-Jahren hatten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von DESY bereits vierzig Jahre mit Beschleunigern und Photonen geforscht und wollten den besten Elektronenbeschleuniger aller Zeiten bauen, der gleichzeitig stärkster Laser für kurzwelliges Röntgenlicht sein sollte. Vor dem Start eines solchen Großprojekts entschloss man sich zunächst zum Bau einer Testanlage. Gemeinsam mit fünfzig Instituten aus zwölf Ländern entstand die TESLA Test Facility (TTF), ein Linearbeschleuniger als Basis für einen Röntgenlaser. Nachdem es mit der Pilotanlage gelang, ultraviolette Lichtpulse zu erzeugen, baute man sie sukzessive weiter aus, um noch kürzere Wellenlängen zu erreichen. 2005 wurde aus der TTF schließlich FLASH, der weltweit erste Freie-Elektronen-Laser (FEL), der auf der supraleitenden Beschleunigungsmethodik – der sogenannten TESLA-Technologie – aufbaut.

Mit technischer Finesse zu ultrakurzen Röntgenlichtpulsen

Aneinanderreihung der Undulatoren von FLASH II in einer langgestreckten Halle.
Undulatoren – Magnete für den Spezialeffekt

Um intensive kurzwellige Strahlung zu erhalten, werden zuerst Elektronenpakete erzeugt und auf über eine Milliarde Elektronenvolt beschleunigt. Bei FLASH geschieht dies in den Hohlräumen des Linearbeschleunigers, den sogenannten Resonatoren, mithilfe von elektromagnetischen Hochfrequenz-Feldern. Die Resonatoren sind aus dem Metall Niob, das mit Hilfe von flüssigem Helium auf 2 Grad Kelvin bzw. minus 271 Grad Celsius gekühlt und dadurch supraleitend wird. Der Strom im Niob fließt dann widerstandlos und ermöglicht damit, dass die Resonatoren besonders effizient die Energie ihrer elektromagnetischen Felder auf die Elektronenpakete übertragen. Jedes einzelne Paket wird auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dabei durch raffinierte physikalische Verfahren zusammengepresst.

Gewölbter Hohlraumkörper eines supraleitenden Resonators. Er besteht aus einer Aneinanderreihung von flachen, runden Metallkörpern.
Supraleitender Resonator aus Niob

Anschließend jagen die ultrakurzen Elektronenpakete durch den sogenannten Undulator. Er besteht aus periodisch angeordneten Magneten von wechselnder Polarität. Hierdurch werden die Elektronenpakete auf einen Slalomkurs gezwungen. In jeder Kurve senden die freien Elektronen dabei Photonen einer festen Wellenlänge aus. Das Besondere daran: Sie tun es im Gleichtakt. Denn die geradeaus gesendeten Lichtblitze sind schneller als die Elektronen auf Kurvenfahrt und beeinflussen sie im Vorbeifliegen. Einige von ihnen werden beschleunigt, andere verlangsamt. Das führt dazu, dass sich das Elektronenfeld von vorne und hinten zusammenschiebt, bis es wie eine Scheibe aussieht. Innerhalb dieser Scheibe senden die Elektronen ihre Lichtblitze gleichzeitig aus. Durch Überlagerung verstärkt sich das Licht exponentiell zu intensiven Röntgenlichtpulsen. Diesen Effekt bezeichnet man als SASE-Prinzip (Self-Amplified Spontaneous Emission), die selbstverstärkte spontane Emission.

Um kleinste Zellveränderungen zu identifizieren oder die Beschaffenheit von Nanopartikeln zu beschreiben, wird eine gepulste und extrem intensive Laserstrahlung benötigt, und zwar in dem Wellenlängenbereich, der zu den Abmessungen des untersuchten Objekts passt, also im Nanometerbereich. Zusätzlich zur räumlichen Anpassung der Strahlungseigenschaft an die Probe muss auch die zeitliche Anpassung stimmen: Um Prozesse sichtbar zu machen, die auf Femtosekunden-Zeitskala ablaufen, braucht es Strahlung mit Femtosekunden-Pulsdauer. Genau das ist FLASH imstande zu liefern.

Neue Perspektiven mit FLASH II und FLASH2020

Für 33 Millionen Euro hat DESY FLASH in einem Zeitraum von drei Jahren um eine weitere Laserstrecke und eine zusätzliche Experimentierhalle mit bis zu sechs Messplätzen erweitert, wovon zwei seit 2016 in Betrieb sind. Durch den Ausbau erhalten doppelt so viele Forschende die Möglichkeit, mit FLASH zu arbeiten. Seit 2005 hatte die Zahl der Forschungsanträge die Kapazitäten stets weit überschritten. Die in FLASH II zur Verfügung gestellte Technologie erlaubt neue Experimentiermöglichkeiten und noch präzisiere Einblicke in den Nanokosmos: So lässt sich beispielsweise – anders als bei der ersten Laserstrecke – die Wellenlänge der erzeugten Lichtpulse während des Betriebs verändern.

