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Forschung auf höchstem Niveau

XFEL: Der größte Röntgenlaser der Welt

Er heißt XFEL und ist eine Ingenieursleistung der Superlative – der Röntgenlaser in Schenefeld bei Hamburg. AKTIV im Norden war vor Ort. Mehr über den Arbeitsplatz in 14 Meter Tiefe lesen Sie hier.

Kontrolle: Tobias Haas im Tunnelsystem unter dem Schenefelder EuXFEL-Gelände. Foto: Augustin

Kontrolle: Tobias Haas im Tunnelsystem unter dem Schenefelder EuXFEL-Gelände. Foto: Augustin

Vakuumtechnik: Die Ingenieurin Janni Eidam bei der Arbeit am Röhrensystem. Foto: Augustin

Vakuumtechnik: Die Ingenieurin Janni Eidam bei der Arbeit am Röhrensystem. Foto: Augustin

Vorarbeit: Chemikerin Katerina Dörner an einer Experimentier-Station. Foto: Augustin

Vorarbeit: Chemikerin Katerina Dörner an einer Experimentier-Station. Foto: Augustin

Unter der Erde: Ein Blick in das Tunnelsystem, das EuXFEL und DESY verbindet. Foto: Augustin

Unter der Erde: Ein Blick in das Tunnelsystem, das EuXFEL und DESY verbindet. Foto: Augustin

Aufbau: Physikerin Rita Graceffa bereitet eine Probe in der Vakuumkammer vor, die mit dem Laser untersucht werden soll. Foto: Jan Hosan

Aufbau: Physikerin Rita Graceffa bereitet eine Probe in der Vakuumkammer vor, die mit dem Laser untersucht werden soll. Foto: Jan Hosan

Das Ziel in Schenefeld: Das Hauptgebäude des XFEL-Areals mit der unterirdischen Experimentierhalle, in der das Tunnelsystem endet. Hier arbeiten die Wissenschaftler mit dem Strahl aus Hamburg. Foto: European XFEL

Das Ziel in Schenefeld: Das Hauptgebäude des XFEL-Areals mit der unterirdischen Experimentierhalle, in der das Tunnelsystem endet. Hier arbeiten die Wissenschaftler mit dem Strahl aus Hamburg. Foto: European XFEL

Der Start in Hamburg: Rechts ist der "Injektor" auf dem DESY-Gelände zu sehen, in dem die Elektronen für den XFEL erzeugt werden. Links beginnt das Tunnelsystem, durch das der Strahl nach Schenefeld schießt. Foto: European XFEL

Der Start in Hamburg: Rechts ist der "Injektor" auf dem DESY-Gelände zu sehen, in dem die Elektronen für den XFEL erzeugt werden. Links beginnt das Tunnelsystem, durch das der Strahl nach Schenefeld schießt. Foto: European XFEL

Wenn Janni Eidam morgens an ihren Arbeitsplatz will, muss sie tief unter die schleswig-holsteinische Erde. Rund 14 Meter mit dem Fahrstuhl, dann ist die junge Ingenieurin dort, wo ihre Expertise gebraucht wird. Sie gehört zum Team der Röntgenlaser-Anlage European XFEL (EuXFEL), die nördlich des Hamburger Forschungszentrums DESY liegt und im September 2017 offiziell in Betrieb ging.

Das Kürzel XFEL (gesprochen: Exfell) steht für „X-Ray Free-Electron Laser“, womit bereits gesagt ist, um was es geht: Röntgenstrahlen, freie Elektronen und Laserlicht. Das klingt erst mal unspektakulär, aber EuXFEL ist der stärkste Röntgenlaser der Welt – ein Instrument der Superlative, das den Wissenschaftlern einzigartige Möglichkeiten bietet.

Die Anlage in Schenefeld funktioniert ähnlich wie ein Mikroskop. Sie produziert – bis zu 27.000 Mal pro Sekunde – extrem helle Blitze aus kurzwelligem Licht, mit denen Materialproben „durchleuchtet“ werden, und ermöglicht so völlig neue Einblicke in atomare Strukturen.

Experimentierräume mit dicken Wänden aus Beton

Wie intensiv die eingesetzten Strahlen sind, wird klar, wenn man eine der unterirdischen Experimentierhallen unter dem Hauptgebäude besucht. Die „Instrumentenhütte“ ist eine 900-Tonnen-Konstruktion, gebaut aus Eisenbeton mit Wandstärken bis zu einem Meter Dicke.

