Wie das Licht am Ende des Tunnels entsteht

Unter der Erdoberfläche zwischen Hamburg und Schleswig-Holstein erzeugt eine einzigartige Maschine das intensivste Röntgenlicht der Welt. Physiker, Biologen, Chemiker und Mediziner aus aller Welt treffen sich hier, um Entdeckungen zu machen, die unsere Zukunft bestimmen werden.

Es gibt sie zahlreich: Die Dinge, die wir Menschen nicht sehen. Weil sie zu schnell sind. Weil sie zu klein sind. Oder weil sie sich tief im Inneren von Undurchdringbarem abspielen. Theoretisch können wir sie zwar verstehen und beschreiben – Moleküle zum Beispiel, und ihre Reaktionen miteinander. Aber wieviel mehr könnten wir erfahren, wenn wir diese Dinge beobachten oder sogar fotografieren könnten? Dafür brauchen wir ein Blitzgerät mit extrem kurzer Wellenlänge, kürzester Pulslänge und hoher Wiederhol­frequenz: Ein Röntgenlicht-Stroboskop, so kurzwellig und schnell, wie noch nie zuvor vom Menschen erschaffen.

Der „European X-Ray Free-Electron Laser“ (European XFEL), ein unterirdischer Teilchenbeschleuniger, meistert diese Herausforderung. Seine Forschungs­möglichkeiten sind einzigartig. Er beginnt auf dem Campus des deutschen Forschungs- und Beschleuniger­zentrums „Deutsches Elektronen Synchrotron“ (DESY) in Hamburg-Bahrenfeld. Von dort aus beschleunigt er auf einer unterirdischen 3,4 Kilometer langen Rennstrecke freie Elektronen auf irrsinnige Geschwindigkeiten, um Röntgen­laserblitze zu erzeugen.

Diese ermöglichen in Schenefeld in Schleswig-Holstein Experimente, von denen Physiker, Biologen, Chemiker und Mediziner bislang nur träumen konnten. Es geht um die großen Menschheits­fragen von der Entstehung unseres Planeten bis zum Sieg gegen den Krebs. Wie das geht? Um das zu zeigen, steigen wir in den Untergrund und folgen einem Elektronenpaket.

In Hamburg, in einer Halle unter dem DESY steht der Elektroneninjektor. Unter den blauen Spulen verbirgt sich die Elektronenquelle.
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Elektronen­kanone

38 Meter unter der Erdoberfläche gibt die Elektronen­kanone den Startschuss. In ihrem hohlen Inneren schießt ein ultravioletter Laser genau kalkulierte Blitze auf eine Elektrode. Sein Licht löst einen Schauer von Elektronen aus. In den Hohlräumen beschleunigt und paketiert ein Hoch­frequenzfeld die Elektronen. Das Magnet­feld der deutlich erkennbaren blauen Spulen hält sie auf der Bahn und schickt sie in einer Vakuum­röhre Richtung Experimentier­halle in Schenefeld.

Pro Sekunde verlassen bis zu 27.000 praktisch identische Elektronen­pakete die Kanone.

Das ist die Grund­voraussetzung, um am Ende des Tunnels ein perfektes Röntgen­stroboskop für die Experimente zu haben. Jeder noch so kleine Unter­schied der Pakete würde die Daten der Forscher*innen beeinträchtigen.

Hochfrequenz­felder katapultieren die Teilchen durch die ersten 70 Meter der Strecke, direkt auf die Module eines Linear­beschleunigers zu. Sie haben schon jetzt eine Energie von 130 Mega­elektronen­volt und ein Tempo von 99,9992 Prozent der Licht­geschwindigkeit. Doch jetzt geht es erst richtig los.

In diesen knallgelben Röhren des Linearbeschleunigers bekommen die Elektronen geballte Energie.
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Linear­beschleuniger

Acht Hohlraumresonatoren stecken in einer zwölf Meter langen knallgelben Röhre. Jeder Resonator aus dem Metall Niob badet in flüssigem Helium, denn das bringt ihn auf tiefste Temperaturen. Bei -271 Grad Celsius liegt der elektrische Widerstand bei Null. Der Resonator ist dadurch supraleitend. Im Resonator schwingende Mikrowellen übertragen ihre Energie auf die Elektronen­pakete in der Vakuumröhre.

