European XFEL – ein Röntgenlaser der Superlative

Hamburg, DeutschlandMit extrem kurz getakteten Röntgenlaserpulsen wollen Wissenschaftler bis in die feinsten Strukturen komplexer Materie vorstoßen und bisher unverstandene biochemische und physikalische Prozesse auf der Nanoskala untersuchen. Dazu planen sie einen imposanten Freie-Elektronen-Laser (FEL) für Röntgenstrahlen: den European XFEL. Die Anlage soll 2017 in Betrieb gehen.

Laserlicht ist aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. DVD-Player nutzen das besondere Licht ebenso wie die Glasfaserleitungen zur Informationsübertragung im Internet. Dank bestimmter physikalischer Eigenschaften ist das im Gleichtakt schwingende – oder kohärente – Licht aber auch bestens dafür geeignet, den dreidimensionalen Aufbau von komplexen Molekülen und Atomansammlungen zu untersuchen. Dabei gilt: Je kurzwelliger das Licht ist, umso winziger die Strukturen, die sich damit sichtbar machen lassen. Außerdem lassen sich mit einem Laser in Form von rasch aufeinanderfolgenden Lichtpulsen physikalische, chemische und biologische Prozesse „filmen“.

Deshalb nutzen die Wissenschaftler kohärente Lichtquellen auch im extrem kurzwelligen Röntgenbereich. Anders als bei einem klassischen Laser, bei dem die Elektronen, die die kohärenten Lichtwellen aussenden, fest an Atome gebunden sind, wird die laserartige Röntgenstrahlung anhand von freien Elektronen in einem speziell zu diesem Zweck gebauten Teilchenbeschleuniger erzeugt. Der zurzeit im Bau befindliche Freie-Elektronen-Laser für Röntgenstrahlung „European XFEL“ soll künftig solch hochenergetisches Laserlicht bei einer Wellenlänge von 0,05 bis 4,7 Nanometern liefern. Die extrem kurz gepulsten Photonenpakete wird er mit einer Wiederholrate von 27 000 Blitzen pro Sekunde aussenden. Ein moderner Flachbildfernseher arbeitet mit einer Wechselfrequenz von gerade einmal 100 Bildern pro Sekunde vergleichsweise langsam. Das Außergewöhnliche am European XFEL aber wird seine Leuchtstärke – die sogenannte Brillanz – sein: Sie wird in ihren Spitzenwerten milliardenfach höher sein als die herkömmlicher Röntgenlichtquellen. Selbst im Mittel wird die Brillanz immer noch zehntausendmal höhere Werte erreichen.

Auf dem flachen Ausschnitt einer Landkarte sind die wichtigsten Gebäude des European XFEL als Würfel und Quader dargestellt. Alle Gebäude bestehen aus einem oberirdischen und einem unterirdischen Teil. Eine Linie zeigt den Verlauf des Haupttunnels, der am Injektorkomplex bei DESY in Hamburg (rechts) beginnt. An mehreren Verzweigungsbauwerken teilt sich die Linie und fächert schließlich in fünf Strahlen auf, die in die unterirdische Experimentierhalle in Schenefeld (links) münden.
Aufbau des European XFEL

Mit seinen einzigartigen Röntgenblitzen eröffnet der European XFEL neue Möglichkeiten für viele Bereiche der Forschung. So lassen sich etwa die Strukturen von Werkstoffen und biologischen Zellen entschlüsseln. Die Untersuchungen können beispielsweise dazu beitragen, Produktionsverfahren in der Industrie zu verbessern und neue Medikamente zu entwickeln. Der European XFEL ist eine Art Supermikroskop und Superkamera mit breitem Anwendungsspektrum. Deutschland, das mehr als die Hälfte der Baukosten trägt, sichert sich so eine weltweite Spitzenposition in der Forschung mit Photonen.

An dem europäischen Großprojekt, das von der European XFEL GmbH betrieben wird, sind derzeit elf Länder beteiligt; Großbritannien hat einen Beitritt als zwölftes Mitgliedsland angekündigt. Der Röntgenlaser gilt als eines der wichtigsten Vorhaben der Grundlagenforschung in Europa und ist nicht nur in der Roadmap des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) priorisiert, sondern auch Teil der ESFRI-Roadmap, einem Strategiepapier des Europäischen Strategieforums für Forschungsinfrastrukturen.

Finanzierung und Standort

Der European XFEL wird von den internationalen Partnern gemeinsam gebaut und betrieben. Deutschland wird in der Gesellschafterversammlung der European XFEL GmbH vertreten durch das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY), das vom BMBF institutionell gefördert wird. Der Bau des Röntgenlasers wird aus Projektmitteln des Bundes sowie der Länder Hamburg und Schleswig-Holstein finanziert, ergänzt durch einen Anteil aus der institutionellen Förderung. Deutschland beteiligt sich mit insgesamt rund 820 Millionen Euro am Bau des European XFEL, das entspricht einem Anteil von 58 Prozent an den Gesamtkosten. Hiervon stellt das Bundesforschungsministerium ca. 730 Millionen Euro bereit.

