Arbeiten am Beschleuniger des European XFELArbeiten am Beschleuniger des European XFEL: Herstellen der Vakuum-Verbindungen zwischen den Teilchen-Beschleuniger-Modulen (Copyright © DESY 2015) | Copyright © DESY 2015
TechnikRöntgenlaser der Superlative

Licht an in Hamburg

Lesezeit ca.: 10 Minuten
Hans-Jörg Munke

Hans-Jörg Munke

freier Journalist

In Hamburg entsteht derzeit mit dem European XFEL der größte Freie-Elektronen-Röntgenlaser der Welt. Das Europäische Großforschungsprojekt wird Wissenschaftlern weltweit völlig neue Forschungsmöglichkeiten eröffnen.

19. November 2015

Wenn 2017 den Hamburgern ein Licht aufgeht, dann liegt das sicher nicht nur an der „wahrscheinlichen“ Einweihung der festlich illuminierten Elbphilharmonie. Denn in der Hansestadt wird im selben Jahr noch ein weiteres Großprojekt an den Start gehen, der Röntgenlaser European XFEL (X-Ray Free-Electron Laser), die hellste Lichtquelle der Welt, mit 27.000 Röntgenblitzen pro Sekunde, jeder davon mehr als 100 Quadrillionen (10 x 1025) mal stärker als eine gewöhnliche 60-Watt-Glübbirne.

Damit das gelingt, entsteht ausgehend vom Areal des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY unter den Hamburger Stadtteilen Bahrenfeld, Osdorf und Schenefeld ein Röntgenlaser der Superlative. Insgesamt hat die Anlage eine Gesamtlänge von 3,4 Kilometern und besteht aus einem Tunnelsystem in 6 bis 38 Metern Tiefe und drei oberirdischen Betriebsgebäuden.

Mit 1,2 Milliarden Euro Baukosten (Preisniveau von 2009) zählt die Forschungsanlage zu den größten und ambitioniertesten Forschungsprojekten in Europa. Das Gemeinschaftsprojekt wird von elf Ländern getragen. Größter Geldgeber ist dabei Deutschland mit der Hälfte der Kosten, gefolgt von Russland, das rund ein Viertel des Budgets beisteuert.

Mit den Röntgenblitzen werden Forscher aus aller Welt atomare Details von Viren und Zellen entschlüsseln, dreidimensionale Aufnahmen von Nanostrukturen machen, ultraschnelle Prozesse untersuchen und filmen, und Materie unter extremen Bedingungen studieren, wie es sie im Inneren von Planeten gibt.

Hochgeschwindigkeit dank Supraleitung

Markus Hoffmann, Technischer Sektionskoordinator, zeichnet verantwortlich für den zwei Kilometer langen Hauptbeschleuniger. Darin wird der Elektronenstrahl mit elektromagnetischen Feldern auf Touren gebracht und so mit Energie aufgeladen. „Wir verwenden 101 supraleitende Beschleunigerelemente, die mit flüssigem Helium gefüllt sind, und nahe dem absoluten Nullpunkt bei -271 °C arbeiten“, erklärt Hoffmann. Die seien im DESY bereits im kleineren Maßstab im Freie-Elektronen-Laser FLASH im Einsatz. Jetzt würden sie von Partnern in Frankreich mit Teilen aus Italien und China in Kleinserie gefertigt und stünden beispielhaft für den internationalen Charakter des Projekts.

Haben die Elektronenpakete dann ihre Endenergie von 17,5 GeV (Gigaelektronenvolt) erreicht, tritt der Strahl in die sogenannten Undulatoren ein. Hier beginnt die Produktion des Laserlichts. Aus den Elektronenpaketen entstehen Photonenpakete mit ähnlichen Eigenschaften. „Die sind ebenso kurz und auch von der Ausdehnung vergleichbar“, so der Physiker. „In den Undulatoren werden die Elektronen durch Dauermagnete permanent auf sehr kleine Kurven gezwungen. Bei den Richtungswechseln geben die Elektronen Lichtteilchen ab.

Das Unsichtbare sichtbar machen

Da Elektronen und Photonen etwa gleich schnell sind, trifft der Elektronenstrahl immer wieder auf sein eigenes Licht. Weitere Photonen kommen hinzu und so verstärkt sich der Effekt. Dadurch wird das Licht nicht nur heller, sondern auch seine Kohärenz verstärkt  sich.“ Danach verlässt dann ein Röntgenlaserlichtstrahl den Undulator, läuft rund 1.000 Meter frei weiter, wird auf sechs Tunnel, die sogenannten Beamlines, aufgeteilt und trifft am Ende auf die Proben und Analyse-Instrumente. Die Elektronen, die das Licht abgegeben haben, werden nicht weiter genutzt, sondern verworfen.

