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Eine Forschungseinrichtung der Superlative – Der Röntgenlaser European XFEL

European XFEL ist eine internationale Forschungseinrichtung der Superlative: 27 000 Lichtblitze pro Sekunde mit einer Leuchtstärke, die milliardenfach höher ist als die der besten Röntgenstrahlungsquellen herkömmlicher Art, eröffnen vielfältige neue Forschungsmöglichkeiten. Wissenschaftlerteams aus der ganzen Welt untersuchen am European XFEL Strukturen im Nanobereich, ultraschnelle Prozesse und extreme Materiezustände, nehmen dreidimensionale Bilder von Viren und Proteinen auf und können chemische Reaktionen filmen.

Der Röntgenlaser European XFEL befindet sich in unterirdischen Tunnelröhren und Hallen, ist über drei Kilometer lang und reicht vom DESY-Gelände in Hamburg bis ins schleswig-holsteinische Schenefeld, wo sich der European XFEL Forschungscampus mit einer großen Experimentierhalle befindet (Bild 1). Das Milliardenprojekt ist ein internationales Unterfangen,  an dem neben Deutschland sind elf weitere Staaten beteiligt sind, darunter Russland, Frankreich und Italien. DESY ist Hauptgesellschafter und arbeitet mit European XFEL beim Betrieb der Anlage eng zusammen. Gemeinsam mit internationalen Partnern hat DESY unter anderem das Herz der Röntgenlaseranlage gebaut – den 1,7 Kilometer langen supraleitenden Beschleuniger mit der Elektronenquelle, den DESY nun auch betreibt. 

Der Beschleuniger des European XFEL bringt Elektronen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit und schießt sie anschließend durch lange Undulatoren. Diese Spezialmagnete zwingen die Elektronen auf Slalombahnen, wodurch die Teilchen extrem kurze und starke Röntgenblitze aussenden. Anders als die Röntgenpulse aus einem Speicherring haben diese Blitze Lasereigenschaften – was bestimmte Experimente erst möglich macht, etwa die Aufnahme von Hologrammen.

Von dem neuen Superlaser profitieren Forscher der verschiedensten Fachdisziplinen: Biologen nehmen detaillierte Bilder von Zellbestandteilen, einzelnen Eiweißmolekülen und Viren auf. Die Ergebnisse können bei der Krankheitsbekämpfung und dem gezielten Design von Medikamenten helfen. Chemiker filmen Reaktionen und erkennen dabei wie in Zeitlupe, wie einzelne Atome miteinander reagieren. Mit diesem Wissen lassen sich beispielsweise industriell relevante Katalysatoren optimieren.

Physiker und Materialwissenschaftler studieren den genauen Aufbau von Nanomaterialien – wichtige Werkstoffe für die Zukunft, etwa für effektivere Solarmodule und Brennstoffzellen sowie für künftige Datenspeicher. 

Seit dem Baubeginn 2014 wurden nach und nach Genkinger-bAKA Spezialgeräte eingesetzt. Das erste Gerät war ein Kranfahrzeug, das kompakt genug sein musste, um mit einem Aufzug in den Tunnel heruntergefahren zu werden. Der Tunnel war zu dem Zeitpunkt fertig gebohrt und mit einem Boden aus Betonplatten versehen (Bild 2). Der ESP 50 wurde eingesetzt, um die Magnete auf die Sockel zu heben und zu positionieren (Bild 3). Der EE-WW mit einem Manipulator ermöglichte, Betonsteine im Tunnel ein- und auszubauen (Bild 4). Im März 2021 wurde ein EGU zum Transport von Klystrons, die zur Erzeugung und Verstärkung von Mikrowellen eingesetzt werden, ausgeliefert (Bild 5). Insgesamt wurden 12 Sonderfahrzeuge für den European-XFEL-Tunnels gebaut und an DESY geliefert.

Zahlen und Fakten europäisches Projekt mit starker Beteiligung von DESY

  • Bau und Betrieb: European XFEL (gemeinnützig)
  • Freie-Elektronen-Laser mit supraleitendem Linearbeschleuniger in TESLA-Technologie
  • Gesamtlänge: ca. 3,4 km
  • erzeugt extrem brillante Laserstrahlung im Röntgenbereich nach dem SASE-Prinzip (Wellenlänge zwischen 0,1 und 6 Nanometern einstellbar)
  • seit 2017 in Betrieb
  • 12 Genkinger-bAKA Sondergeräte haben bei dem Bau mitgewirkt

Quellen:
Broschüre European XFEL (2018): Licht der Zukunft. S.5.
Homepage DESY (2020): https://www.desy.de/forschung/anlagen__projekte/european_xfel/index_ger.html. Abfrage: 13.07.2021.

Bilder:
DESY
Genkinger GmbH