Besuch im European XFEL, der Mega-Forschungseinrichtung in Hamburg

Mr. Beam

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Der European XFEL ist die aufwändigste Experimentierstätte Deutschlands: In einer 3,4 Kilometer langen Betonröhre zwischen Hamburg und Schleswig-Holstein beschleunigen Forscher Elektronen bis knapp vor Lichtgeschwindigkeit. Mit den freiwerdenden Röntgenstrahlen untersuchen sie Materialien und Moleküle. Unser Autor Urs Spindler hat sich in eine der bleiverkleideten Messhütten gewagt und dort Dr. Adrian Mancuso getroffen, der eins der ersten aktiven Messinstrumente betreut.

Autor

Urs Spindler

Fotos: Torben Weiss

Im Tunnel hält Dr. Adrian Mancuso zum ersten Mal inne. Der Physiker, den hier alle nur Adrian nennen, schaut in die Ferne, doch ein Ende der neon-weiß beleuchteten Betonröhre ist mit bloßem Auge nicht auszumachen. „Dieser Blick gibt mir immer wieder einen Eindruck von der Größe unseres Vorhabens“, sagt er. Auf brusthohen Stelen verläuft ein vielleicht zwei Finger dickes, mattes Metallrohr und verschwindet irgendwo in der Ferne. Durch dieses Rohr zucken seit kurzem regelmäßig 27.000 Röntgenlaserblitze pro Sekunde, die winzige Strukturen sichtbar machen – so detailliert wie kein anderes wissenschaftliches Instrument auf der Welt.

Präzisionsinstrument in der Größe eines U-Bahn-Tunnels

Das European XFEL ist eine internationale Forschungseinrichtung der Superlative: Die Leuchtstärke des „X-Ray Free Electron Laser“ ist ähnlich groß wie die vergleichbarer Projekte in den USA oder Japan, aber die Frequenz der Lichtblitze ist unerreicht. Für das Projekt wurde ein 3,4 Kilometer langer Tunnel vom Forschungszentrum DESY in Hamburg bis über die Landesgrenze nach Schleswig-Holstein gebohrt – kurz vor dem Übergang teilt sich der Tunnel in fünf Röhren, an deren Enden Messstationen zum Beispiel die Struktur von Bio-Molekülen untersuchen. Eine wissenschaftliche Präzisionseinrichtung und zugleich Deutschlands aufwändigste Experimentierstätte, die unterirdischen Gänge haben Maschinen gegraben, die normalerweise im U-Bahn-Bau eingesetzt werden.

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In der unterirdischen Messhütte werden die Röntgenblitze noch einmal fokussiert und in eine stählerne Proben-Kammer geleitet.

Einer dieser Tunnel endet bei Adrian Mancuso. Seit knapp sieben Jahre arbeitet der Forscher an der Entwicklung seiner Messstation. „Die meisten Menschen, die so ein wissenschaftliches Instrument bauen, tun das nur einmal in ihrem Leben“, sagt Mancuso. Er ist dem Ruf um die halbe Welt gefolgt: Geboren in Australien, nach der Promotion ein Forschungsauftrag in Los Angeles, dann zog er nach Hamburg.

“Shoot 'em in, blow' em up, measure the pattern“

Mancuso wohnt im hippen Stadtteil Altona, seine Frau Jess ist Künstlerin mit einem Atelier in der Nähe der gemeinsamen Wohnung. „Wir haben uns hier gut eingelebt. Ich mag die schönen Häuser, die vielen Cafés. Die Leute sind cool und ich kann überall mit dem Fahrrad hinfahren.“ Auch seinen täglichen Arbeitsweg aus Hamburg nach Scheenefeld legt Mancuso auf dem Rad zurück. Überhaupt ist er einer dieser Menschen, die immer in Bewegung sind. Ein sympathisches Kraftwerk, einen Kopf kleiner als die meisten seiner Kollegen aber definitiv der bunteste: Polohemd mit Palmenmuster, kurze Hose und Anzugschuhe mit rahmengenähter Sohle. Beim letzten Fernsehauftritt trug er Vans.

„So funktioniert der Röntgenlaser“

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  • So entstehen die Röntgenblitze: In der sogenannten „Gun“ schlägt ein Laser Elektronenpakete aus einem Metallstück. (Simulation: European XFEL)

  • Auf 1,7 Kilometer Strecke werden die Elektronen mit Hilfe von Magnetfeldern auf 99,9999999 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Sie reisen dann durch eine Leitbahn aus dem Schwermetall Niob. Damit das funktioniert, muss die Anlage auf minus 271 Grad Celsius heruntergekühlt werden, denn dann leitet das Metall die Elektronen fast ohne Widerstand. (Simulation: European XFEL)