Um zu sehen, was bislang unsichtbar ist, benötigen die Wissenschaftler extrem kurze Lichtblitze. Im XFEL dauern sie üblicherweise nur wenige Femtosekunden (wenige billiardstel Sekunden). Erzeugt werden die Blitze schon in der Strahlenquelle. „Am Anfang sind die Elektronenpakete noch ein paar Zentimeter lang, werden dann aber auf Haaresbreite zusammengedrückt“, so Hoffmann. „Der daraus entstehende Lichtpuls hat dann räumlich wie zeitlich ähnliche Dimensionen.“

Minimale Bewegungen als große Herausforderung

Eine weitere Herausforderung: Der Röntgenlaserlichtstrahl darf sich nicht bewegen und muss auf Haaresbreite über eine Strecke von zwei Kilometern stabil gehalten werden. „Das ist noch nie gemacht worden. Solange es ein Elektronenstrahl ist, kann man ihn beeinflussen und gegebenenfalls elektroaktiv dämpfen“, erklärt der Sektionskoordinator. Sei einmal Licht daraus geworden, gehe das nicht mehr. Daher versuche man, den Beschleuniger so stabil zu stellen, wie es gehe. Es gebe aber immer Bewegungen, etwa durch oberirdischen Straßenverkehr oder kleinere Mini-Erdbeben, die sich in Messungen als störende Effekte feststellen ließen.

Theoretisch reicht der Laserstrahl für bis zu 15 Analyse-Instrumente, die parallel betrieben werden können. Eines davon entwickelt das Team um Christian Bressler, einem der leitenden Wissenschaftler des Projekts. „Wir bauen hier eine ultimative Hochgeschwindigkeitskamera. Möchte man sehen, wie eine chemische Reaktion abläuft, braucht man Zeitverschlüsse, die milliardenfach kürzer sind, als die der besten Kameras. Diese Verschlusszeiten realisiert XFEL mit seinen extrem kurzen Lichtblitzen ähnlich einem Stroboskopeffekt.

Die atomare Struktur erforschen

Um Zustände aufzunehmen, während Substanzen gerade reagieren, nutzen wir die Röntgenstreuung. Man schickt den Strahl durch die Probe und das Licht wird in verschiedene Richtungen gebeugt“, erklärt der Physiker. Diese Richtungen gäben Aufschluss über die atomare Struktur.

„Zusätzlich gehen wir aber einen Schritt weiter: Wird ein Photon gestreut, sind weitere zehn absorbiert worden. Sie haben dabei ein Elektron aus diesem Atom ionisiert. Das fällt danach wieder über mehrere Stufen in seinen Ursprungszustand zurück und gibt dabei seinerseits Photonen ab. Die nehmen wir mit einem Sekundärspektrometer auf und können so Informationen über die momentane elektrische Konfiguration bekommen. So lernen wir nicht nur, wie die Struktur momentan aussieht, sondern auch, was genau vor sich geht“, erläutert Bressler. Dank der Intensität der Lichtblitze könne man mit nur einem Schuss ein ganzes Experiment erledigen.

Riesige Datenmengen brauchen innovative Speicherlösungen

Damit sind aber auch bezüglich der Auswertung große Herausforderungen verbunden. Die Datenmengen werden explodieren, ist sich Bressler sicher: „Für unser Instrument rechnen wir allein mit 10 bis 100 GB pro Sekunde. Werden alle sechs Instrumente gleichzeitig betrieben, ist mit einigen Petabyte (1 PT = 1.000 TB) pro Jahr zu rechnen.“ Eine eigene IT-Gruppe arbeitet an Lösungen.

