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Mit dem europäischen Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFEL) ist in Hamburg die weltweit leistungsstärkste Anlage dieser Art in Betrieb gegangen. Was wird sie uns bringen?
Im letzten Jahrhundert haben wir raffinierte Methoden entwickelt, um mit Röntgenstrahlen den atomaren Aufbau von Kristallen zu entschlüsseln. Wir verstehen heute die Struktur und Eigenschaften von Kristallen mit höchster Präzision. Dazu zählen faszinierende Strukturen wie die der DNS, der molekularen Maschinerie der Vererbung, in der unsere Gene verschlüsselt sind, und die des Ribosoms, die den molekularen Code der DNS zur Synthese der Proteine ausliest. Die Röntgenkristallographie ist so Wegbereiter vieler moderner Technologien, von Information und Kommunikation zu Transport, Medizin und modernen Energiekonzepten.
Die neuen Materialien jedoch, die wir morgen zur Lösung der großen Herausforderungen in allen Schlüsseltechnologien dringend benötigen und vermutlich auf molekularer Ebene maßschneidern müssen, werden ein neues Niveau an Komplexität erreichen. Um deren Funktionen auf der Quantenebene zu kontrollieren, müssen wir einen neuen Zugang zu den intrinsischen Längen- und Zeitskalen von Quantenphänomenen finden.
Wir stehen damit vor einer ganzen Reihe von gewaltigen Herausforderungen, die viele ungelöste Fragen aufwerfen, etwa: Können wir
•eine Kristallographie für ungeordnete Materie mit vergleichbarer Raffinesse entwickeln, wie wir es für Kristalle geschafft haben?
•der Bewegung von Molekülen während chemischer, katalytischer und biochemischer Reaktionen in Echtzeit folgen?
•die Struktur von Materie weitab vom thermischen Gleichgewicht entschlüsseln?
Die lokale molekulare Dynamik auf den relevanten Längen- und Zeitskalen untersuchen zu können, galt seit langer Zeit als ein „Heiliger Gral“ der Wissenschaft. Eine dafür geeignete Röntgenlichtquelle erschien als weitere futuristische Traumvorstellung. Im letzten Jahrzehnt ist sie aber Wirklichkeit geworden in Gestalt von Röntgen-Freie Elektronen-Lasern (XFEL).
Abb. 1 Der zwei Kilometer lange Linearbeschleuniger des European XFEL besteht aus supraleitenden Beschleunigermodulen (gelb). Das Foto zeigt eine Montagesituation: In einem kleinen mobilen Reinraum verbindet ein Techniker zwei benachbarte Module (© European XFEL).
Diese werden von großen Linearbeschleunigern getrieben. Die produzieren feinste Bündel hochenergetischer Elektronen, die ihrerseits dann eine viele hundert Meter lange Anordnung von abwechselnd gepolten Magneten durchlaufen und dabei das begehrte Laserlicht im Röntgenbereich aussenden. Die russischen Theoretiker Evgeny Saldin und Anatoli Kondratenko sagten diesen „SASE (Self-Amplified Stimulated Emission)-Prozess“ 1980 in einer bahnbrechenden Arbeit vorher. Saldin konnte nicht ahnen, dass er damit die Forschungsagenda weltweit verändern würde.
1990 beschloss DESY mutig, eine erste SASE-Testanlage zu bauen, den weltweit ersten Röntgenlaser, der heute unter dem Namen FLASH läuft. Bald danach folgten der amerikanische Röntgenlaser in Stanford und die japanische Variante, die seit einigen Jahren wissenschaftliche Highlights im Wochentakt veröffentlichen. Heute sind in vielen Ländern Röntgen-FELs im Bau und im Betrieb.
Der weltweit leistungsfähigste Röntgenlaser hat im September letzten Jahres in Hamburg seinen Betrieb aufgenommen: Der Europäische Röntgenlaser XFEL ist mit einer neuen supraleitenden Beschleunigertechnologie ausgerüstet; Winfried Decking, Hans Weise und Ilka Flegel stellen ihn in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit. Diese einzigartige internationale Großforschungsanlage ermöglicht uns, noch viel tiefere Einblicke in die Geheimnisse von Materie zu erlangen als mit jeder anderen Maschine zuvor.
Der European XFEL hat das Potenzial für bahnbrechende Entdeckungen namentlich in der Chemie und Biochemie: Weil er sehr helle Röntgenblitze generiert, ist er besonders zur Untersuchung von schnellen Prozessen in stark verdünnten Systemen geeignet. Das könnte uns beispielsweise erlauben, die extrem kurzlebigen Übergangszustände bei katalytischen Reaktionen nachzuweisen, was molekular maßangefertigte Katalysatoren ermöglichen würde. Ein Paradebeispiel, was wir an wissenschaftlichen Errungenschaften erwarten können, haben uns die Pionierarbeiten von Henry Chapman (DESY und Universität Hamburg) zur Entwicklung der Seriellen Femtosekundenkristallographie geliefert. Diese ermöglicht einen Paradigmenwechsel in der Entschlüsselung von biomolekularen Strukturen und Prozessen.
Ich bin überzeugt, dass uns der Europäische Röntgenlaser in den nächsten Jahren ein Füllhorn an Entdeckungen und faszinierenden Einblicken in den Maschinenraum der Nanowelt liefern wird.
Helmut Dosch, DESY, Hamburg
Dieses Editorial des Vorsitzenden des DESY-Direktoriums kommentiert einen Artikel über den European XFEL von Winfried Decking, Hans Weise und Ilka Flegel. Beide Artikel sind in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen und stehen bis Ende 2018 zum freien Download zur Verfügung (s. Originalveröffentlichungen).
