Image: Licht an in HamburgFERCHAUFERCHAUArbeiten 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.