Um die deutsche Nutzergemeinde auf die Forschungsarbeit an dem außergewöhnlichen Röntgenlaser vorzubereiten, fördert das BMBF darüber hinaus Vorhaben der sogenannten Verbundforschung – aktuell mit 8,3 Millionen Euro für die Jahre 2016 bis 2019. In den Projekten entwickeln Forschergruppen aus Universitäten und Instituten neuartige Instrumente und Technologien für den European XFEL. Die geplante Großforschungsanlage wird sich vom DESY-Campus in Hamburg-Bahrenfeld über 3,4 Kilometer zum großen Teil unterirdisch bis in die schleswig-holsteinische Stadt Schenefeld erstrecken.

Schnelle Elektronen auf Slalomkurs

Über einer eckigen Platte schwebt links ein liegender Zylinder, die Elektronenquelle. Aus deren Mitte entspringt parallel zur Platte ein Elektronenstrahl, der sich zwischen zwei Reihen aus abwechselnd gefärbten Quadern, den Undulatormagneten, entlangschlängelt. Schließlich trifft der Strahl auf zwei Scheiben und endet dort. Ein heller Pfeil symbolisiert das ausgesandte Lichtbündel und zeigt in Flugrichtung der Elektronen über die zwei Scheiben hinaus nach rechts.
Schema eines Freie-Elektronen-Lasers

Die Elektronenquelle für den European XFEL steht in Hamburg-Bahrenfeld. Mit einem gewöhnlichen Laser werden dort Elektronen aus einem Metall herausgelöst und in dicht aufeinanderfolgenden Teilchenpaketen als Elektronenstrahl in einen Linearbeschleuniger eingespeist. Darin durchlaufen die Elektronen elektrische Wechselfelder, die bei Frequenzen im Mikrowellenbereich schwingen und die Elektronen sukzessive immer stärker beschleunigen. Auf einer Strecke von 1,7 Kilometern erreichen sie im unterirdischen Tunnel so eine Energie von maximal 17,5 Gigaelektronenvolt; sie bewegen sich dann nahezu mit Lichtgeschwindigkeit. Zum Vergleich: In einer klassischen Fernsehröhre prallen die Elektronen mit Energien von einigen Kiloelektronenvolt auf den Bildschirm.

Die elektrischen Wechselfelder werden in Resonatoren erzeugt, die aus dem Übergangsmetall Niob bestehen. Bei der Arbeitstemperatur des Beschleunigers von minus 271 Grad Celsius ist dieses Material supraleitend. So verschwindet der elektrische Widerstand, und nahezu sämtliche durch Strom zugeführte Leistung lässt sich in Mikrowellen umwandeln und schließlich zur Beschleunigung der Elektronen verwenden.

In einer von links oben nach rechts unten verlaufenden Röhre befinden sich sieben Verdickungen, die aneinandergeschlossen sind.
Supraleitender Resonator

Anschließend werden die Elektronen durch speziell angeordnete Magnete, sogenannte Undulatoren, auf einen Slalomkurs gezwungen. In jeder Slalomkurve senden die Teilchen laserartige Röntgenstrahlung aus, die sich in Laufrichtung der Elektronen ausbreitet. Dabei überholt der Röntgenblitz diejenigen Elektronenpakete, die sich vor ihm auf Slalomkurs befinden, und tritt mit diesen in Wechselwirkung. Ein Teil der Elektronen aus dem Paket wird dabei etwas ausgebremst, ein anderer Teil dagegen ein wenig beschleunigt. Dieser Prozess wird über eine Strecke von hundert Metern mehrfach wiederholt. Nach und nach ordnen sich die Elektronen in den Teilchenpaketen dabei in parallelen, hauchdünnen Scheiben senkrecht zur Bewegungsrichtung an. Alle Elektronen einer Scheibe emittieren nun Licht im Gleichtakt nach dem SASE-Prinzip; die Abkürzung steht für „Self-Amplified Spontaneous Emission“ und bedeutet selbstverstärkte spontane Emission.

Durch gezielte Anordnung der Undulatoren und den Einsatz weiterer optischer Elemente lassen sich die Röntgenlaserblitze für unterschiedliche Zwecke zuschneiden und zum Beispiel in ihrer Intensität und Bandbreite abwandeln. Deshalb wird der Elektronenstrahl bereits nach der Beschleunigungsphase aufgefächert, um die Teilstrahlen auf unterschiedliche Slalomstrecken zu schicken. Dies wird nach Passieren des Betriebsgeländes Osdorfer Born geschehen. Am Ende jedes der fünf Tunnel in der unterirdischen Experimentierhalle in Schenefeld sind zwei oder drei Messplätze geplant.

