PETRA III – Quelle für brillante Röntgenstrahlung

Experimentierhalle „Max von Laue“

Das Unsichtbare sichtbar machen: Das ermöglicht PETRA III – und bietet eine breite Palette an Untersuchungsmöglichkeiten für die Energieforschung, Nano- und Materialwissenschaften und Molekularbiologie. Forscherinnen und Forscher dieser Disziplinen kommen aus aller Welt, um Experimente mit der höchstbrillanten und extrem intensiven Röntgenstrahlung durchzuführen. Sie nutzen diese Strahlung, um die Struktur von Kristallen, Biomolekülen und maßgeschneiderten Nanomaterialien zu bestimmen. Hieraus gewinnen sie Erkenntnisse für eine Vielzahl neuer Materialien aus dem Mikro- und Makrokosmos. Das macht den Hamburger Elektronenbeschleuniger zu einem hochtechnologischen Multitool für moderne Natur- und Materialwissenschaften.

Das Innere der Experimentierhalle PETRA III.

In PETRA III, einem ringförmigen Teilchenbeschleuniger, kreisen Elektronen mit beinahe Lichtgeschwindigkeit durch den 2,3 Kilometer langen Ring, das Synchrotron. Während nur eines Augenzwinkerns legen sie bereits 50 000 Runden zurück. Auf ihrem Weg durch die Ringbahn sind an bestimmten Stellen Magnete in ausgetüftelten Mustern angeordnet. Diese Magnetanordnungen heißen Undulatoren und sorgen dafür, dass sich die Elektronen auf diesen Streckenabschnitten in einem Slalomkurs bewegen. Dabei strahlen sie Röntgenstrahlung nach vorne ab, die extrem intensiv und gebündelt ("brillant") ist. Die Wellenlänge liegt typischerweise unter einem Nanometer. Damit kann sie Strukturen in derselben Größe abbilden, zum Beispiel einzelne Moleküle und Atome. So finden die Forschenden heraus, wie genau Biomoleküle aufgebaut sind und analysieren die einzelnen Bestandteile neuartiger Materialien bis ins Detail.

Messplatz

PETRA III ist eine der Hochleistungslichtquellen der Helmholtz-Gemeinschaft deutscher Forschungszentren. Neben dem Bau unterstützt das BMBF auch die laufenden Entwicklungen an den Messplätzen durch Projektförderung zur Vernetzung von Hochschulen, Forschungsinfrastrukturen und Gesellschaft. Diese Förderung ErUM-Pro ist eingebettet in das Rahmenprogramm Erforschung von Materie und Universum - ErUM. Damit ermöglicht das Bundesforschungsministerium, dass die Forscherinnen und Forscher die experimentellen Techniken kontinuierlich weiterentwickeln können. Außerdem ermöglicht es ihnen, innovative Methoden zu etablieren und somit die hervorragende Rolle dieser Röntgenlichtquelle langfristig zu sichern.

Jedes Jahr nutzen rund 7000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Röntgenstrahlung von PETRA III. In den letzten Jahren machten sie beeindruckende Entdeckungen: Sie erforschten künstliche Seide und Miniaturdrähte für die Elektronik und Beleuchtung von morgen. Sogar sich selbst zusammenbauende Nano-Container, die in der Lage sind, kleinste Mengen an Medikamenten zu transportieren, beobachteten sie.

PETRA III aus der Luft

Zudem sind auf dem DESY-Campus universitäre und außeruniversitäre Einrichtungen sowie Start-ups angesiedelt, die für ihre Forschungsarbeit von den erstklassigen Strahleigenschaften von PETRA III profitieren. Beispielsweise arbeitet PETRA III eng mit dem Molekularbiologielabor EMBL und dem Zentrum für Struktur- und Systembiologie CSSB auf dem DESY-Campus zusammen. Gemeinsam feierten sie schon zahlreiche Forschungserfolge: Zum Beispiel konnten sie die Strukturen von etwa fünfzig Proteinen des Tuberkulose-Bakteriums aufklären.

Mit diesen Meilensteinen treiben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Forschung auf dem Weg zu neuen, besseren Medikamenten und innovativen Materialien voran. Der Bau von zwei weiteren Experimentierhallen erlaubt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, an derzeit 25 Messplätzen zeitgleich bahnbrechende Experimente durchzuführen und an technologischen Innovationen zu arbeiten.

DESY plant DESY den Umbau des Synchrotrons auf die nächste Generation, PETRA IV, wofür Ende 2019 ein Design-Konzept vorgelegt wurde. Dies würde es den Forschenden ermöglichen, kohärente Strahlung für neuartige Experimente zu verwenden, die bisher an PETRA III nicht möglich sind. Kohärente Strahlung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichtteilchen, die sogenannten Photonen, alle aufeinander abgestimmt sind. Außerdem entstehen mit dem Ausbau fünf neue Messplätze für Experimente, die genau diese Eigenschaft effektiv nutzen.