DESY

Wissenschaftlerin mit Schutzbrille greift mit einem kleinen Utensil in der Hand in eine Apparatur

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Blick entlang des Strahlrohrs zwischen der Magnetstruktur (oben und unten) eines Undulators im Speicherring PETRA III.

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PETRA III – Quelle für brillante Röntgenstrahlung

Die Materie entschlüsseln: Dieser Herausforderung stellen sich Forscherinnen und Forscher am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg. Hier nutzen sie die extrem intensiven und gebündelten Röntgenstrahlen, die der Elektronenbeschleuniger PETRA III erzeugt. In vielseitigen Experimenten sind sie den Bestandteilen und Funktionsweisen der Materie auf der Spur.

  • Ort:
    Hamburg

  • Baukosten:
    234 Millionen Euro

  • Anzahl WissenschaftlerInnen:
    2000 Messgäste pro Jahr

  • Beteiligte Länder:
    Deutschland

  • Ziel:
    Mikrostrukturen und deren elektronischen, magnetischen, strukturellen und atomaren Eigenschaften untersuchen

  • Anwendungsbeispiel:
    Neue Katalysatoren entwickeln

  • Gerätetyp:
    Röntgenstrahlungsquelle

  • Messmethode:
    Verschiedene Spektroskopie-, Mikroskopie- und Diffraktometrietechniken

  • Untersuchungsobjekt:
    Biologische Zellen, Oberflächen, dünne Schichten, Kristalle

  • Bauphase:
    2007 bis 2009

  • Rechtsform & beteiligte Institutionen:
    Deutsches Elektronen-Synchrotron

  • Größe:
    2304 Meter Umfang

  • Experimentdetails:
    Elektronenenergie: 6 GeV
    Wellenlänge Strahlung: 0,006 (Röntgenstrahlung) – 8 Nanometer (UV-Licht)
    Minimale Pulslänge: 44 Pikosekunden

Welche Erkenntnisse PETRA III liefert

Schematische Ansicht der 280 Meter langen Experimentierhalle „Max von Laue“.

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.

Wie PETRA III funktioniert

Blick in eine große Halle voller Rohrleitungen

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, gebündelt und brillant ist. Unter hoher Brillanz verstehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass die Wellenlänge der Strahlung (bei sichtbarem Licht entspricht das der Farbe) sehr exakt eingestellt ist. Diese 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.

Wer an PETRA III beteiligt ist

Wissenschaftler justiert eine Apparatur

Messplatz

PETRA III ist eine der Hochleistungslichtquellen der Helmholtz-Gemeinschaft deutscher Forschungszentren. Für den Ausbau des Vorgängerrings PETRA II zum Synchrotron der dritten Generation wurden 225 Millionen Euro benötigt. Mit einer Investition von rund zweihundert Millionen Euro übernahm das Bundesforschungsministerium den Großteil der Kosten. Die restlichen Mittel stellte die Stadt Hamburg bereit. Neben dem Bau unterstützt Deutschland auch die laufenden Entwicklungen. Im Rahmen der Projektförderung zur Vernetzung von Hochschulen, Forschungsinfrastrukturen und Gesellschaft ErUM-Pro wurden seit 2010 rund achtzig Millionen Euro investiert. Damit garantiert das Bundesforschungsministerium, dass die Forscherinnen und Forscher die experimentellen Techniken kontinuierlich weiterentwickeln können. Außerdem ermöglicht es ihnen, innovative Methoden zu konzipieren, zu etablieren und somit die weltweit führende Rolle dieser Röntgenlichtquelle langfristig zu sichern.

Was gerade an PETRA III passiert

Jedes Jahr nutzen knapp zweitausend 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.

Luftaufnahme mehrerer Laborgebäude: in der Mitte eine gebogene Halle, rechts darunter ein rundes Gebäude mit kreuzförmigen Aufbauten auf dem Dach

PETRA III aus der Luft

Außerdem 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 19 Messplätzen zeitgleich bahnbrechende Experimente durchzuführen.

Für den Zeitraum ab 2024 plant DESY den Ausbau zu PETRA IV. Diese Weiterentwicklung zum Synchrotron der neusten Generation ermöglicht es den Forschenden, kohärente Strahlung besonders effektiv zu erzeugen und zu nutzen. 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.


Stand: Januar 2019

Quelle: https://fis-landschaft.de/materie/petra-iii/