FLASH – Pionier für Molekülfilme

FLASH ist der kleine Bruder vom European XFEL und erfüllt seit 2005 eine Pionierrolle als erster Freie-Elektronen-Laser im UV- und weichem Röntgenlicht. Er dient als weltweites Vorbild für alle danach gebauten Großgeräte der gleichen Kategorie, darunter auch dem European XFEL. Die Erfahrungen der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Technikerinnen und Techniker mit FLASH werden rund um den Globus nachgefragt.

„Filmen“ chemischer Reaktionen

Bis zu 250 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aller Länder reisen Jahr für Jahr zum DESY (Deutsches- Elektronen-Synchrotron) nach Hamburg-Bahrenfeld, um aktuelle Forschungsthemen zu bearbeiten. Warum geht ein Katalysator nach einer bestimmten Zeit kaputt? Welches Material eignet sich für die Energiegewinnung und welches zur Datenspeicherung? Diese und ähnliche Fragen lassen sich nur tief in der Welt der kleinsten Partikel und Zellen beantworten. Bis zu Beginn dieses Jahrtausends war kein Mikroskop der Welt imstande, das dynamische Verhalten von Molekülen auf atomarer Skala sichtbar zu machen. Diese Aktivitäten bewegen sich in einem Zeitfenster von wenigen Femtosekunden, welche FLASH imstande ist abzubilden. Eine Femtosekunde verhält sich zu einer Sekunde wie sieben Minuten zum Alter des Universums. Mit bis zu 8000 Lichtblitzen pro Sekunde kann der Superlaser unzählige Bilder der einzelnen Reaktionsstadien aufnehmen. Aneinandergereiht entsteht so der gewünschte Molekularfilm.

Die FLASH-Technologie ist für verschiedene wissenschaftliche Disziplinen interessant. Vor allem für Forschende aus den Materialwissenschaften, der Biologie und der fundamentalen Physik bietet der Freie-Elektronen-Laser geeignete Voraussetzungen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen unter anderem, wie Kohlenmonoxid an Katalysatoroberflächen reagiert oder welche Strukturen auf Mikromagneten eine schnelle Datenspeicherung ermöglichen. Sie beobachten außerdem das Verhalten von Zellen und studieren den Aufbau von Proteinen. Diese gewonnenen Erkenntnisse sind wichtige Grundlage für Materialien und Medikamente der Zukunft.

Die Basis für die intensiven Röntgenblitze sind hohe Teilchenenergien. Dazu werden Elektronenpakete erzeugt und mithilfe eines Linearbeschleunigers auf Energien über eine Milliarde Elektronenvolt gebracht. Bei FLASH geschieht dies mithilfe sogenannter Resonatoren, die in einer 260 Meter langen Beschleunigerstrecke verbaut sind. Sie bringen die einzelnen Pakete auf nahezu Lichtgeschwindigkeit und bündeln sie durch physikalische Verfahren.

Elektronenquelle

Anschließend durchlaufen die Elektronenpakete den sogenannten Undulator. Er besteht aus speziell angeordneten Magneten mit wechselnden Polen. Sie zwingen die Teilchen auf einen festen Slalomkurs. In jeder Kurve senden die Elektronen Strahlung aus. Dabei überholt das Licht 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 mehrfach. Nach und nach ordnen sich die Elektronen in den Teilchenpaketen in parallelen, hauchdünnen Scheiben senkrecht zur Bewegungsrichtung an und geben laserartiges gepulstes Licht im Gleichtakt ab. Durch gezielte Magnetanordnung und weitere optische Elemente entstehen Röntgenlaserblitze unterschiedlicher Intensität und Bandbreite. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen sie für ihr großes Versuchsspektrum.

Dasselbe Prinzip wird auch am European XFEL angewendet, jedoch ist dort die maximale Energie der Elektronen deutlich höher und somit die Wellenlänge der erzeugten Strahlung kürzer. Deshalb sind die beiden Anlagen für unterschiedliche Experimente geeignet – sie sind komplementär einsetzbar.

Undulatoren – Magnete für den Spezialeffekt

Seit 2005 betreibt das Deutsche-Elektronen-Synchrotron DESY den Freie-Elektronen-Laser auf seinem Betriebsgelände in Hamburg. Das DESY zählt zu den weltweit führenden Beschleunigerzentren, womit der Freie-Elektronen-Laser an einem Standort für Spitzenforschung beheimatet ist. Neben FLASH befinden sich mit PETRA III, dem brillanten Synchrotron für harte Röntgenstrahlung, und mit dem European XFEL zwei weitere international herausragende Großgeräte in unmittelbarer Nähe. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das DESY als Teil der Helmholtz-Gemeinschaft mit rund 230 Millionen Euro jährlich. Ein Teil des Geldes fließt dabei in den Betrieb des Superlasers.

Weitere Mittel stellt das Bundesforschungsministerium im Rahmen der Projektförderung von ErUM-Pro zur Verfügung, um die Weiterentwicklung der Messplätze zu ermöglichen. Das spezielle Förderinstrument macht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an den Universitäten und Hochschulen auf einzigartige Weise zu zentralen Partnern nationaler und internationaler Forschungsinfrastrukturen. In den Projekten entwickeln sie gemeinsam mit der Betreibereinrichtung neuartige Instrumente und Technologien und stärken die Position des Forschungsgroßgeräts weltweit. Die Forschung an FLASH ermöglicht wertvolle Erkenntnisse für die Grundlagen- und angewandte Forschung. Sie und trägt dazu bei, Deutschlands Spitzenposition im globalen Wettbewerb weiter auszubauen.

Um der hohen Nachfrage gerecht zu werden, hat das DESY den Superlaser 2016 um eine zusätzliche Laserstrecke und Experimentierhalle mit bis zu sechs Messplätzen erweitert. Die zweite Laserstrecke bietet neue Experimentiermöglichkeiten und noch präzisere Einblicke in den Nanokosmos. So lässt sich beispielsweise die Wellenlänge der erzeugten Lichtblitze den jeweiligen Forschungsanforderungen anpassen.

Experimentierhalle

Ergänzend setzt das DESY neuentwickelte Technologien um, welche die Strahleigenschaften des Lasers zusätzlich verbessern sollen und den Nutzerinnen und Nutzern rund 50 % mehr Strahlzeit zur Verfügung stellen. Sie bilden eine wichtige Grundlage für die Modernisierung des Großgeräts mit dem Namen FLASH 2020+. Als eines der wesentlichen Ziele will DESY durch den Energiebereich der Strahlung ausdehnen. Dies hebt FLASH künftig auf einen neuen Level, ideal für die biologische Forschung. Im sogenannten „Wasserfenster“ zwischen 2,3 Nanometer und 4,4 Nanometer ist Wasser für Licht durchscheinend, sodass die Forschenden Biomoleküle ungehindert untersuchen können.