Es ist selten, dass Wissenschaftler aus aller Welt nach Hamburg blicken. An diesem Donnerstag wird genau das geschehen: Der European XFel, der beste Röntgenlaser der Welt, startet nach sieben Jahren Bauzeit seinen Probebetrieb.

1,2 Milliarden Euro haben der Bund, Hamburg, Schleswig-Holstein und diverse internationale Partner in die Anlage investiert, die sich von Bahrenfeld unter Osdorf hindurch bis zum schleswig-holsteinischen Schenefeld erstreckt. Vereinfacht gesagt, liegt 36 Meter unter Hamburg nun die beste Kamera der Welt. Der Röntgenlaser kann Fotos und Filme von winzigen atomaren Details und extrem schnellen chemischen Reaktionen machen.

Das funktioniert so: Zunächst werden in einem Teilchenbeschleuniger Elektronen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit gebracht. Anschließend werden die Elektronen mit starken Magneten auf einen Slalomkurs gelenkt, wobei sie in jeder Kurve Tausende ultrakurze Röntgenblitze aussenden. Diese Blitze werden zu einem extrem starken Laserpuls gebündelt, der in der Experimentierhalle auf die zu untersuchenden Proben trifft – 27.000 Mal pro Sekunde, 1,6 Millionen Mal pro Minute. Der Laser ist dabei zehn Trilliarden Mal heller als die Sonne.

Am Ende entstehen auf diese Weise 3-D-Bilder im Nanobereich, also einem Millionstel Millimeter. Außerdem können Vorgänge wie das Zerbrechen oder Entstehen von Molekülen dokumentiert werden.

Dieser Artikel stammt aus dem Hamburg-Teil der ZEIT Nr. 42 vom 6.10.2016. Sie finden diese Seiten jede Woche auch in der digitalen ZEIT.

In den nächsten Monaten wird die Anlage nun ausgiebig getestet, ab Sommer können die ersten Wissenschaftler mit ihren Experimenten beginnen. Wir haben vier renommierte Forscher gebeten, uns zu erklären, woran sie arbeiten und warum sie es kaum erwarten können, XFel zu nutzen.

Prozesse in Zellen sichtbar machen

"Alle Prozesse und Funktionen von Zellen werden von einer Vielzahl von Proteinen und anderen komplizierten Molekülen durchgeführt: die Replikation der DNA und die Bildung neuer Proteine, das Abfeuern von Neuronen, die Kontraktion der Muskelfasern oder der Energiegewinn aus Nahrung. Das können wir mit sichtbarem Licht aber nicht erkennen. Dafür benötigt man etwas Stärkeres wie Röntgenstrahlen oder Elektronen. Je kleiner die Kristalle und komplizierter die Moleküle sind, desto stärker müssen die Röntgenstrahlen sein. Es gibt aber ein Problem, und an dessen Lösung arbeiten wir: Röntgenstrahlen sind schädlich, da sie Materie ionisieren und Bindungen brechen können. Es ist ein bisschen wie der Versuch, eine Nachricht auf lichtempfindlichem Papier zu lesen: Sie brauchen zwar das Licht, um die Nachricht zu lesen, gleichzeitig löscht das Licht aber langsam die eigentliche Nachricht. Wir können das Problem überwinden, indem wir sehr kurze Pulse aussenden. Das ist vergleichbar mit einem Blitzlicht, das schneller ist als die Zeit, die das Papier braucht, um darauf zu reagieren. Allerdings brauchen wir Millionen solcher Schnappschüsse, um ein Bild zu bekommen. XFel sendet bis zu 27 000 Pulse pro Sekunde. Wir können also innerhalb von Minuten Bilder erzeugen, für die wir bisher Tage oder Wochen gebraucht haben. Am Ende werden wir auch Reaktionen innerhalb von Molekülen filmen können. Das wird uns helfen, die molekulare Maschinerie des Lebens zu verstehen."

