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XFEL macht Hamburg zum Lichtforschungsstandort Nummer 1

Der Laser ermöglicht einzigartige Beobachtungen, erläutert der Leitende Wissenschaftler Christian Bressler in den Hamburg News

Atome sind unfassbar klein und bewegen sich unfassbar schnell. Festzustellen, was genau während dieser Bewegung geschieht, ist also nicht ganz leicht zu erforschen. Professor Dr. Christian Bressler und sein Team beim „Instrument FXE“, nehmen genau dies nun in Angriff. FXE steht für „Femtosecond X-ray Experiments“ und eine Femtosekunde entspricht in etwa der kürzesten Zeiteinheit für alle chemischen Prozesse – dem Billiardstel einer Sekunde. „Eine Femtosekunde ist eine Zeiteinheit in der sich ein Atom, auch wenn es noch so explosiv reagiert, so gut wie gar nicht bewegt“, erläutert der Leitende Wissenschaftler Bressler in einem Gespräch mit den Hamburg News. Und um diese präzise Momentaufnahme geht es.

Erforschung von sehr schnellen Prozessen und Herstellung von Molekülfilmen

Nachdem der größte Röntgenlaser der Welt, der European XFEL, am 4. Mai 2017 die ersten ultrakurzen Lichtblitze erzeugt hat, war der letzte große Meilenstein vor der offiziellen Inbetriebnahme am 1. September erreicht. Das Instrument FXE ist nun eines der beiden ersten Experimente, die in Betrieb gehen. FXE ermöglicht die Erforschung von sehr schnellen Prozessen und letztlich sogar die Herstellung von Molekülfilmen – also die Bestandsaufnahme der vielen Zwischenschritte während einer schnellen chemischen Reaktion, die wie in einem Film festgehalten werden, um die einzelnen Reaktionsschritte sehr genau beobachten zu können.

Anregen und 'Fotografieren’

Das alles findet in der Experimentierhalle im schleswig-holsteinischen Schenefeld statt. Das Instrument FXE ist in einem bleiummantelten Raum in Besprechungsraumgröße untergebracht, neben einem ´Mission Control Center` mit einer Vielzahl hochwertiger Server, Rechner und Monitoren. Wegen der intensiven Röntgen-Strahlung im eigentlichen Experimentierraum können die Wissenschaftler während der Experimente nicht in den Räumen bleiben, die Experimente werden somit vom Kontrollraum aus ferngesteuert betrieben.

Ein dritter Raum ist einem optischen Laser vorbehalten, der mit rotem, grünem oder blauem Lichtblitzen – also Licht in unterschiedlicher Wellenlänge – die zu untersuchenden biochemischen Prozesse anregt, indem das Licht im Experimentierraum auf die Probe geleitet wird. Der Röntgenlaser wird dann ultrakurze Blitze auf die angeregte Probe senden und der momentane Reaktionszustand wird so quasi ´fotografiert`. Der Professor vergleicht das Prozedere mit einer Diskothek mit Stroboskoplicht, das uns Standbilder in kurzen Abständen suggeriert, die nacheinander den Tanzablauf abbilden.

Abläufe beobachten und verstehen

„Nach der Anregung mit Femtosekunden-Laserlicht bewegen sich die Moleküle alle gleich auf diesen kurzen Zeitskalen“, erläutert Bressler und der FXE zeichnet das stereotype Verhalten in bestimmten Zeit-Abständen auf. „Das wiederholen wir wahnsinnig oft und führen dann diese gestochen scharfen Standbilder zusammen zu einer Art Film. So können wir das Verhalten der Moleküle exakt beobachten.“ Doch Bressler und sein Team wollen nicht nur ´Dokumentarfilmer` sein. „Wir wollen die Abläufe in der Natur nicht nur dokumentieren, sondern vor allem auch verstehen, warum sie sich so bewegen, wie sie das eben tun.“

