Filme von chemischen Reaktionen, die sich in Sekundenbruchteilen abspielen. Bilder von Eiweißen, auf denen jedes Atom zu sehen ist. Aufnahmen von Nanowerkstoffen, bei denen sich feinste Einzelheiten erkennen lassen. Oder Einblicke in Materiezustände, wie sie im Inneren von Riesenplaneten oder Sternen existieren. Der Röntgenlaser European XFEL macht solche Experimente möglich.

Ein internationales Großprojekt

Der European XFEL, der in unterirdischen Tunnelröhren steht, ist über drei Kilometer lang und reicht vom DESY-Gelände in Hamburg bis ins schleswig-holsteinische Schenefeld, wo sich der Forschungscampus mit einer großen Experimentierhalle befindet. Das Milliardenprojekt ist ein internationales Unterfangen, für das mit der European XFEL GmbH eine eigene Gesellschaft gegründet wurde. Neben Deutschland sind elf weitere Staaten beteiligt.

DESY ist Hauptgesellschafter und arbeitet mit European XFEL beim Betrieb der Anlage eng zusammen. Gemeinsam mit internationalen Partnern hat DESY unter anderem das Herz der Röntgenlaseranlage gebaut – den 1,7 Kilometer langen supraleitenden Beschleuniger mit der Elektronenquelle, den DESY nun auch betreibt. Der Beschleuniger beruht auf der supraleitenden TESLA-Technologie, die DESY mit seinen Partnern im Rahmen der TESLA Technology Collaboration entwickelt hat. Mit dem Freie-Elektronen-Laser FLASH betreibt DESY seit 2005 einen 300 Meter langen Prototyp des European XFEL, der auf der gleichen Technologie beruht.

Lichtquelle der Zukunft

Der Beschleuniger des European XFEL bringt Elektronen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit und schickt sie anschließend durch lange Undulatoren. Diese Spezialmagnete zwingen die Elektronen auf Slalombahnen, wodurch die Teilchen extrem kurze und starke Röntgenblitze aussenden. Anders als die Röntgenpulse aus einem Speicherring haben diese Blitze Lasereigenschaften – was bestimmte Experimente erst möglich macht, etwa die Aufnahme von Hologrammen.

Auch in Japan und den USA gibt es ähnlich große Röntgenlaser. Der European XFEL war die erste dieser Anlagen mit supraleitendem Beschleuniger. Bis dahin konnten Röntgenlaser nur relativ wenige Lichtblitze pro Sekunde erzeugen. Der European XFEL dagegen schafft 27 000 Blitze pro Sekunde – für manche Experimente ein entscheidender Vorteil.

Einzigartige Einblicke in den Mikrokosmos

Den Superlaser nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der verschiedensten Fachdisziplinen: In den Lebenswissenschaften liefert er detaillierte Bilder von Zellbestandteilen, einzelnen Eiweißmolekülen und Viren. Die Ergebnisse helfen bei der Krankheitsbekämpfung und dem gezielten Design von Medikamenten. In der Chemie können Forschende Reaktionen filmen und dabei wie in Zeitlupe erkennen, wie einzelne Atome miteinander reagieren. Mit diesem Wissen lassen sich beispielsweise industriell relevante Katalysatoren optimieren.

In der Physik und den Materialwissenschaften helfen die Untersuchungen, den genauen Aufbau von Nanomaterialien zu studieren – wichtige Werkstoffe für die Zukunft, etwa für effektivere Solarmodule und Brennstoffzellen sowie für künftige Datenspeicher. In der Astrophysik nehmen Forschende extrem heiße und stark zusammengepresste Materieproben unter die Lupe. Damit lernen sie, wie es im Inneren von Sternen und Planeten aussieht und inwieweit sich Fusionsprozesse als neue Energiequelle eignen.