Mit dem XFEL wird Hamburg weltweit Maßstäbe setzen, denn 27.000 Blitze pro Sekunde schafft aktuell keine andere Anlage. Ebenso einmalig ist die Dimension. „Wir stehen da im intellektuellen Austausch, aber auch im Wettstreit mit Kollegen von anderen Beschleunigern“, so Sektionsleiter Hoffmann. „Einige Jahre werden wir den Vorsprung halten. Es werden viele internationale Arbeitsgruppen kommen und diese Experimentiermöglichkeiten nutzen. Auch gute Ingenieure können wir immer gebrauchen. Immerhin können wir ein extrem spannendes Projekt bieten.“

Nicht zuletzt ist der neue Röntgenlaser auch der Beweis dafür, dass nicht jedes Hamburger Bauprojekt aus den Fugen gerät. Entgegen der Elbphilharmonie ist man beim European XFEL im Großen und Ganzen sowohl im Zeit- als auch im Budgetplan.

r noch ein weiteres Großprojekt an den Start gehen, der Röntgenlaser European XFEL (X-Ray Free-Electron Laser), die hellste Lichtquelle der Welt, mit 27.000 Röntgenblitzen pro Sekunde, jeder davon mehr als 100 Quadrillionen (10 x 1025) mal stärker als eine gewöhnliche 60-Watt-Glübbirne

Damit das gelingt, entsteht ausgehend vom Areal des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY unter den Hamburger Stadtteilen Bahrenfeld, Osdorf und Schenefeld ein Röntgenlaser der Superlative. Insgesamt hat die Anlage eine Gesamtlänge von 3,4 Kilometern und besteht aus einem Tunnelsystem in 6 bis 38 Metern Tiefe und drei oberirdischen Betriebsgebäuden.

Mit 1,2 Milliarden Euro Baukosten (Preisniveau von 2009) zählt die Forschungsanlage zu den größten und ambitioniertesten Forschungsprojekten in Europa. Das Gemeinschaftsprojekt wird von elf Ländern getragen. Größter Geldgeber ist dabei Deutschland mit der Hälfte der Kosten, gefolgt von Russland, das rund ein Viertel des Budgets beisteuert.

Mit den Röntgenblitzen werden Forscher aus aller Welt atomare Details von Viren und Zellen entschlüsseln, dreidimensionale Aufnahmen von Nanostrukturen machen, ultraschnelle Prozesse untersuchen und filmen, und Materie unter extremen Bedingungen studieren, wie es sie im Inneren von Planeten gibt.

Hochgeschwindigkeit dank Supraleitung

Markus Hoffmann, Technischer Sektionskoordinator, zeichnet verantwortlich für den zwei Kilometer langen Hauptbeschleuniger. Darin wird der Elektronenstrahl mit elektromagnetischen Feldern auf Touren gebracht und so mit Energie aufgeladen. „Wir verwenden 101 supraleitende Beschleunigerelemente, die mit flüssigem Helium gefüllt sind, und nahe dem absoluten Nullpunkt bei -271 °C arbeiten“, erklärt Hoffmann. Die seien im DESY bereits im kleineren Maßstab im Freie-Elektronen-Laser FLASH im Einsatz. Jetzt würden sie von Partnern in Frankreich mit Teilen aus Italien und China in Kleinserie gefertigt und stünden beispielhaft für den internationalen Charakter des Projekts.

Haben die Elektronenpakete dann ihre Endenergie von 17,5 GeV (Gigaelektronenvolt) erreicht, tritt der Strahl in die sogenannten Undulatoren ein. Hier beginnt die Produktion des Laserlichts. Aus den Elektronenpaketen entstehen Photonenpakete mit ähnlichen Eigenschaften. „Die sind ebenso kurz und auch von der Ausdehnung vergleichbar“, so der Physiker. „In den Undulatoren werden die Elektronen durch Dauermagnete permanent auf sehr kleine Kurven gezwungen. Bei den Richtungswechseln geben die Elektronen Lichtteilchen ab.

Das Unsichtbare sichtbar machen

Da Elektronen und Photonen etwa gleich schnell sind, trifft der Elektronenstrahl immer wieder auf sein eigenes Licht. Weitere Photonen kommen hinzu und so verstärkt sich der Effekt. Dadurch wird das Licht nicht nur heller, sondern auch seine Kohärenz verstärkt  sich.“ Danach verlässt dann ein Röntgenlaserlichtstrahl den Undulator, läuft rund 1.000 Meter frei weiter, wird auf sechs Tunnel, die sogenannten Beamlines, aufgeteilt und trifft am Ende auf die Proben und Analyse-Instrumente. Die Elektronen, die das Licht abgegeben haben, werden nicht weiter genutzt, sondern verworfen.

