Das Deutsche Elektronen-Synchrotron in Hamburg, kurz Desy, ist eines der größten Forschungszentren der Republik. Zu der Einrichtung gehören Dutzende von Labors und Experimentierhallen sowie Büros und Werkstätten. Der wahre Schatz aber liegt in 35 Metern Tiefe: der Europäische Röntgenlaser (European XFEL). Am besten erkundet man ihn mit dem Rad, sagt Winfried Decking. „Der Tunnel ist schließlich dreieinhalb Kilometer lang“, sagt der Physiker.

Die Anlage, deren Betrieb Decking mit leitet, beginnt in Hamburg-Bahrenfeld und endet in Schenefeld in Schleswig-Holstein. Mit Kosten von 1,4 Milliarden Euro zählt der European XFEL zu den größten und teuersten Forschungsmaschinen, die je in Deutschland gebaut wurden. Nach acht Jahren Bauzeit beginnen nun die ersten Experimente. Der Gigant erzeugt die hellsten Röntgenblitze der Welt und soll damit völlig neue Einblicke in Nanomaterialien, Biomoleküle und chemische Reaktionen schaffen.

Unten im Tunnel zeigt Winfried Decking auf eine metallene Apparatur, kaum größer als ein Kleinwagen – der Beginn der Megaanlage. „Das ist unsere Kanone“, erläutert er. „Pro Sekunde feuert sie 27.000 Elektronenpulse ab.“ Die winzigen Teilchenpakete gelangen ins Kernstück des Röntgenlasers – ein knapp zwei Kilometer langer Elektronenbeschleuniger, eingebaut in einen Tunnel voller Aggregate, Kabel und Leitungen. Am auffälligsten sind die massiven, gelben Röhren, lang und dick wie Baumstämme.

Fast so schnell wie das Licht

„Sie sind luftleer gepumpt, und in ihrem Inneren herrscht eine Temperatur von minus 271 Grad Celsius“, erläutert Decking. „Starke Sender speisen Radiowellen ein und bringen die Elektronen auf Touren.“ Dann schwingt er sich aufs Rad und fährt los. Erst bei Röhre Nummer 96 hält er wieder an, es ist die letzte. Hier haben die Elektronen ihre Maximalenergie erreicht, nahezu Lichtgeschwindigkeit. Jetzt können sie ihren Zweck erfüllen und hochintensive Röntgenblitze erzeugen.

Dazu werden die Teilchen in sogenannte Undulatoren geleitet – lange Magnetstrecken, auf denen Tausende von Nord- und Südpolen die Elektronen auf einen Slalomkurs zwingen. Das bringt die Winzlinge dazu, extrem helle und kurze Röntgenpulse auszusenden – pro Sekunde schießen 27.000 Blitze durch eine dünne luftleere Edelstahlröhre.

Beim Weiterradeln durch den Tunnel erzählt Decking, dass er die Anlage gemeinsam mit Hunderten von Kollegen aus aller Welt geplant und gebaut hat. „Technisch war das an der Grenze des Machbaren, und neben viel Wissen und Fleiß brauchten wir auch ein Quäntchen Glück.“

Nicht jede der unzähligen Komponenten wollte auf Anhieb funktionieren, die industrielle Fertigung der gelben Beschleunigerröhren geriet zeitweise ins Stocken. Bei Meter 3330 bremst Winfried Decking erneut, das Tunnelende ist erreicht. Die schlanke Metallröhre für die Röntgenblitze führt durch eine Betonwand in eine riesige Experimentierhalle. Darin sind Messplätze aufgebaut, die zwecks Strahlenschutz in Hütten mit Bleiwänden stecken. Hier passiert die eigentliche Wissenschaft. Die Röntgenblitze treffen auf Materialproben, um sie detailliert zu durchleuchten.

Christian Bressler betreut einen der Messplätze. Er zeigt auf einen wuchtigen Tisch, gelagert auf massiven Granitblöcken. „Sie halten die Spezialkamera, mit der wir die Röntgenaufnahmen machen“, erläutert der Physiker. „Mit einer komplizierten Vorrichtung können wir die Proben in den Röntgenstrahl dirigieren, der durch ein Loch in der Wand in unsere Hütte kommt.“

Mit dem Aufbau lassen sich unter anderem chemische Reaktionen filmen. Das Prinzip: Ein gewöhnlicher Laser schießt einen Lichtpuls auf ein Molekül und startet eine Reaktion, etwa die Spaltung eines Moleküls. Kurz darauf durchleuchtet ein Röntgenblitz das Geschehen und macht eine Momentaufnahme. Das wiederholen die Forscher Hunderte Male, um die Bilder zu einer Art Daumenkino zu kombinieren. Es zeigt, wie das Molekül zerfällt. „Damit die Bilder nicht verwaschen aussehen, brauchen wir so kurze Röntgenblitze, wie sie der Europäische Röntgenlaser liefert“, sagt Bressler.

Start am 28. September

Eines der ersten Experimente wird sich Materialien widmen, die Anwendung in organischen Leuchtdioden finden könnten. „Bisher werden dafür seltene und teure Edelmetalle verwendet, günstigere Alternativen zeigen meist einen beschränkten Wirkungsgrad“, sagt Grigory Smolentsev vom Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz. „Deshalb arbeiten wir an effizienteren Molekülen, die zum Beispiel Kupfer enthalten.“ Manche Schritte bei der Lichterzeugung in diesen Stoffen passieren überaus schnell, innerhalb von Pikosekunden (Billionstel Sekunden).

„Um sie untersuchen und verstehen zu können, brauchen wir die extrem kurzen Blitze des europäischen Röntgenlasers“, erklärt Smolentsev. Außer ihm sind weitere Experten aus der Schweiz sowie Fachleute aus Russland, Dänemark und Bremen an dem mehrtägigen Experiment beteiligt, das am 28. September startet.

Für neue Medikamente

In einer anderen Experimentierhütte steht Adrian Mancuso und strahlt vor Freude. Nach Jahren der Vorbereitung kann auch seine Messapparatur endlich loslegen. „Mit den Röntgenblitzen wollen wir hochdetaillierte 3D-Bilder von einzelnen Proteinen machen“, sagt der Australier. „Wenn wir den Aufbau eines Biomoleküls kennen, können wir darauf schließen, wie es funktioniert – was eines Tages für die Entwicklung neuer Medikamente nützlich sein könnte.“

Andere Messplätze am Hamburger Giganten werden erst später in Betrieb gehen – Apparaturen, mit denen Physiker neuartige Nanomaterialien unter die Lupe nehmen wollen oder Schockwellen durch Proben jagen werden, um die Druckverhältnisse im Inneren von Sternen und Planeten zu simulieren. Die meisten Versuche dürften der Grundlagenforschung dienen. Doch daraus könnte einiges erwachsen: bessere Solarzellen, effizientere Abgaskatalysatoren und neuartige Elektronikmaterialien.