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.
Der gebürtige Westfale ist seit über 35 Jahren im Medienbereich tätig. Er studierte Geschichte und Holzwirtschaft und volontierte nach dem Diplom bei der „Hamburger Morgenpost“. Danach arbeitete er unter anderem bei n-tv und „manager magazin online“. Vor dem Wechsel zu aktiv leitete er die Redaktion des Fachmagazins „Druck & Medien“. Wenn er nicht für das Magazin „aktiv im Norden“ in den fünf norddeutschen Bundesländern unterwegs ist, trainiert er für seinen dritten New-York-Marathon.
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