Forschung in Hamburg: © www.mediaserver.hamburg.de/Norgenta
Beschleunigertunnel XFEL: © Desy

Einzigartige Experimente am Röntgenlaser European XFEL bewilligt

Neue Möglichkeiten für Materialforschung, ultraschnelle Chemie und Strukturbiologie bei Desy in Hamburg

Der Senat der Helmholtz-Gemeinschaft hat grünes Licht für die Beteiligung an neuartigen Experimentierstationen am Röntgenlaser European XFEL in Hamburg gegeben. Die „Helmholtz International User Consortia at the European XFEL“ werden mit knapp 30 Millionen Euro gefördert. Der größte Anteil fließt in das Projekt HIBEF (Helmholtz International Beamline for Extreme Fields), das die Station für Experimente bei hohen Energiedichten (High-Energy Density Science Instrument, HED) am European XFEL mit wesentlicher Instrumentierung ausstattet.

Weitere Mittel gehen in eine Experimentierstation für Serielle Femtosekundenkristallografie (SFX) und das Messinstrument h-RIXS für resonante inelastische Streuexperimente. Antragsteller für das internationale Nutzerkonsortium sind das Helmholtz-Zentrum-Dresden-Rossendorf (HZDR) und das Forschungszentrum DESY in Hamburg.

Untersuchungen unter Extrembedingungen

Ab 2018 sollen mit HIBEF Untersuchungen unter extremen Bedingungen wie hohen Drücken, Temperaturen oder elektromagnetischen Feldern möglich sein. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse lassen sich beispielsweise zur Verbesserung von Modellen der Planetenentstehung nutzen und bieten eine Grundlage für Fortschritte in der Fusionsforschung oder Innovationen in der Materialforschung. „Das internationale Interesse an dem gemeinsamen Extremlabor ist riesig“, freut sich Prof. Roland Sauerbrey, Wissenschaftlicher Vorstand des HZDR. „Rund 100 Einrichtungen haben bereits ihr Interesse bekundet.“

Das HZDR trägt eine Anlage zur Untersuchung von Materialien in höchsten Magnetfeldern und einen Hochleistungslaser für ultrakurze Lichtpulse bei, der Elektronen an der Oberfläche eines Materials auf einige Milliarden Grad erhitzen kann. So entsteht ein besonderer Zustand der Materie: ein Plasma aus Elektronen und Ionen. In speziellen, von DESY stammenden Diamant-Stempelzellen können extrem hohe Drücke von bis zu zehn Millionen Bar und Temperaturen von mehr als 1500 bis fast 10.000 Grad Celsius erzeugt werden.

Unterstützung aus Großbritannien

Die britische Oxford University und die britische Wissenschaftsorganisation „Science and Technology Facilities Council“ (STFC) steuern einen Hochleistungslaser basierend auf der DIPOLE-Technologie bei, der Materie in einen Zustand extremen Drucks und einer Temperatur von einigen 1000 Grad Celsius versetzen kann – vergleichbar mit Zuständen im Inneren von Planeten. „Hier betreten wir wissenschaftliches Neuland, denn wir machen Experimente möglich, die bisher nicht realisierbar waren“, betont Prof. Helmut Dosch, Vorsitzender des DESY-Direktoriums. DESY ist Konsortiumspartner und Hauptgesellschafter des European XFEL.

Das All auf der Erde

Extreme Bedingungen lassen sich allerdings immer nur für winzige Sekundenbruchteile erzeugen. Deswegen sind die äußerst kurzen und hochintensiven Röntgenlaserblitze des European XFEL bestens zu ihrer Analyse geeignet. „Die neue Station wird es uns ermöglichen, extreme Bedingungen aus dem All auf die Erde zu holen, um sie mit der Röntgenlaserstrahlung untersuchen zu können“, so Prof. Massimo Altarelli, Vorsitzender der Geschäftsführung von European XFEL. „Wir freuen uns sehr, dass die künftigen Nutzer so engagiert zur Entstehung einer führenden europäischen Forschungseinrichtung beitragen.“

Winzigste Biomoleküle im Fokus

Die Experimentierstation SFX (Serial Femtosecond X-ray Crystallography) bietet vollkommen neue Möglichkeiten, um die atomare Struktur und Funktion von Biomolekülen aus extrem kleinen Kristallen bestimmen zu können. Die Struktur dieser Biomoleküle ist elementar wichtig für deren Funktion und ihre Entschlüsselung von essentieller Bedeutung für die Erforschung der Bausteine des Lebens und das Verständnis von Krankheiten. Viele Biomoleküle lassen sich aber nicht zu größeren Kristallen züchten, wie sie für konventionelle Untersuchungsmethoden erforderlich sind.

Sie werden sich zukünftig mit hoher Durchsatzrate in SFX untersuchen lassen. Das internationale SFX-Konsortium wird von DESY angeführt und besteht aus Partnern aus Australien, Deutschland, Großbritannien, Schweden, Slowakei und USA.

Mit Hilfe von inelastischen Streuexperimenten wollen die Wissenschaftler den Ablauf chemischer Reaktionen in Echtzeit verfolgen, wobei die Forscher gezielt jeweils eine einzelne Atomsorte beobachten wollen Das „Heisenberg Resonant Inelastic X-ray Scattering“ (h-RIXS)-Konsortium besteht aus Wissenschaftlern aus Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, Schweden und der Schweiz.

Verborgene Vorgänge werden sichtbar

Geowissenschaften, Materialforschung, Astro- und Plasmaphysik sowie Strukturbiologie und superschnelle chemische Prozesse – die Kombination des European XFEL als Analysewerkzeug mit höchsten Magnetfeldern oder den Experimentiermöglichkeiten mit verschiedenen optischen Lasersystemen soll neue Erkenntnisse zu bisher verborgenen Vorgängen in Materie und Materialien ermöglichen. Die Entscheidung des Helmholtz-Senats vom 24. Juni 2015 hat den Weg dafür bereitet, die endgültige Freigabe der Finanzierung liegt bei den Zuwendungsgebern des Bundes und der Länder.
him

Quelle und weitere Informationen:
www.desy.de

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