Vielfältige Forschungsmöglichkeiten

Ein von links kommender Röntgenlaserstrahl trifft auf einen Kugelhaufen, der von oben in die Strahllinie eingeführt wird. Die an dem Kugelhaufen gestreute Strahlung trifft rechts davon auf einen Bildschirm oder eine Kamera.
Strukturanalyse von Biomolekülen

Mit dem European XFEL wird Wissenschaftlern aus den unterschiedlichsten Fachbereichen eine Lichtquelle zur Verfügung stehen, mit der sie kleinste Strukturen von komplexer Materie, aber auch zeitliche Abläufe auf Mikro- und Nanoebene detaillierter als je zuvor untersuchen können. Die Anwendungsgebiete reichen von Biologie über Material- und Lebenswissenschaften bis hin zur Astrophysik und moderner Energieforschung. So soll der European XFEL etwa das Wissen über den Aufbau von Biomolekülen und Viren erweitern.

Zwar lässt sich die Struktur solcher Objekte bereits heute mit Röntgenstrahlen untersuchen, allerdings nur, wenn es gelingt, davon Kristalle zu erhalten. Mit den Röntgenlaserblitzen der geplanten Forschungsanlage werden die Wissenschaftler einen Blick auf Biomoleküle werfen oder sogar Viren im atomaren Detail abbilden können, auch wenn diese nur als winzige Nanokristalle oder als Teil einer biologischen Probe vorliegen. Besonders interessant kann dies für die Forschung an HI- oder Herpes-Viren werden; denn diese lassen sich nicht kristallisieren und daher mit heutigen Mitteln noch nicht genau untersuchen.

Ein von links kommender, welliger Röntgenlaserstrahl trifft auf eine senkrecht zur Strahlrichtung angebrachte dünne Goldfolie. Im nächsten Moment haben sich positiv geladene Ionen in Form von Kugeln aus der Goldfolie gelöst und werden von unten mit einem schwächeren Röntgenlaserstrahl beschienen und so untersucht.
Erzeugung eines Plasmas

Die Laserblitze mit einer Dauer von weniger als hundert billiardstel Sekunden ermöglichen extrem kurze Belichtungszeiten – sodass beispielsweise auch sehr schnelle Prozesse wie Abläufe an Zellmembranen oder die entscheidenden Schritte chemischer Reaktionen zwischen Molekülen zeitlich scharf aufgelöst abgebildet werden. Ebenso lassen sich auch Vorgänge in Nanomaterialien filmen, wie etwa chemische Reaktionen in der Solarzellenforschung oder physikalische Prozesse, die bei der Magnetisierung oder Umpolung von magnetischen Materialien eine Rolle spielen.

Außerdem wollen die Forscher mit dem neuen Freie-Elektronen-Laser das Verhalten kleinster Objekte in starken Feldern beobachten: Dazu zählen Atome in mehrfach ionisierten Zuständen oder auch komplexere Ansammlungen von Atomen, sogenannte Atomcluster. Zudem lassen sich mit dem Röntgenlaser extreme Formen von Materie herstellen wie zum Beispiel Plasmen, die so heiß sind wie das Innere von Sternen – ein wichtiges Forschungsgebiet in der Fusionsforschung.

Steckbrief European XFEL

Typ:

Synchrotronstrahlungsquelle

Technologie:

Freie-Elektronen-Laser

Standorte:

Hamburg (DESY-Bahrenfeld und Osdorfer Born) und Schenefeld

Betreiber: 

European XFEL GmbH

Baukosten:

1,225 Milliarden Euro (Preisbasis 2005)

Betriebskosten:

ca. 118 Millionen Euro pro Jahr (Preisbasis 2017)

Deutsche Beteiligung:

58 Prozent an Bau- und Betriebskosten

Bauphase:

2009 – 2017

Geplanter Nutzerbetrieb:

Mitte 2017

Gesamtlänge:

3,4 Kilometer

Länge des Beschleunigers:

1,7 Kilometer

Tunneltiefe:

6 bis 38 Meter

Zahl der Messplätze:

10

Maximale Elektronenenergie:

17,5 Gigaelektronenvolt

Maximale Brillanz:

5⋅1033 Photonen pro Sekunde, mm², mrad² und 0,1% Bandbreite

Wellenlänge des Röntgenlichts:

0,05 bis 4,7 Nanometer

Pulsdauer:

100 Femtosekunden

Wiederholrate:

27 000 pro Sekunde

Bestandteil folgender Roadmaps:

BMBF, ESFRI

Beteiligte Länder:

11: Dänemark, Deutschland (58%), Frankreich, Italien, Polen, Russland (27%), Schweden, Schweiz, Slowakei, Spanien und Ungarn