European XFEL – Ein Röntgenlaser der Superlative

Die Kombination aus Supermikroskop und Molekularkamera eröffnet Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern nie dagewesene Einblicke. Daher lässt sich der European XFEL in der Metropolregion Hamburg quasi als Alleskönner mit Laserblick bezeichnen. Durch seine besonderen Eigenschaften empfiehlt sich der Freie Elektronen Laser für ein breites Spektrum von Forschungsgebieten. Dazu zählen Medizin, Physik, Chemie, Material- und Lebenswissenschaften sowie Astrophysik und moderne Energieforschung.

Modulverbindungen

Die Laserblitze mit einer Dauer von weniger als hundert billiardstel Sekunden ermöglichen extrem kurze Belichtungszeiten. Dies erlaubt Chemikerinnen und Chemikern, sehr schnelle Reaktionen zwischen Molekülen zu beobachten. Auf Basis dieses Wissens können sie beispielsweise künftig bessere und umweltfreundliche Katalysatoren entwerfen. Dank einer bis zu milliardenfach höheren Leuchtstärke als bei klassischen Röntgenquellen bilden Forschende der Biologie und Medizin Zellbestandteile, Biomoleküle oder Viren in allen Einzelheiten auf Molekularebene ab. Die neuen Erkenntnisse sind Grundlage, um Krankheiten wie Alzheimer oder HIV zu bekämpfen oder maßgeschneiderte Medikamente für Patienten zu entwickeln.

Materialwissenschaftlerinnen und Materialwissenschaftler studieren damit den genauen Aufbau von Nanostrukturen und magnetischen Materialien, unter anderem als Schlüssel für effizientere Photovoltaikmodule, Brennstoffzellen sowie Datenspeicher der Zukunft. Auch für Themen der Astrophysik eignet sich der European XFEL in idealer Weise. Auf der Suche nach neuen Energiequellen im Rahmen der Fusionsforschung simulieren die Beteiligten Extremzustände, wie sie im Inneren von Riesenplaneten und Sternen vorherrschen.

Der European XFEL erstreckt sich zum großen Teil unterirdisch vom Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg-Bahrenfeld, bis in die schleswig-holsteinische Stadt Schenefeld. Ein gewöhnlicher Laser auf dem DESY-Gelände dient als Startpunkt. Er löst gezielt Elektronen aus einem Metall, die dann als Elektronenstrahl in einen Linearbeschleuniger eingespeist werden. Darin durchlaufen die Teilchenpakete elektrische Wechselfelder, sogenannte Resonatoren. Sie schwingen bei Frequenzen im Mikrowellenbereich und beschleunigen die Elektronen allmählich immer mehr. Auf einer 1,7 Kilometer langen Untergrundstrecke erreichen sie so nahezu Lichtgeschwindigkeit.

LPD-Detektor

Speziell angeordnete Magnete, sogenannte Undulatoren, zwingen im nächsten Schritt die Elektronen auf einen Slalomkurs. In jeder Slalomkurve senden die Teilchen laserartige Röntgenstrahlung aus. Dabei überholt der Röntgenblitz diejenigen Elektronenpakete, die sich vor ihm auf dem Slalomkurs befinden und tritt mit ihnen in Wechselwirkung. Ein Teil der Elektronen aus dem Paket wird leicht ausgebremst, ein anderer Teil ein wenig beschleunigt. Dieser Prozess wiederholt sich über eine Strecke von 100 Metern mehrfach. Nach und nach ordnen sich die Elektronen in den Teilchenpaketen dabei in parallelen, hauchdünnen Scheiben senkrecht zur Bewegungsrichtung an und geben Licht im Gleichtakt ab.

Nachdem die Röntgenlaserblitze entstanden sind, werden ihre Eigenschaften durch optische Elemente auf die Bedürfnisse des jeweiligen Experiments zugeschnitten. Insgesamt stehen ihnen bis zu sechs verschiedene Messplätze für Experimente zur Verfügung.

Der European XFEL ist eines der wichtigsten Infrastrukturprojekte der Grundlagenforschung in Europa. Zwölf europäische Länder beteiligen sich daran und sind in der eigens dafür gegründeten European XFEL GmbH repräsentiert. Das Deutsche Elektronen Synchrotron (DESY) vertritt als Gesellschafter die deutschen Interessen. Mit 58 Prozent und einer Gesamtsumme von rund 820 Millionen Euro trägt Deutschland als Sitzland den größten Teil der Bauinvestitionen (Bund, Hamburg und Schleswig-Holstein). Dabei stammen rund 730 Millionen Euro aus dem Bundesforschungsministerium. Sie öffnen deutschen Forscherinnen und Forschern die Türen zu einem weltweit einzigartigen Großgerät und sichern der Bundesrepublik eine Spitzenposition in der Forschung mit Photonen.

Röntgenblitze entstehen in einem Undulator

Ergänzend finanziert das BMBF die Weiterentwicklung des European XFEL über Förderprogramme im Rahmen von ErUM-Pro. Bei ErUM-Pro handelt es sich um den Aktionsplan des Bundesforschungsministeriums, der die Projektförderung zur Vernetzung von Hochschulen, Forschungsinfrastrukturen und der Gesellschaft adressiert. Er ist eingebettet in das Rahmenprogramm Erforschung von Materie und Universum – ErUM, welches den forschungspolitischen Rahmen vorgibt. Das spezielle Förderinstrument macht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an den Hochschulen auf einzigartige Weise zu zentralen Partnern nationaler und internationaler Forschungsinfrastrukturen. In den Projekten entwickeln sie gemeinsam mit den Betreibereinrichtungen neuartige Instrumente und Technologien für den European XFEL und stärken so seine Position als weltweit einzigartige Röntgenquelle im internationalen Wettbewerb.

Seit September 2017 läuft der Nutzerbetrieb am European XFEL. In dieser Zeit haben tausende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus über zwanzig Ländern Versuche am weltgrößten Röntgenlaser durchgeführt. Die Forschungsvorhaben reichen von der Methodenentwicklung über die Strukturbestimmung von Biomolekülen bis zur Untersuchung extrem schneller chemischen Reaktionen oder funktionaler Materialien. Seit 2019 stehen den Forschenden sechs Experimentierstationen zur Verfügung. Im Jahr 2022 wurde eine der Experimentierstationen um ein weiteres Instrument erweitert. Im kommenden Jahrzehnt sind ein Ausbau um zusätzliche Experimentierplätze und eine Leistungssteigerung des Beschleunigers geplant.

Computersimulation des Beschleunigervorgangs

Schon jetzt haben Forschende viele relevante wissenschaftliche Ergebnisse veröffentlicht. Eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung des DESY etwa hat eine bislang unbekannte Struktur eines Enzyms enthüllt, das bei Antibiotika-Resistenzen eine wichtige Rolle spielt. Die ultraschnellen Röntgenblitze eignen sich optimal, um Biomoleküle zu durchleuchten und so ihre dreidimensionale Struktur zu bestimmen. Die räumliche Struktur und die dynamische Veränderung von Proteinen und Enzymen verrät den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern etwas über die genaue Funktionsweise des Moleküls. Darauf aufbauend können Strategien und Methoden entwickelt werden, um bakterielle oder virale Krankheitserreger wie das SARS-CoV-2 zu bekämpfen.