  • Anschließend zwingen die Forscher die schnellen Elektronen auf eine Slalombahn, mithilfe einer Reihe unterschiedlicher gepolter Magneten (sogenannter Undulatoren). Dabei geben die Elektronen die gewünschte Röntgenstrahlung ab. (Simulation: European XFEL)

  • Der Großteil der Anlage befindet sich unter der Erde. Am Forschungszentrum DESY im Hamburger Stadtteil Bahrenfeld, das am European XFEL beteiligt ist, beginnen die Elektronen ihre Reise. Hinter der Hochhaussiedlung Osdorfer Born werden sie in fünf Tunnel verteilt, die in den Messhütten in Schenefeld enden. (Simulation: European XFEL)

  • So könnten Ergebnisse aussehen, die in den Detektoren der Messstation ermittelt werden: Bevor ein Molekül durch den Röntgen-Puls zerstört wird, streut es einen Teil der Strahlung. Aus dem entstehenden Muster können Wissenschaftler Rückschlüsse auf die Struktur des Moleküls ableiten. Dieses Muster ist eine Simulation, basierend auf dem Logo des European XFEL. (Simulation: European XFEL)

Bei aller Lockerheit ist er aber vor allem eins: Einer der führenden Wissenschaftler in seinem Feld. Sein Team aus Physikern, Ingenieuren und Technikern besteht mittlerweile aus mehr als 20 Spezialisten, sechs Kontinente sind vertreten. „Wissenschaftliches Denken verbindet und prägt uns – viel stärker als Nationalität, Geschlecht oder irgendein anderes Merkmal“, sagt Mancuso. Ihr gemeinsamer Arbeitsplatz ist die Messhütte, ein grauer Container in der großen, unterirdischen Experimentierhalle. In den Betonwänden stecken zwei Zentimeter dicke Bleiplatten, die jeden Rest der Röntgenstrahlung auffangen sollen.

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Die Forscher sind gut in der Zeit – trotzdem ist noch einiges zu tun, bis externe Nutzer das Messinstrument verwenden können.

Hinter einer Schleuse aus Kunststoffbahnen drängt sich an diesem Nachmittag fast das gesamte Team an den verschiedenen Stationen der Hütte. Die Röntgenblitze, die der kilometerlange Beschleuniger erzeugt, werden hier noch einmal fokussiert und in eine stählerne Proben-Kammer geleitet, wo sie auf das zu untersuchende Material treffen. „Shoot 'em in, blow 'em up, measure the pattern“, fasst Mancuso die Funktionsweise mit breitem australischen Akzent zusammen: Beim Beschuss mit den Röntgenblitzen wird die Probe zerstört. An der nächsten Station, dem Detektor, werden die Reflexe der Röntgenpulse gemessen.

Auf den Monitoren im benachbarten Kontrollraum sollen dann die Ergebnisse erscheinen. Eine Aufnahme des „First Beam“, der ersten Übertragung des Röntgenstrahls bis an das Ende des Tunnels, haben sich die Forscher gerahmt und an die Wand gehängt. Für den Laien sieht der Ausdruck aus wie bunte Bild einer Wärmekamera. „Wir machen hier keine Fotos“, erklärt Mancuso – aber jedes Bild hat eine mathematische Beziehung zur untersuchten Probe. Aus vielen tausend Aufnahmen lässt sich dann beispielsweise die Gestalt eines Moleküls errechnen, das nur wenige Millionstel Zentimeter groß ist.

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Viele Experimente sind Grundlagenforschung, zum Beispiel für die Medizin.

Die Arbeit am European XFEL ist Grundlagenforschung, aber mit vielen denkbaren Anwendungsfeldern. Wissenschaftler arbeiten zum Beispiel daran, die dreidimensionale Struktur von Viren aufzuklären – eine Basis um medizinische Behandlungsmethoden zu entwickeln. Ab Mitte September können Teams aus aller Welt den Beschleuniger nutzen. Die Messzeiten bis zum Jahresende sind schon lange ausgebucht – einschließlich Nachtschichten. Mancuso und seine Arbeitsgruppe sind dann so etwas wie das Heimteam. „Meine Leute steuern das Instrument“, sagt er. Bis dahin ist aber noch einiges zu tun: Techniker entwirren Kabelbahnen, Probeläufe mit Niedrig- und Starkstrom stehen an. Und auch Detektor, Kühlung, und Kontrollsystem werden noch weiter getestet.

Mancuso sitzt auf einem Tisch im Kontrollraum und lässt die Beine baumeln. Natürlich sei noch viel zu tun, sagt er, „aber wenn ich alles richtig gemacht habe, dann schafft das Team jetzt das meiste allein.“ Er selbst macht sich indes Gedanken über die Zukunft seines Instruments: Erste Erweiterungen sind schon geplant. Ganz normal, findet Mancuso. „Wissenschaft heißt für mich: Du willst immer noch etwas mehr schaffen.“

Mehr Infos findest du hier
www.desy.de und hier www.xfel.eu

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