Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten in einem Raum voller Maschinen, Laseraufbauten

DESY/Heiner Müller-Elsner

Lange Rohrleitung verläuft im Inneren eines Tunnels

DESY

Wissenschaftler arbeiten an einem silberfarbenen Zylinder

DESY

Hallenwand mit dem Schriftzug FLASH

DESY

FLASH – Pionier für Molekülfilme

FLASH gilt als Pionier seiner Art und ist Vorbild für Freie-Elektronen-Laser weltweit. Seit 2005 erzeugt er intensive ultrakurze Röntgenlaserblitze. Sie erlauben Forschenden, winzige Strukturen zu untersuchen und sogar Atome in ihren Bewegungen zu filmen. Der geplante Leistungsausbau „FLASH 2020+“ bietet künftig noch mehr Experimentiermöglichkeiten.

  • Ort:
    Hamburg

  • Baukosten:
    150 Millionen Euro

  • Beteiligte Länder:
    Deutschland

  • Ziel:
    Chemische, physikalische und biologische Reaktionen filmen

  • Anwendungsbeispiel:
    Entwicklung neuer Nanomaterialien

  • Gerätetyp:
    Freie-Elektronen-Laser

  • Messmethode:
    Röntgenspektroskopie

  • Untersuchungsobjekt:
    Kondensierte Materie

  • Bauphase:
    2002 bis 2005 (FLASH 1),
    2012 bis 2015 (FLASH 2)

  • Rechtsform & beteiligte Institutionen:
    Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)

  • Größe:
    315 Meter Länge

  • Experimentdetails:
    Max. Elektronenenergie: 1,25 Gigaelektronvolt

Welche Erkenntnisse FLASH liefert

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.

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

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.

Wie FLASH funktioniert

Die Basis für die intensiven Röntgenblitze sind hohe Teilchenenergien. Dazu werden Elektronenpakete erzeugt und 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.

Ein Wissenschaftler arbeitet an einem großen metallenen Zylinder

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 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 mehrfach. Nach und nach ordnen sich die Elektronen in den Teilchenpaketen in parallelen, hauchdünnen Scheiben senkrecht zur Bewegungsrichtung an und geben laserartiges 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.

Wer an FLASH beteiligt ist

Aneinanderreihung der Undulatoren von FLASH II in einer langgestreckten Halle.

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, der brillanten Quelle für harte Röntgenstrahlung, und 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. Allein in der aktuellen Förderperiode unterstützt das BMBF insgesamt 15 Projekte an FLASH mit einer Gesamtfördersumme von circa acht Millionen Euro. 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 Grundlagenforschung und trägt dazu bei, Deutschlands Spitzenposition im globalen Wettbewerb weiter auszubauen.

Was gerade an FLASH passiert

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.

Schriftzug FLASH „Albert Einstein“

Experimentierhalle

Ergänzend erprobt das DESY neue Technologien, welche die Strahleigenschaften des Lasers zusätzlich verbessern sollen. Sie bilden eine wichtige Grundlage für die Zukunftsstrategie des Großgeräts mit dem Namen FLASH 2020+. Als wesentliches Ziel will das DESY durch weitere technische Anpassungen die Anzahl der Lichtblitze circa um den Faktor hundert erhöhen, einen gleichmäßigen Abstand zwischen den Laserblitzen erwirken und den Energiebereich der Strahlung ausdehnen. Letzteres 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.


Stand: Januar 2019

Quelle: https://fis-landschaft.de/materie/flash/