Prof. Dr. Henry Chapman, Deutsche Elektronen-Synchrotron (Desy) und Universität Hamburg

Festplatten beschleunigen

"Durch ultrakurze Laserpulse kann man in weniger als einem Millionstel einer Millionstel-Sekunde die Magnetisierung von Materialien auslöschen oder umschalten. Das ist für die Datenspeicherung auf einer Festplatte interessant, wo die Speicher-Bits "0" und "1" durch Plus und Minus codiert werden. Wenn wir die Bits nun mittels Lichtpulsen schreiben, anstatt wie bisher durch einen Elektromagneten, könnten sich Informationen deutlich schneller aufzeichnen lassen. Um aber die geeigneten Speichermedien zu entwickeln, müssen wir verstehen, welche grundlegenden Prozesse der Manipulation von Magnetisierung mit Lichtpulsen eigentlich zugrunde liegen. Dabei ist der XFel wichtig, denn dieser Laser produziert Röntgenstrahlung in bisher unerreichter Intensität. Dadurch können wir kleinere und schnellere Veränderungen der Magnetisierung besser verfolgen. Wir können einen Film dieser mikroskopischen Prozesse machen, auf dem wir nanometerkleine Strukturen und deren Veränderungen erkennen können."

Prof. Dr. Stefan Eisebitt, Max-Born- Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Berlin

Ferne Planeten besser verstehen

"In den vergangenen Jahren haben Wissenschaftler Tausende von Planeten in unserer Galaxie entdeckt, die um andere Sterne kreisen. Dadurch wissen wir, dass es verschieden große und schwere Planeten gibt, die alle unterschiedlich aufgebaut sind. In der Physik ist es schwierig, das immer nur von einem theoretischen Standpunkt aus zu verstehen. Während wir nie in die Tiefen der Sonne vordringen können oder ins Zentrum eines riesigen Planeten, können wir aber für Bruchteile von Sekunden im Labor ähnliches Material herstellen, es untersuchen und so mehr über seine Eigenschaften erfahren. Wir reden hier von dem Bruchteil einer Billionstel-Sekunde, dazu gibt es Temperaturen von Millionen von Grad und Druck so hoch wie zig Millionen von Atmosphären. Die heiße Hochdruck-Materie stellen wir mit Hochleistungslasern her. Wir können heute zehn Mal pro Sekunde einen winzigen Miniatur-Stern oder -Planeten erzeugen. Mit den XFel-Röntgenstrahlen können wir das von uns erzeugte Material untersuchen. Wenn die Strahlen auf unsere Proben treffen, streuen sie und verraten uns so die Anordnung der Atome, die Temperatur und vieles mehr. "

Prof. Justin Wark, Oxford University, England

Photovoltaik verbessern

"Durch unsere Forschung wollen wir verstehen, wie ein Molekül reagiert, wenn es durch Licht getroffen wird. Zum Beispiel, wenn es in einer Photovoltaik-Zelle sitzt oder wenn es sich um einen Teil des Chlorophylls in einem Blatt handelt. Die ultrakurzen Röntgenstrahlen-Pulse von XFel erlauben uns, Schnappschüsse von sich bewegenden Atomen zu machen, wenn sie Licht absorbieren, also etwa bei der Photosynthese, in der Photovoltaik – oder in unseren Augen. Diese atomaren Bewegungen sind so schnell, dass wir Röntgenpulse von etwa 100 Femtosekunden (also 0,0000000000001 Sekunden) brauchen, um sie abzubilden. Wir hoffen, etwa die Frage beantworten zu können, wie Proteine in einem Blatt das Sonnenlicht überleben können, während unsere Haut von der Sonne verbrannt wird. Oder wie wir in der Photovoltaik seltene, teure und giftige Metalle durch günstige, sichere Metalle ersetzen können. Verstehen wir, wie sich Atome bewegen, wenn Licht auf sie trifft, können wir helfen, die Solarenergie effizienter zu machen."

Prof. Martin Meedom Nielsen, Technische Universität Dänemark, Lyngby