Hat ein Elektronenpaket ein Modul passiert, jagt es sofort zum nächsten – 96 Mal in Folge – denn so viele Beschleunigerelemente verbergen sich in diesem Streckenabschnitt unter der Erde.

So nah an der Lichtgeschwindigkeit passiert etwas Ungewohntes: Während die Geschwindigkeit in Kilometern pro Sekunde kaum noch zunimmt, steigt die Masse der Teilchen proportional zur Energie. Auf der gesamten Beschleunigerstrecke durchlaufen die Elektronenpakete 17,5 Gigaelektronenvolt.

27.000

Elektronen­pakete

jagen jede Sekunde durch diesen Tunnel.

Die Elektronen haben ein Tempo von bis zu

99,99999996

Prozent

Lichtgeschwindigkeit.

Licht kann

300.000

Kilo­meter

in der Sekunde zurücklegen.

Dieser Beschleuniger lädt die Elektronen mit

17,5

Giga­elektronen­volt (GeV)

auf. Das ist 175 x so stark wie
ein Blitz bei einem Gewitter.

Ein Modul misst

12

Meter

und beinhaltet
8 Hohlraumresonatoren.

-271

Grad Celsius

ist die Temperatur des Heliums an den Resonatoren.
Das ist kälter als die Temperatur des Weltraums.

96

knallgelbe Beschleunigerelemente
gibt es in diesem Tunnelabschnitt.
Sie liegen hintereinander.

Der Durchmesser des Tunnels, der vom DESY bis zum Hauptgebäude des European XFEL führt, liegt zwischen

5,30

und

4,60

Metern.

In diesem Tunnel dürfen sich unter strengen Sicherheitsbedingungen Wissenschafter*innen, Ingenieur*innen und Techniker*innen nur aufhalten,
wenn der Strahl ausgeschaltet ist.

Die Elementarteilchen befinden sich in einem Vakuumrohr innerhalb der Tunnelröhre. Die Röhre ist mit Stahlträgern an der Tunneldecke aufgehängt.

Die 2 Kilometer Beschleunigerstrecke
legen die Elektronen in

6,67

Mikrosekunden

zurück.

Im Betrieb verbraucht
die Maschine so viel Strom wie
1 komplette Kleinstadt oder

2

ICE

unter Volllast.

Fast geschafft!

Nachdem das Elektronenpaket den Linear­beschleuniger Modul für Modul hinter sich gelassen hat, bleiben nur noch 1.400 Meter bis zu den Stationen, an denen experimentiert wird. Höchste Zeit, das Röntgenlicht zu erzeugen. Da jede Experimentier­station das Licht mit ganz bestimmten Wellenlängen und Eigenschaften braucht, ist der Tunnel ab hier verzweigt, um die Elektronen­pakete in unterschiedliche Richtungen zu schicken.

Einblicke in den komplexen technischen Aufbau im Tunnel. Im Bild: Magnete (vorne) und ein Spiegel (mittig).

Aus der Vogelperspektive

Ein ausgeklügeltes System aus Magneten, Undulatoren und Spiegeln erzeugt, formt und verzweigt die Röntgenstrahlen über mehrere Stufen. Den Anfang macht der Elektronenverteiler unter dem Ortsteil Osdorf in Hamburg, in den wir uns einfach hineinklicken können!

Klicken Sie auf die Punkte:

Der Elektronenverteiler

Wenn die Pakete den Elektronenverteiler im Hamburger Ortsteil Osdorfer Born erreichen, haben sie 2.100 Meter in 6,67 Mikrosekunden zurückgelegt und sind mit einer Energie von 17,5 Gigaelektronenvolt aufgeladen. Hier verzweigt sich der European XFEL in zwei Tunnel.

