Mehr Licht für Adlershof : Teilchenbeschleuniger Bessy II wird ausgebaut

In Berlin-Adlershof leuchtet eine der stärksten Röntgenquellen Deutschlands: Der Beschleuniger Bessy II erzeugt hochintensive Strahlung, mit der sich unterschiedlichste Proben analysieren lassen – von Solarzellen über Proteine bis zu archäologischen Fundstücken. Doch allmählich kommt die Maschine in die Jahre. Deshalb planen die Verantwortlichen ein baldiges Upgrade und liebäugeln danach sogar mit einem Neubau.

Bessy II ist ein Synchrotron – ein Ringbeschleuniger, in dem Elektronen nahezu lichtschnell in einer luftleeren Röhre kreisen. Dabei senden sie hochintensive Strahlung aus. „Weltweit gibt es rund 60 Synchrotrons“, erklärt Bernd Rech, kommissarischer wissenschaftlicher Geschäftsführer des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB), das Bessy II betreibt. „Unsere Anlage ist auf die Erzeugung sogenannter weicher Röntgenstrahlung spezialisiert, laut eines internationalen Gutachtens sind wir in diesem Bereich führend.“

Effizientere Solarzellen, neuartige Halbleiter und bessere Katalysatoren

In Zahlen: Zu den über 40 Messplätzen von Bessy II kommen jedes Jahr 1 500 Fachleute, viele von ihnen mehrmals. Der Beschleuniger läuft rund um die Uhr. Die wissenschaftliche Jahresausbeute: mehr als 500 Publikationen in Fachmagazinen.

Mit Bessy II lässt sich herausfinden, wie sich die Elektronen in einem Material verhalten – wichtige Informationen, um effizientere Solarzellen, neuartige Halbleiter und bessere Katalysatoren entwickeln zu können. Der Röntgenstrahl kann die Struktur magnetischer Werkstoffe sichtbar machen, wie sie in Computerfestplatten verwendet werden. Biologen und Mediziner erkunden mit dem Berliner Ring die Gestalt von Proteinen – manche davon potenzielle Wirkstoffe für Medikamente. Ab und zu werden auch Kulturgüter analysiert. So fanden Forscher heraus, dass die Himmelsscheibe von Nebra – ein 4000 Jahre alter Bronzeteller mit Sternsymbolen – nicht in einem Schwung gefertigt worden war, sondern im Laufe mehrerer Generationen.

„Wir haben die Technologie entwickelt“

Der Beschleuniger erzeugt mehr als eine Million Blitze pro Sekunde. Damit lassen sich rasche Bildfolgen aufnehmen. Die Forscher können zusehen, wie der Schaltprozess in einem Chip oder das Speichern auf einer Festplatte abläuft. „Im Standardbetrieb liefert Bessy II Röntgenblitze, die 20 Pikosekunden lang sind, also 20 Billionstel Sekunden“, erläutert Andreas Jankowiak, Leiter des HZB-Instituts für Beschleunigerphysik. „Mit bestimmten Tricks lässt sich das sogar auf zwei Pikosekunden drücken.“ Zwar ist dieser Modus für manche Forscher hochinteressant – sie können dadurch noch schnellere Prozesse verfolgen. Allerdings sinkt die Intensität der Blitze in diesem kürzeren Modus stark ab, weshalb der Ring immer nur zwei Wochen im Jahr darin läuft. Dieses Manko will das HZB mit einer Ausbaustufe namens Bessy VSR beseitigen – VSR steht für „Variabler Pulslängen-Speicherring“.

Das Konzept: Spezielle supraleitende Beschleunigungseinheiten sollen die Hälfte der 400 im Ring kreisenden Elektronenpakete so manipulieren, dass sie deutlich kürzer werden. Diese Pakete würden kürzere, aber starke Röntgenpulse aussenden. „Wir haben die Technologie entwickelt“, sagt Jankowiak. „Jetzt wollen wir solche Beschleunigungseinheiten gemeinsam mit der Industrie bauen.“

Feinere, stärker gebündelte Röntgenstrahlung

Ende 2021 soll ein erstes Testmodul in den Ring gesetzt werden, zirka ein Jahr später soll das komplette System folgen, die gesamten Projektkosten liegen bei 30 Millionen Euro. „Bessy VSR eröffnet uns fantastische Möglichkeiten“, schwärmt Gisela Schütz, Direktorin am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart. Sie und ihr Team kommen regelmäßig nach Adlershof, um mit einem eigens konstruierten Röntgenmikroskop nanometerkleine Magnetstrukturen sichtbar zu machen und ultraschnelle Schaltprozesse zu verfolgen. Mit dem Bessy-Upgrade wird das Team die Nano-Geschehnisse deutlich präziser unter die Lupe nehmen können – mit der Gewissheit, wertvolles Basiswissen für künftige Speichertechniken zu sammeln.

Doch die Ausbaustufe Bessy VSR dürfte nur einen Zwischenschritt markieren: „Kürzlich sind wir von einem Gutachtergremium aufgefordert worden, verstärkt über einen Nachfolger nachzudenken“, sagt Bernd Rech. Bessy III wäre ein komplett neuer Beschleuniger, ausgestattet mit moderneren, leistungsfähigeren Magneten, die die Elektronenpakete auf ihrer Kreisbahn halten. Dadurch soll die Maschine deutlich feinere, stärker gebündelte Röntgenstrahlung liefern. Mit dieser ließen sich die Proben präziser abtasten, es wären noch mehr Details zu erkennen. Zudem wird die Kombination mit dem VSR-Konzept weitere Messungen im Pikosekunden-Bereich möglich machen.

„Welche Variante wir verfolgen wollen, ist noch offen“

„Ich kenne fast kein Experiment, das nicht davon profitieren würde,“ sagt Gisela Schütz. „In vielen Bereichen nimmt Bessy heute eine Vorreiterrolle ein. Um sie halten und ausbauen zu können, brauchen wir Bessy III.“ Wie der neue Ring im Detail ausschauen soll, wird gerade erarbeitet. Variante 1: Man könnte das derzeitige Gebäude entkernen und mit neuen Komponenten bestücken. „Doch das ist mit Einschränkungen behaftet“, glaubt Andreas Jankowiak. „So könnte es sein, dass wir die Zahl der Messplätze verringern müssen.“

Ein Nachteil, den Variante 2 nicht hätte: ein komplett neuer Beschleuniger auf der grünen Wiese. Bei ihm müssten die Experten keine Kompromisse eingehen, dafür dürfte er teurer sein. „Welche Variante wir verfolgen wollen, ist noch offen“, sagt Rech. Ein entscheidungsreifes Konzept soll spätestens in drei Jahren vorliegen, die Bauarbeiten könnten Mitte der 2020er-Jahre beginnen.