Darstellung von FLASH mit zwei Laserstrecken und den zugehörigen Experimentierhallen im Vordergrund. Von links oben nach rechts unten erstreckt sich eine Aneinanderreihung von Magneten, die sich zunächst Y-förmig in zwei Stränge aufteilt. In den Experimentierhallen verzweigen sich die beiden Stränge in mehrere Strahlführungen, die zu den Experimenten führen.
FLASH: Erster Freie-Elektronen-Laser mit zwei Laserstrecken

An FLASH wird mit sFLASH derzeit eine Technik zur Optimierung der Strahleigenschaften getestet. Aufgrund der von den Elektronen spontan erzeugten Lichtemission variieren die spektralen Eigenschaften von Puls zu Puls, was für manche Experimente ein Nachteil darstellt. Damit nahezu identische Lichtpulse in gleichmäßigen Abständen bei den Messstationen ankommen, wird der Elektronenstrahl manipuliert, ihm wird „eine Saat gegeben“. Dies kann zum Beispiel ein externer Laserimpuls sein, der dem Elektronenpaket vor Eintritt in den Slalomparcours eine regelmäßige Struktur aufprägt. Dieses Verfahren nennt man „Seeding“.

Weitere Ausbaumaßnahmen wie die Optimierung des Linearbeschleunigers sind mit dem Projekt FLASH2020 geplant: Eine Steigerung der Pulszahl pro Sekunde soll Zugang zu bisher unerforschten Prozessen verschaffen. Kürzere Wellenlängen sollen außerdem bewirken, dass künftig verstärkt im sogenannten „Wasserfenster“ geforscht wird, einem Bereich zwischen 2,3 und 4,4 Nanometern. Bei dieser Wellenlänge ist Wasser für Licht transparent, so dass sich zum Beispiel Zellen, die aus Kohlenstoff bestehen, in einer natürlichen Umgebung untersuchen lassen, ohne dass Wasser die Sicht stört. Für die Untersuchung von Biomolekülen ist dies essenziell.

„Es gibt niemals Stillstand“, sagt Wilfried Wurth, seit 2014 wissenschaftlicher Leiter von FLASH. „Weder beim Gerät – das läuft 24 Stunden am Tag –, noch bei den Bemühungen, FLASH immer weiterzuentwickeln. Die Pionierexperimente, die wir hier in den nächsten Jahrzehnten durchführen können, sind zu aufregend und vielfältig.“

Finanzierung und Betrieb mit Unterstützung des BMBF

Seit 2005 betreibt das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY den Freie-Elektronen-Laser FLASH auf seinem Gelände in Hamburg. Damit ist er an einem Standort für Spitzenforschung beheimatet, der hochattraktiv für die Ansiedelung von High-Tech-Unternehmen ist. Neben FLASH befinden sich mit PETRA III, der brillanten Quelle für harte Röntgenstrahlen, und dem in der Inbetriebnahme befindlichen Röntgenlaser European XFEL zwei weitere international herausragende Großgeräte für die Forschung mit Photonen in unmittelbarer Nähe. Als Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft wird DESY vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) institutionell mit 230 Millionen Euro jährlich gefördert. Ein Teil des Geldes fließt in den Betrieb von FLASH.

Weitere Mittel stellt das BMBF im Rahmen der Projektförderung zur Verfügung. 2007 hatte das Bundesministerium den Forschungsschwerpunkt FLASH als ersten Forschungsschwerpunkt auf dem Gebiet der kondensierten Materie eingerichtet – vor allem, um die Verbundforschung an FLASH zu bündeln. Im Zeitraum 2010 bis 2016 unterstützte das BMBF insgesamt 23 Projekte mit einer Gesamtfördersumme von knapp 12,4 Millionen Euro. Empfänger der Zuwendungen sind deutsche Hochschulen, deren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler neue Instrumentierungen und Methoden an FLASH entwickeln.

Mit der Förderung beabsichtigt das BMBF, die Leistungsfähigkeit und das Anwendungsspektrum von FLASH kontinuierlich zu erweitern. Die Forschung an Großgeräten wie FLASH liefert wertvolle Erkenntnisse für die Grundlagenforschung und trägt dazu bei, Deutschlands Spitzenposition im globalen Wettbewerb weiter auszubauen.

Steckbrief FLASH

FLASH

FLASH II

Typ:

Photonenquelle

Photonenquelle

Technologie:

Freie-Elektronen-Laser

Freie-Elektronen-Laser

Standort:

Hamburg-Bahrenfeld

Hamburg-Bahrenfeld

Betreiber:

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Baukosten:

117 Millionen Euro (2005)

33 Millionen Euro

Bauphase:

2002 – 2005

2012 – 2015

Gesamtlänge:

315 Meter

315 Meter

Zahl der Messplätze:

5

2, bis zu 6 sind möglich

Maximale Elektronenenergie:

1,25 Gigaelektronenvolt

1,25 Gigaelektronenvolt

Maximale Brillanz:

1028 bis 1031 Photonen pro Sekunde, mm2, mrad2 und 0,1% Bandbreite

1028 bis 1031 Photonen pro Sekunde, mm2, mrad2 und 0,1% Bandbreite

Wellenlänge des Röntgenlichts:

40 bis 4,12 Nanometer

90 bis 4,12 Nanometer

Pulsdauer:

200 bis 30 Femtosekunden

200 bis 10 Femtosekunden

Wiederholrate:

8000 pro Sekunde

8000 pro Sekunde

Beteiligte Länder:

Deutschland

Deutschland