Ein Magnet kickt einen Teil der Elektronen nach links, während andere den Kurs halten. Fliegen sie in das weiterführende Tunnelsystem, machen sie ziemlich bald die Bekanntschaft mit einem Undulator.

Nächste Zwischenstation: Der Undulator

Der Undulator

Der Undulator ist 200 Meter lang und mit Permanentmagneten bestückt. Diese sind so angeordnet, dass sich die Richtung ihrer Magnetfelder abwechselnd umkehrt. Die Kraft dieser Magnete würde reichen, das Gewicht von 375 Autos zu heben. Stattdessen üben sie ihre Kraft auf die winzigen Teilchen aus und zwingen die Elektronenpakete in einen Slalomkurs. Mit jeder Kurve geschieht, was geschehen soll: Die einzelnen Elektronen strahlen Energiebündel ab – hochenergetische, extrem kurzwellige Röntgenphotonen – die ersehnten Röntgenblitze.

Die Undulatoren befinden sich an drei verschiedenen Stellen, in dem sich immer weiter verzweigenden Tunnelsystem. Ein Durchflug passt die Lichtblitze speziell für die Experimente der Wissenschaftler*innen an. Eine Feinjustierung nimmt die Mannschaft per Fernsteuerung vom DESY vor.

Jetzt werden die Elektronen von den Photonen getrennt.

Die Elektronenablenkung

Die Photonen jagen als ersehnte Röntgenblitze auf die Experimentierstationen zu. Sie halten Kurs auf die Stationen in Schenefeld, wo die Forscher*innen sie für ihre Experimente erwarten. Die Elektronen hingegen haben ausgedient. Die beiden Elementarteilchen müssen also voneinander getrennt werden.

Dafür nutzt die Maschine die Tatsache, dass Photonen sich von Magneten nicht lenken lassen. Ein weiterer Hochleistungsmagnet sorgt für Ordnung. Sein Magnetfeld schickt die Elektronen an der nächsten Gabelung in eine Sackgasse. Die Photonen dagegen fliegen unbeirrt weiter.

Diese Magnetspulen aus Kupfer stecken in roten Stahlblöcken und dienen dazu, den Elektronenstrahl zusammenzuhalten.

Für einige Teilchen geht es weiter, andere werden in eine Sackgasse gelenkt.

Der Elektronenauffänger

Die Maschine erzeugt mit Hilfe der Elektronen die perfekten Photonen für die Experimente. Jetzt werden sie nicht mehr gebraucht. Magnete lenken sie in einen mit Graphit gefüllte Röhre unterhalb der Tunnel. Dort, nur 11 Mikrosekunden nach dem „Kick-off“ in der Elektronenkanone, wird der Elektronenstrahl kontrolliert abgebremst und absorbiert.

Nur durch die Elektronen konnten wertvolle Photonen erzeugt werden.

Die Photonenstrahlführung

Die Photonen jagen nun in drei verschiedenen Photonentunneln durch Vakuumröhren. Hier sind sie unter sich, ohne jegliche Interaktion mit Materie. Jedes Elektronenpaket hat in jeder Undulatorkurve Photonen genau gleicher Energie und Wellenlänge abgegeben. So entstehen Schwärme von Röntgenblitzen, die in exakt vorgegebener Frequenz aufeinander folgen. Ihre Energie ist so hoch und die Wellenlänge so kurz, dass dieses Licht fast alles durchdringt. Es lässt sich kaum noch lenken. Der Rest des Weges ist deshalb schnurgerade.

Falls die Richtung doch noch korrigiert werden muss, hilft ein Spiegel!

Oder aber es geht weiter zur Diagnostik

Der Spiegel

In jedem der schnurgeraden Tunnel korrigiert ein Spezialspiegel die Photonenbahn noch einmal minimal und richtet die Pulse exakt auf die Experimente der Wissenschaftler aus.

