Reise in den Mittelpunkt ferner Planeten
Flüssiger Kohlenstoff lässt sich mit Hochenergielasern am European XFEL erzeugen, wie die neue „Physik in unserer Zeit“ erläutert.
Karen Appel
Wie ist die Erde entstanden? Welche Stellung nimmt unser Planet im Universum ein? Gibt es Leben auf Planeten außerhalb unseres Sonnensystems? Solche Fragen faszinieren Menschen seit jeher – mich eingeschlossen. Heutzutage können wir die extremen Druck- und Temperaturbedingungen, wie sie tatsächlich im Inneren von Planeten herrschen, im Labor nachstellen. Modernste Technik ist im Einsatz, um diese Zustände und Wechselwirkungen von Materie wissenschaftlich zu untersuchen und besser zu verstehen.
Die Schwierigkeiten, Materialien bei diesen extremen Bedingungen experimentell zu untersuchen, liegen zum einen darin, diese Zustände zu erzeugen, und zum anderen in deren Kurzlebigkeit. Die erste Herausforderung adressiert ein innovatives Forschungswerkzeug, das es uns erlaubt, extrem hohe Drucke und Temperaturen zu erreichen: diodengepumpte Hochenergie-Langpulslaser. Sie zeichnen sich durch hervorragende Wiederholraten bei gleichzeitig konstanter, hoher Leistung aus und ermöglichen es, reproduzierbar, extreme Bedingungen durch dynamische Kompression zu generieren.
Die zweite Herausforderung der Kurzlebigkeit der erzeugten Zustände kann dank der Entwicklung von Freie-Elektronen-Lasern (FELs) erfolgreich angegangen werden. Insbesondere FELs im harten Röntgenwellenlängenbereich haben neue Forschungsfelder für die Messung der Eigenschaften hochdichter Materie eröffnet. Sie erlauben Echtzeit-Beobachtungen, während die hochintensive Kompression erfolgt, und bieten wertvolle Informationen über elektronische und atomare strukturelle Veränderungen. Die Möglichkeit, verschiedene Längen- und Zeitskalen zu betrachten, macht diese Experimente besonders wertvoll.
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Der European XFEL (X-Ray Free Electron Laser) in Schenefeld bei Hamburg ist eine als internationales Gemeinschaftsprojekt von zwölf Partnerländern betriebene Forschungseinrichtung. Sie steht nationalen und internationalen Nutzergruppen über ein wissenschaftlich evaluiertes Antragsvergabesystem offen. Die Infrastruktur umfasst sieben Stationen, die für spezifische Experimente konzipiert sind, darunter die Experimentierstation HED-HIBEF für die Untersuchung von Materie unter extremen Bedingungen, die in der Materialwissenschaft, der Astrophysik und Fusionsforschung von Bedeutung sind. Durch die Kopplung des neuartigen Langpulslasers DiPOLE100-X mit der Röntgenstrahlung des European XFEL bei HED-HIBEF entstand eine weltweit einzigartige Experimentierstation, die Messungen der extremen Bedingungen mit einer Wiederholungsrate von 1 Hz erlaubt.
Das erste Nutzerexperiment mit DiPOLE100-X im Mai 2023 vereinte über 100 wissenschaftliche Nutzerinnen und Nutzer. Das internationale Team kam für etwa eine Woche zusammen und testete und nutzte den Aufbau für ihre Arbeit. Zuvor hatte sich das Team auf vier besonders interessante und anspruchsvolle Anwendungsgebiete geeinigt, darunter die Untersuchung von Kohlenstoff, einem zentralen Element für Technik, Leben und Planetenphysik. In dem Experiment gelang es, flüssigen Kohlenstoff für eine kurze Zeit herzustellen und erstmalig seine Struktur zu untersuchen, die Ergebnisse stellen Dominik Kraus und Ulf Zastrau in diesem Heft vor. Diese Ergebnisse sind ein wissenschaftlicher Durchbruch und von herausragender Bedeutung für Astrophysik, Fusionsforschung sowie Materialforschung. Außerdem bieten sie eine wichtige Grundlage, um den Aufbau zukünftiger Experimente zu gestalten.
Seit diesem ersten Nutzerexperiment wurde die Methode weiterentwickelt, etwa indem Messung sowie Datenaufnahme und -auswertung bis zu einem gewissen Grad standardisiert wurden. Infolgedessen hat sich der Zugang zu diesen komplexen Experimenten entscheidend vereinfacht und erlaubt nun auch kleineren Forschungsteams mit sehr spezifischen Anwendungen, das Gerät für kürzere Zeiträume zu nutzen.
Ich bin sehr gespannt auf die nächsten Kapitel der Reise: mit Experimenten, die uns weitere Aspekte des Inneren von Planeten erschließen, und mit neuen Erkenntnissen in der Materialforschung mit vielfältigen Anwendungen bis hin zur Fusionsforschung.