Hier geht es um Forschung im Bereich „High Energy Density Science“ (HED), bei der Materie unter Extrembedingungen untersucht wird. „Die dicken Wände dienen dem Schutz der Wissenschaftler“, sagt XFEL-Sprecher Bernd Ebeling, „denn in diesem Teil kommt ein extrem starker optischer Laser zum Einsatz.“

Der Laser feuert in billiardstel Sekunden

Er hat eine Spitzenleistung von über 100 Terawatt, was der Leistung von einer Billion 100-Watt-Glühbirnen entspricht. Die Energie, die dabei frei wird, ist allerdings erstaunlich klein: Sie beträgt nur drei Joule – weniger also, als man theoretisch braucht, um einen Milliliter Wasser um ein Grad zu erwärmen.

Diese Menge reicht deshalb aus, weil die Lichtblitze so extrem kurz und fokussiert sind. Denn der Laser feuert jeweils nur wenige Femtosekunden (billiardstel Sekunden) lang auf einen winzigen Punkt, der kleiner als der Durchmesser eines Menschenhaares ist.

Luftleere Tunnelröhren und tiefgekühlte Supraleiter

Der Röntgenlaser hat seinen Anfangspunkt im „Injektor“ auf dem DESY-Gelände. Dort schießt ein Laser im Inneren einer Elektronenkanone starke Pulse aus UV-Licht auf eine Elektrode und löst so Elektronenpakete aus dem Metall heraus.

Diese werden durch elektromagnetische Wellen auf Höchstgeschwindigkeit beschleunigt und schließlich über Magnetstrukturen geschickt, in denen die Elektronen extrem intensives Röntgenlicht abgeben. Am Ende der 3,4 Kilometer langen Tunnel-Anlage erreicht das Röntgenlicht die unterirdische Experimentierhalle. Und hier kommt wieder Janni Eidam ins Spiel, denn sie ist Expertin für Vakuum-Technik.

Zwölf Meter lange Module

„Der Laserstrahl“, erklärt sie, „schießt durch lange Röhren, die luftleer sein müssen, damit es keine störenden Effekte gibt.“ Daher hängt das komplette Rohrnetz an speziellen Hochleistungspumpen, die ein nahezu vollkommenes Vakuum im System schaffen.

Auch für den Beschleuniger mussten die EuXFEL-Experten ganz eigene Lösungen entwickeln, um die nötige Leistung zu erreichen. Die Lösung: Man baute rund zwölf Meter lange Module, die sogenannte „Resonatoren“ aus hochreinem Niob enthalten. Diese Elemente werden mit flüssigem Helium auf -271 Grad Celsius gekühlt, wodurch sie zu Supraleitern werden, die den Strom ohne Leitungsverluste transportieren.

„Die meisten Lösungen, die hier zum Einsatz kommen, sind maßgefertigte Unikate“, sagt Tobias Haas, der als technischer Koordinator beim European XFEL arbeitet. „Solche Forschungsanlagen gibt es nicht von der Stange. Das ist Ingenieurskunst auf höchstem Niveau.“

Kein Wunder also, dass der Bau insgesamt acht Jahre dauerte und am Ende rund 1,5 Milliarden Euro kostete. Den Löwenanteil übernahm der Bund, gemeinsam mit Hamburg und Schleswig-Holstein. Zweitgrößter Geldgeber war der russische Staat, der etwa ein Viertel der Kosten beisteuerte. Den Rest brachten die übrigen Länder auf, die zum Kreis der XFEL-Partner zählen: Dänemark, Großbritannien, Frankreich, Italien, Polen, Schweden, die Schweiz, die Slowakei, Spanien und Ungarn.

Positive Bilanz nach dem ersten Jahr Forschungsbetrieb

Die Frage, ob sich der Aufwand gelohnt hat, beantwortet XFEL-Geschäftsführer Robert Feidenhans’l mit einem klaren Ja. „Ich bin sehr zufrieden mit dem, was wir in den vergangenen zwölf Monaten gemeinsam erreicht haben“, sagte er. „Unser Beschleuniger hat die vorgesehene Energie erreicht, und die ersten Ergebnisse, an denen viele engagierte Menschen beteiligt waren, sind sehr beeindruckend. Mehr hätte ich mir kaum wünschen können.“

Seit September 2017 sind mehr als 500 Experten aus über 20 Ländern nach Schenefeld gereist, um hier für je eine Woche zu forschen. „Die nächsten Wissenschaftler stehen schon Schlange“, so Sprecher Ebeling. „Für die kommenden Monate sind wir ausgebucht.“


Infokasten XFEL-Laser

So funktioniert die Analyse

Der Röntgenlaser (blau) „durchleuchtet“ die Probe, die zuvor von einem optischen Laser (rot) aktiviert wurde. Das gestreute Röntgenlicht wird von einem Detektorsystem aufgenommen (rechts), das danach aus den Daten Bilder errechnet.

Schema-Zeichnung einer Molekül-Untersuchung; Quelle: European XFEL
Schema-Zeichnung einer Molekül-Untersuchung; Quelle: European XFEL

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