Jeder Spiegel ist ein Siliziumblock, der in einem Reinstraum im Hochvakuum steht. Er wurde fast ein Jahr lang poliert, bis seine größten Unebenheiten geringer waren als ein Milliardstel Meter. Das ist weniger als ein Fußabdruck am Strand im Vergleich zum Durchmesser der Erde. Das Ziel ist jetzt in Sichtweite, für die Röntgenlaserblitze geht es nun die letzten Meter zu den Instrumenten.

Jetzt ist der Strahl in der richtigen Position für die Experimentierstationen!

Die Diagnostik

Dieses Diagnosegerät misst das Spektrum und die Polarisation der Photonen in einer der Tunnelverzweigungen. Es identifiziert die Eigenschaften der Pulse: ihre Helligkeit, Polarisation und Wellenlänge, also Farbe. Es nennt sich Photoelektronen-Spektrometer. Andere Diagnostik-Geräte arbeiten mit Kameras, Filtern oder Kristallen.

Jetzt ist der Strahl bereit für die Experimente!

Die Experimentierhalle

In Schenefeld, unter dem Hauptgebäude von European XFEL, münden die drei Tunnelsysteme in eine gewaltige unterirdische Experimentierhalle. Hier, auf 4.500 Quadratmetern, betreiben interdisziplinäre Teams von Wissenschaftler*innen Grundlagenforschung – in einem Jahr bis zu 3.000 Nutzer aus aller Welt. Zurzeit stehen für die Versuchsanordnungen sechs Stationen zur Verfügung, vier weitere sind geplant.

Jede Station ist mit speziellen Instrumenten für das jeweilige Anwendungsgebiet ausgestattet. In einem Kontrollraum passen die Wissenschaftler*innen die Eigenschaften des Röntgenlichts exakt auf die Anforderungen ihres Experiments an. Im Inneren des Instruments treffen das Licht und die zu untersuchende Probe aufeinander.

Station für Hohe Energiedichte (HED) 

Ulf Zastrau ist Physiker und leitet die Forschungsgruppe HED (High Energy Density). Die Gruppe, das sind fast 20 Kolleg*innen: Techniker*innen und Ingenieur*innen, Wissenschaftler*innen, Doktorand*innen und Gäste aus anderen Instituten. Sie arbeiten an diesem Instrument mit sehr harter Röntgenstrahlung, Hochleistungs-Lasern und einer Hochdruckpresse aus Diamant.

Mit diesem Instrument versetzt das Team um Zastrau Materie in extreme Zustände – macht sie zum Beispiel besonders dicht oder besonders heiß. Damit simuliert es die Bedingungen wie sie im Inneren von Planeten herrschen, zum Beispiel im Zentrum der Erde. Die harten Röntgenblitze mit bis 25 Kiloelektronenvolt durchdringen diese Materieproben und zeigen, was sich in ihrem Inneren abspielt.

Dies ist ein Probenhalter im Vakuum. Hier stößt das Licht mit einer Wellenlänge von etwa 0,1 Nanometern auf die Probe und ermöglicht einen Einblick in ihre atomare Struktur. Die speziellen Proben, die während des Experiments in extreme Zustände versetzt werden, bringen die Forschungsteams in der Regel selbst mit.

„Hier im Labor lernen wir etwas über unser Universum. Bisher können wir viele exotische Zustände von Materie im Inneren von Planeten nur vermuten, zum Beispiel die Existenz von metallischem Wasserstoff oder Heliumregen in Wasserstoffgas. Es wäre phantastisch, diese Zustände mit HED zu erzeugen und experimentell erstmals nachweisen zu können.“

Station für Struktur und Dynamik von Materialien (MID)

Jörg Hallmann ist Physiker und stellt als Instrument-Wissenschaftler seinen Wissenschafts-Kolleg*innen die Station MID zur Verfügung, damit das Verständnis der Menschheit für die Natur wachsen kann. Insbesondere geht es an dieser Station um Festkörper und Flüssigkeiten.

