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Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur

Portraitfoto Karin Prien
Karin Prien

Ministerin für Bildung, Wissenschaft und Kultur

© Joachim Welding

Spitzenforschung mit Laserlicht

Datum 30.08.2017

Am Freitag nimmt der größte Röntgenlaser der Welt in Schenefeld seinen Betrieb auf. Ab September kommen Wissenschaftler aus aller Welt nach Schleswig-Holstein, um den Geheimnissen der Erde auf den Grund zu gehen.

Schenefeld, ein beschauliches Städtchen an der Grenze zu Hamburg. Am Ende einer schmalen Straße, direkt hinter einem Parkplatz, erhebt sich die Fassade eines unscheinbaren Bürogebäudes. Wer ganz genau wissen will, was die Welt in ihrem Innersten zusammenhält, geht nicht nach Oxford oder Stanford, sondern hierher. Denn nur zwölf Meter unter der Erde liegt der European XFEL, ein Forschungsprojekt der Superlative.

Eine wissenschaftliche Revolution

Die Forschungsanlage ist größer, als man vermuten mag: Eine 3,4 Kilometer lange, unterirdische Betonröhre verbindet den XFEL mit dem dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg-Bahrenfeld. Was sich in den Tunnelsystemen zwischen Hamburg und Schleswig-Holstein in Zukunft abspielen wird, ist nicht weniger als eine wissenschaftliche Revolution.

"Riesengewinn für die Forschung"

Denn hier nimmt ab September der größte Röntgenlaser der Welt seinen Betrieb auf. "Die Eröffnung dieser weltweit einmaligen Anlage ist ein großer Augenblick - für Schleswig-Holstein, für Deutschland und die Mitgliedsländer des European XFEL- Council. Man kann sagen: Für die Wissenschaft weltweit", sagte Wissenschaftsministerin Karin Prien. Der Laser ermögliche wegweisende Spitzenforschung und mache Schenefeld zu einer Drehscheibe für die internationale wissenschaftliche Elite. "Das ist ein Riesengewinn für die Wissenschaftslandschaft im Norden."

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Die Eröffnung dieser weltweit einmaligen Anlage ist ein großer Augenblick und ein Riesengewinn für die Wissenschaftslandschaft im Norden.

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Hoffnungen für die Wissenschaft

Das hier erzeugte Licht erreicht eine Wellenlänge, die der Größe eines Atoms entspricht. Das soll in Zukunft Foto- und sogar Videoaufnahmen im Nanobereich ermöglichen. Forscher wie der Lübecker Biochemiker Professor Lars Redecke oder der Kieler Physiker Professor Kai Roßnagel erhoffen sich davon neue Erkenntnisse im Bereich der Medizin, Biologie oder Materialwissenschaft. "Wir sprechen beim European XFEL von einer neuen Generation von Röntgenlichtquelle, die völlig neue Forschungsmöglichkeiten eröffnet", sagt Roßnagel. "Die Erkenntnisse, die wir hier gewinnen, können die Grundlagen legen für neue Medikamente, neue Werkstoffe, aber auch neuartige Nanotechnologien, die wir uns heute noch gar nicht vorstellen können."

Porträtfotos Professor Dr. Lars Redecke (Universität zu Lübeck) und Professor Dr. Kai Roßnagel (Christian-Albrechts-Universität zu Kiel) (Vergrößerung öffnet sich im neuen Fenster)Professor Dr. Lars Redecke (Universität zu Lübeck) und Professor Dr. Kai Roßnagel (Christian-Albrechts-Universität zu Kiel) © privat

Blitzlichtgewitter in der Dunkelheit

Der 42-Jährige Redecke untersucht mit seiner Forschungsgruppe Krankheitserreger und hat bereits an verschiedenen Röntgenlasern gearbeitet, etwa an der bislang modernsten Anlage in Stanford. Er ist einer der ersten, die den XFEL in Aktion erleben dürfen. "Es gibt keine geeigneten Mikroskope, um die Strukturen von Proteinen direkt anzuschauen. Deshalb bedienen wir uns der indirekten Methode, der Röntgenbeugung."

Die Fotos entstehen mithilfe von Röntgenblitzen, sogenannten Pulsen. Dafür werden Hamburger DESY Elektronenpakete erzeugt und auf die rund drei Kilometer lange Reise nach Schenefeld geschickt. In dem unterirdischen Tunnel zwischen den beiden Forschungsanlagen beschleunigen die Elektronen auf annähernd Lichtgeschwindigkeit. In einem anschließenden Photonentunnel bringen mehr als 17.000 Magneten die Elektronenpulse auf einen engen Slalomkurs. In jeder Kurve geben die Elektronen extrem kurzwellige Röntgenstrahlung ab, die mit zunehmender Strecke immer stärker wird. Bis zu 27.000 Röntgenlichtblitze pro Sekunde sollen so erzeugt werden - 200mal mehr als etwa in Stanford. Trotzdem bleibt es im Tunnel dunkel - die Blitze sind so schnell wieder vorbei, dass das menschliche Auge sie nicht erfassen kann.

"Ein Traum geht in Erfüllung"

Eine gelbe Röhre in einem langen Tunnel, dessen Ende nicht zu sehen ist. Zwei Kilometer langer Beschleunigerabschnitt des XFEL mit supraleitenden Beschleunigermodulen (gelb). (Vergrößerung öffnet sich im neuen Fenster)Auf rund zwei Kilometern werden Elektronenpakete auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. © DESY 2017

Wird ein Molekül von einem solchen Röntgenblitz getroffen, "explodiert" es innerhalb einer milliardstel Sekunde. Aber die Lichtblitze sind schneller: Noch bevor das Molekül auseinanderfällt, haben die Pulse die Struktur des Proteins bereits erfasst - der XFEL hat den Schnappschuss im Kasten. "Wenn wir das Protein aus allen Richtungen bestrahlen und alle Fotos zusammenfügen, erhalten wir ein Modell von dessen Struktur. Mit genug Bildern können wir 'filmen' wie ein Protein funktioniert", sagt Redecke. "Das war lange ein Traum der Wissenschaftler, der nun in Erfüllung geht."

Drehscheibe für internationale Spitzenforschung

Ab Mitte September können die Forscher den Beschleuniger nutzen. Das Interesse am XFEL ist groß, Spitzen- und Nachwuchswissenschaftler aus aller Welt haben sich um Messzeiten beworben. Bis zum Jahresende ist hier schon alles ausgebucht – einschließlich der Nachtschichten. "Wöchentlich werden die internationalen Nutzergruppen aus den unterschiedlichen Fachbereichen wechseln - hier in Schenefeld entsteht eine zentrale Drehscheibe für internationale und interdisziplinäre Zusammenarbeit", betont Roßnagel.

Gemeinschaftsprojekt von elf Ländern

Nicht nur die Forschung arbeitet hier Hand in Hand. Auch der Bau und Betrieb der riesigen Anlage ist ein Gemeinschaftsprojekt. Acht Jahre und 1,22 Millarden Euro hat der Bau gekostet, derzeit beteiligen sich elf europäische Länder an dem Projekt. Deutschland trägt mit rund 58 Prozent den Großteil der Kosten, Hamburg und Schleswig-Holstein steuern gemeinsam 90 Millionen Euro bei.