Um zu sehen, was bislang unsichtbar ist, benötigen die Wissenschaftler extrem kurze Lichtblitze. Im XFEL dauern sie üblicherweise nur wenige Femtosekunden (wenige billiardstel Sekunden). Erzeugt werden die Blitze schon in der Strahlenquelle. „Am Anfang sind die Elektronenpakete noch ein paar Zentimeter lang, werden dann aber auf Haaresbreite zusammengedrückt“, so Hoffmann. „Der daraus entstehende Lichtpuls hat dann räumlich wie zeitlich ähnliche Dimensionen.“

Minimale Bewegungen als große Herausforderung

Eine weitere Herausforderung: Der Röntgenlaserlichtstrahl darf sich nicht bewegen und muss auf Haaresbreite über eine Strecke von zwei Kilometern stabil gehalten werden. „Das ist noch nie gemacht worden. Solange es ein Elektronenstrahl ist, kann man ihn beeinflussen und gegebenenfalls elektroaktiv dämpfen“, erklärt der Sektionskoordinator. Sei einmal Licht daraus geworden, gehe das nicht mehr. Daher versuche man, den Beschleuniger so stabil zu stellen, wie es gehe. Es gebe aber immer Bewegungen, etwa durch oberirdischen Straßenverkehr oder kleinere Mini-Erdbeben, die sich in Messungen als störende Effekte feststellen ließen.

Theoretisch reicht der Laserstrahl für bis zu 15 Analyse-Instrumente, die parallel betrieben werden können. Eines davon entwickelt das Team um Christian Bressler, einem der leitenden Wissenschaftler des Projekts. „Wir bauen hier eine ultimative Hochgeschwindigkeitskamera. Möchte man sehen, wie eine chemische Reaktion abläuft, braucht man Zeitverschlüsse, die milliardenfach kürzer sind, als die der besten Kameras. Diese Verschlusszeiten realisiert XFEL mit seinen extrem kurzen Lichtblitzen ähnlich einem Stroboskopeffekt.

Die atomare Struktur erforschen

Um Zustände aufzunehmen, während Substanzen gerade reagieren, nutzen wir die Röntgenstreuung. Man schickt den Strahl durch die Probe und das Licht wird in verschiedene Richtungen gebeugt“, erklärt der Physiker. Diese Richtungen gäben Aufschluss über die atomare Struktur.

„Zusätzlich gehen wir aber einen Schritt weiter: Wird ein Photon gestreut, sind weitere zehn absorbiert worden. Sie haben dabei ein Elektron aus diesem Atom ionisiert. Das fällt danach wieder über mehrere Stufen in seinen Ursprungszustand zurück und gibt dabei seinerseits Photonen ab. Die nehmen wir mit einem Sekundärspektrometer auf und können so Informationen über die momentane elektrische Konfiguration bekommen. So lernen wir nicht nur, wie die Struktur momentan aussieht, sondern auch, was genau vor sich geht“, erläutert Bressler. Dank der Intensität der Lichtblitze könne man mit nur einem Schuss ein ganzes Experiment erledigen.

Riesige Datenmengen brauchen innovative Speicherlösungen

Damit sind aber auch bezüglich der Auswertung große Herausforderungen verbunden. Die Datenmengen werden explodieren, ist sich Bressler sicher: „Für unser Instrument rechnen wir allein mit 10 bis 100 GB pro Sekunde. Werden alle sechs Instrumente gleichzeitig betrieben, ist mit einigen Petabyte (1 PT = 1.000 TB) pro Jahr zu rechnen.“ Eine eigene IT-Gruppe arbeitet an Lösungen.

Mit dem XFEL wird Hamburg weltweit Maßstäbe setzen, denn 27.000 Blitze pro Sekunde schafft aktuell keine andere Anlage. Ebenso einmalig ist die Dimension. „Wir stehen da im intellektuellen Austausch, aber auch im Wettstreit mit Kollegen von anderen Beschleunigern“, so Sektionsleiter Hoffmann. „Einige Jahre werden wir den Vorsprung halten. Es werden viele internationale Arbeitsgruppen kommen und diese Experimentiermöglichkeiten nutzen. Auch gute Ingenieure können wir immer gebrauchen. Immerhin können wir ein extrem spannendes Projekt bieten.“

Nicht zuletzt ist der neue Röntgenlaser auch der Beweis dafür, dass nicht jedes Hamburger Bauprojekt aus den Fugen gerät. Entgegen der Elbphilharmonie ist man beim European XFEL im Großen und Ganzen sowohl im Zeit- als auch im Budgetplan.