Die Experimentierstation MID (Materials Imaging and Dynamics) ist auf die Erforschungen von Strukturen und Dynamiken im Nanometerbereich spezialisiert. Das Röntgenlicht ermöglicht detailreiche Nahaufnahmen, um die Struktur des Materials zu untersuchen und um Dynamiken – also das Verhalten und die Veränderungen von Strukturen in einem zeitlichen Ablauf zu beobachten. Die Materialien, die untersucht werden, sind vielfältig und reichen von metallischen Verbindungen über biologische Systeme bis hin zu Flüssigkeiten.

Im Kontrollraum kann Hallmann die Strahlung, die aus dem Tunnel kommt, genau an die Bedürfnisse seines Experiments anpassen. Das Licht des Röntgenlasers hat Wellenlängen von 0,05 bis 0,25 Nanometern und zeichnet sich durch einen hohen Grad an Kohärenz aus. Dadurch gelten die Messungen als besonders hochwertig.

Der Blick in die Probenkammer, in der die FEL Pulse auf die Proben treffen, zeigt hier eine Quarzkapillare mit in Wasser verdünnten Nanopartikeln. In dieser Vakuumkammer können verschiedene Probensysteme untersucht und unterschiedliche Zusatzinstrumente, wie gepulste Magneten oder Kühlkomponenten, implementiert werden.

„Unsere Forschung erweitert das Wissen über Materialarten. Zum Beispiel metallische Gläser: Sie sind härter als Stahl aber wesentlich leichter. In der Raumfahrt oder Medizin sind sie bereits im Einsatz, für den breiten Markt jedoch noch nicht verfügbar. Wir erhoffen uns breitere Anwendungsgebiete, denn leichtere und stabilere Bauteile führen zur Einsparung von Ressourcen und Energie.“

Station für Femtosekunden-Röntgenexperimente (FXE) 

Wojciech Gawelda ist Physiker und leitet eine Forschungsgruppe in Madrid, die auch am European XFEL forscht und sich auf Femtosekunden-Röntgen-Experimente, also Femtosecond X-Ray Experiments (FXE) spezialisiert hat. So werden ultraschnelle Prozesse auf atomarer Ebene sichtbar. Eine Femtosekunde dauert nur das Billiardstel einer Sekunde, eine unvorstellbar kurze Zeitspanne.

Für die Experimente an der FXE-Station arbeiten Forscher*innen mit harten, also sehr energiereichen, Röntgenstrahlen (5-20 Kiloelektronenvolt) um dynamische Prozesse in flüssigen und festen Materialien zu untersuchen. Das Team besteht aus acht weiteren Wissenschaftler*innen und drei Ingenieuren.

Zu den möglichen Anwendungsfeldern zählt die Photovoltaik und die Photokatalyse. Dafür werden molekulare Materialien am FXE-Instrument untersucht. So geht es zum Beispiel um die Erzeugung synthetischer Moleküle, die in der Lage sind, Sonnenlicht effizient in elektrische oder chemische Energie umzuwandeln.

„Wenn wir noch besser verstehen, wie die Natur auf den mikroskopischen, beziehungsweise molekularen Raum- und Zeitskalen funktioniert, können wir die Wandlung von Sonnenenergie in Strom erheblich verbessern.“

Diese Aufnahme gelang unserem Fotografen Jan Hosan im Jahr 2019 an der Experimentierstation FXE. Es ist das erste Bild, das den XFEL-Röntgenstrahl sichtbar macht. Gelungen ist das nur durch eine extrem lange Belichtung bei völliger Dunkelheit und durch Anregung der Stickstoffmoleküle in der Luft.

Station für Partikel, Cluster und Biomoleküle (SPB/SFX)

Was genau geht in biologischen und biochemischen Systemen vor sich? Der Biologe Adam Round arbeitet als Wissenschaftler an der Experimentierstation für Einzelteilchen, Cluster, Biomoleküle und serieller Femtosekunden-Kristallographie (SPB/SFX). Mit ihm zusammen unterstützen 23 Kolleg*innen die Nutzer*innen des Instruments, um Antworten auf diese Frage zu finden.