„Die Kraftgewalt liegt in der Beobachtungsquelle“

Das ist dank der Kombination der beiden Laser – der eine optische, der anregt, und der andere, der ultrakurze Röntgen-Blitze zum 'Fotografieren’ aussendet – nun erstmals möglich. Die Erkenntnisse, die auf Basis dieser Beobachtungen getroffen werden können, lassen sich in vielen verschiedenen Bereichen anwenden. Von der Erforschung von Krankheitsprozessen auf molekularer Ebene über Energieforschung bis hin zur Optimierung chemischer Verfahren. „So können wir beispielsweise einen Kandidaten für ein neues Medikament untersuchen und schauen, was auf molekularbiologischer Ebene konkret geschieht.“ Das wäre der erste Schritt hin zu Aussagen über etwaige Nebenwirkungen. „Die Kraftgewalt liegt heute jedoch vor allem in der Beobachtungsquelle: Dem Röntgenlaser.“ Den Prozess auf Basis dieser Beobachtungen zu optimieren sei aktuell noch Zukunftsmusik, „ist aber selbstverständlich ein Ziel“, so Bressler.

Internationale Expertise und weltumspannender Austausch

An den Beobachtungen ist ein international zusammengesetztes Team von aktuell 12 Wissenschaftlern und Doktoranten aus sieben Ländern beteiligt. Das Zusammenspiel von unterschiedlichen Denkansätzen und frischen Ideen aus aller Welt ist die Basis für Fortschritt und Entwicklung, ist Bressler überzeugt. „Ich wäre nicht der stolze Leiter, der das FXE in Betrieb nimmt, ohne meine eigenen verschiedenen Auslandsaufenthalte. Aber noch wichtiger für unseren Erfolg sind meine Mitarbeiter, die zum Teil aus den verschiedensten Winkeln der Welt kommen.“ Durch den weltumspannenden Austausch wird die nötige Fantasie, Neues zu denken, inspiriert „und wenn eine spezifische Expertise am Standort nicht vorhanden ist, dann holen wir die Menschen aus aller Welt hier nach Hamburg.“

Am European XFEL arbeiten zu dürfen, ist ein grandioses Lockmittel. „Entscheidend für unseren wissenschaftlichen Erfolg ist jedoch nicht nur, woher die Mitarbeiter stammen, sondern, wo sie überall sonst vorher gewesen sind! Es ist inspirierend, die unterschiedlichen Herangehensweisen an wissenschaftliche Probleme mit zu berücksichtigen, bevor wir etwas Neues aufbauen.“

Hamburg: Lichtforschungsstandort Nummer 1

Und wenn die Ergebnisse, die sich die Wissenschaftler von der Inbetriebnahme des FXE versprechen, so spektakulär werden, wie allgemein erwartet, „dann wird Hamburg weltweit zum Lichtforschungsstandort Nummer 1“, ist Bressler überzeugt. Schon heute jedenfalls ist sicher: Der European XFEL ist die hellste Röntgenquelle der Welt, und wird das auf Jahre hin auch bleiben. Hamburg wird somit weltweit leuchten – buchstäblich.
ys

Weitere Informationen unter:
www.xfel.eu

Über den European XFEL

In der Metropolregion Hamburg wird mit dem European XFEL eine Großforschungsanlage der Superlative in Betrieb genommen: 27.000 Röntgenlaserblitze pro Sekunde und eine Leuchtstärke, die milliardenfach höher ist als die der besten Röntgenstrahlungsquellen herkömmlicher Art, werden völlig neue Forschungsmöglichkeiten eröffnen. Forschergruppen aus aller Welt können an dem europäischen Röntgenlaser atomare Details von Viren und Zellen entschlüsseln, dreidimensionale Aufnahmen im Nanokosmos machen, chemische Reaktionen filmen und Vorgänge wie die im Inneren von Planeten untersuchen. Der European XFEL wird an diesem Freitag (1. September) feierlich eröffnet.

Die European XFEL GmbH ist eine gemeinnützige Forschungsorganisation, die eng mit dem Forschungszentrum DESY und weiteren internationalen Institutionen zusammenarbeitet. Sie beschäftigt rund 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Mit Kosten von rund 1,5 Milliarden Euro für Bau und Inbetriebnahme und einer Länge von 3,4 Kilometern ist der European XFEL eines der größten und ambitioniertesten europäischen Forschungsprojekte.
www.xfel.eu/de

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