Das teuerste Experiment Deutschland ist gerade in Hamburg gestartet

Am heutigen Freitag beginnt im Norden Hamburgs ein lang ersehntes Experiment: Der European XFEL, der stärkste Röntgenlaser der Welt, nimmt nach achtjähriger Bauzeit am 1. September seinen Betrieb auf. Unter der Erde, zwischen Hamburg-Bahrenfeld und dem Schleswig-Holsteinischen Schenefeld, erstreckt sich über 3,4 Kilometer dieses Wunder der Technik. Die Baukosten für die Apparatur betragen 1,2 Milliarden Euro. Doch was steckt hinter diesem enormen Betrag und wozu wird die Anlage dienen, deren technische Möglichkeiten wie Science-Fiction klingen?

Insgesamt elf Staaten haben zusammen Geld in die Hand genommen, um den XFEL zu bauen. Am meisten investiert hat Deutschland und 58 Prozent des Geldes beigetragen. Dahinter folgt als zweitgrößter Geldgeber Russland mit 27 Prozent. Die übrigen Länder haben jeweils ein bis drei Prozent der Kosten getragen.

Mit seinen Baukosten ist der European XFEL das teuerste Forschungsprojekt Deutschlands – und schnappt sich diesen Titel damit mit einem Abstand von 0,2 Milliarden Euro vom Greifswalder Fusionsreaktor Wendelstein 7-X, der 19 Jahre lang gebaut wurde. Lange wird sich der Röntgenstrahler aber nicht auf dem Thron behaupten können. Der Teilchenbeschleuniger FAIR in der Nähe von Darmstadt wird 1,3 Milliarden Euro kosten und soll 2025 in Betrieb gehen.

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Die Funktionsweise lässt sich grob in drei Schritte gliedern. Zuerst einmal löst ein Laser Elektronen aus einer Metallplatte. Die werden von einer elektromagnetischen Welle erfasst und beschleunigen in einem fast zwei Kilometer langen sogenannten Linearbeschleuniger fast auf Lichtgeschwindigkeit. Auf diesem Weg sammeln sie immer mehr Energie. Das besondere dabei: Der Beschleuniger besteht aus dem seltenen Material Niob, das bei -271 Grad Celsius seinen Widerstand verliert und supraleitend wird. Daher wird der Beschleuniger exakt auf -271 heruntergekühlt.

Im zweiten Schritt werden dann die Elektronen durch Magnete zum Slalom gezwungen. Der Slalomkurs sorgt dafür, dass die Elektronen Lichtblitze abstrahlen. Im dritten und letzten Schritt wird es dann für die Forscher spannend, die am XFEL ihre Experiment durchführen: Denn jetzt treffen die Lichtblitze auf die diversen Apparaturen am Ende des XFEL. Dort können Wissenschaftler ihre Experimente durchführen. So gibt es unter anderem Geräte, mit denen Materie in extremen Zuständen und Strukturen von Teilchen untersucht werden kann.

Er ist viel leistungsstärker als jeder aktuelle Röntgenlaser der Welt. Der bisher stärkste Röntgenlaser, der LCLS im kalifornischen Stanford, erzeugt nur 120 Lichtblitze pro Sekunde – beim XFEl sollen es bis zu 27.000 Lichtblitze in der Sekunde werden. Das hilft, um sehr schnelle Prozesse wie chemische Reaktionen besser aufnehmen zu können.

In erster Linie könnte der XFEL wichtige Fragen der Grundlagenforschung klären. Fragen, die bisher nicht so präzise erforschbar waren. So soll es mit dem Super-Röntgenstrahler zum Beispiel möglich sein, den genauen Ablauf chemischer Reaktionen mit einem speziellen Detektor genau aufzunehmen. Der soll im Bruchteil einer Sekunde tausende von Bildern machen.

Durch die extrem kurzen und starken Lichtblitze des Röntgenstrahlers können die Bewegungen von Teilchen während chemischen Reaktionen abgelichtet werden. Die vielen Einzelaufnahmen werden dann zu einem Film zusammengesetzt. So wird der XFEL zu einer Art Daumenkino, das extrem detaillierte Einblicke in chemische Prozesse liefert.

Der neue Röntgenlaser erlaubt es, chemische Reaktionen auf atomarer Ebene zu filmen oder sehr detailreiche 3D-Bilder von DNA-Abschnitten und Viren anzufertigen. Das könnte die Forschung in diesem Gebiet beschleunigen, zum Beispiel im Kampf gegen Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson. Zu den Forschern, die schon bald den XFEL nutzen dürfen, gehören der Australier Anton Barty und der Pole Wojciech Gawelda. Barty will Bilder von Biomolekülen machen, Gawelda chemische Reaktionen filmen.