Hier wird ein 3-D-Film von biochemischen Reaktionen in Biomolekülen, Viren oder Zellen aufgenommen. Jeder Puls liefert ein Beugungsbild der kristallinen Probe. Dank der ultraschnellen Pulsfolge lassen sich selbst extrem schnelle Abläufe verfolgen.

„Wir legen die Grundlage für neue Technologien und verbesserte Medikamente zur Bekämpfung von Krankheiten. Außerdem wollen wir die Menge an CO2 in der Atmosphäre reduzieren. Darum ist es wichtig, die Mechanismen der Photosynthese zu verstehen. Wenn wir wissen, wie die Natur Energie aus Licht gewinnt, wäre eine wirklich grüne solarbasierte Energieproduktion möglich.“

Station für kleine Quantensysteme (SQS)

Rebecca Boll ist Wissenschaftlerin am Instrument für kleine Quantensysteme. Ein Quantensystem kann zum Beispiel aus einem einzelnen Atom oder Molekülen bestehen – also aus sehr kleinen Einheiten. Deren Wechselwirkung mit Licht möchten Boll und andere internationale Wissenschaftler*innen untersuchen. Für die Experimente arbeiten sie mit weicher Röntgenstrahlung (270 – 3.000 Elektronenvolt).

Am SQS-Instrument sind ganz unterschiedliche Experimente möglich. Was hier wie ein Objekt aus einem Museum für moderne Kunst aussieht, ist ein Versuchsaufbau, der alle Bestandteile von einzelnen Atomen oder Molekülen nachweisen kann. Dadurch erhoffen sich die Wissenschaftler*innen Erkenntnisse über die fundamentale Wechselwirkung von Licht mit kleinsten Teilchen, zum Beispiel über ultraschnelle Explosionen von Molekülen oder nichtlineare Prozesse, in denen ein einzelnes Atom viele Photonen absorbiert.

„In jedem einzelnen Objekt unserer Welt steckt Quantenphysik. Sehen kann man Quanteneffekte jedoch nur bei sehr, sehr kleinen Teilchen, wenn man ganz genau hinschaut. Das ist Grundlagenforschung auf sehr fundamentalem Niveau. Mit den Erkenntnissen können wir Phänomene, die es in der Physik, Chemie und Biologie gibt, erklären.“

Station für Spektroskopie komplexe Strukturen (SCS)

Robert Carley, Wissenschaftler an der Station SCS, betreut Forscher*innen, die ultraschnelle Dynamiken in kondensierter Materie, also in Festkörpern und Flüssigkeiten, durchleuchten möchten. Der hier eintreffende Röntgenblitz ist besonders weich (250 bis 3.000 Kiloelektronenvolt).

Dieses Instrument kann zum Beispiel den Magnetismus der metallischen Legierung Eisen-Rhodium (FeRh) mit einem kurzen Röntgenpuls anschalten. Mit Hilfe des Röntgenlichts untersuchen die Forscher*innen, was dabei passiert. Die Ergebnisse könnten vor allem für die Computerindustrie interessant sein.

„Eisen-Rhodium könnte ein sehr zukunftsträchtiges Material für neuartige Datenspeicher sein. Dafür wollen wir am XFEL mehr über die Wechselwirkung von Materie und Licht und vor allem die mikroskopischen Prozesse, die sich dabei abspielen, herausfinden.“

European XFEL

European XFEL ist eine nicht gewinnorientierte Forschungs­organisation. Um dieses Projekt auf die Beine zu stellen, schlossen sich 12 Länder zusammen. Am Bau des Projekts beteiligten sich zahlreiche Partner, darunter vor allem das Deutsche Elektronen-Synchroton (DESY), ein Forschungs­zentrum für naturwissenschaftliche Grundlagenforschung. Der wissenschaftliche Betrieb startete im Jahr 2017, mittlerweile arbeiten 500 Mitarbeiter*innen bei European XFEL. Die derzeit sechs Experimentier­stationen sind sehr gefragt. Weltweit können sich Wissenschafter*innen aus Forschung und Industrie für eine definierte Strahlzeit bewerben.


Fotografie: Jan Hosan