Acht Jahre Bauzeit, mehr als 1,2 Milliarden Euro teuer: Bei Hamburg soll in diesem Jahr die hellste Röntgenquelle der Welt in Betrieb gehen. Eine Forschungsanlage der Superlative. Wofür ist die gut?

Eine Multimedia-Story von Philipp Seibt

Der Wartetraum

Wer eines der aufregendsten Experimente der Welt sehen möchte, muss nicht nach Harvard oder Oxford fahren, sondern nach Schenefeld in Schleswig-Holstein. Umgeben von saftig grünen Wiesen steht dort ein schnödes Bürogebäude, das auch ein Ordnungsamt beheimaten könnte.

Wirklich spannend wird es erst unter der Erde. In zwölf Meter Tiefe bauen Forscher hier einen Versuch auf, der weltweit einmalig ist. Im September soll dieser Röntgenlaser in Betrieb gehen. Rund 1,2 Milliarden Euro hat der European XFEL gekostet; das teuerste Experiment Deutschlands.

Helm und Sicherheitsschuhe sind in der unterirdischen Halle Pflicht. Mit einem Fahrstuhl geht es unter die Erde, dann einen Gang entlang und eine Metalltreppe hoch, das Geländer wackelt noch. An allen Ecken arbeiten Handwerker, Funken fliegen von grauen Metallröhren in die Luft. Im Labor des Physikers Adrian Mancuso ist es leiser. Noch ist der Raum komplett leer - doch für Mancuso ist die Zeit jetzt die aufregendste seit Langem.

Sechs Jahre lang hat der Forscher gewartet, geplant, gezeichnet. Nun sollen diese Zeichnungen endlich Realität werden. Sein Versuch könnte das Verständnis der Moleküle im menschlichen Körper einen riesigen Schritt nach vorne bringen.

Fotostrecke: Fast fertig - nach sechs Jahren
Hier kommt der Tisch für die Proben hin: Physiker Adrian Mancuso steht in seinem Labor am European XFEL.

In dem Versuch sollen einzelne Biomoleküle mithilfe von Röntgenlicht quasi gefilmt werden. Was läuft zum Beispiel schief, wenn ein Körper Krebszellen produziert? Solche Fragen möchten die Forscher beantworten. Einzig: Bisher sind alle vergleichbaren Experimente auf der Welt mit diesem Vorhaben gescheitert. Können die Schenefelder es schaffen?

Licht am Ende des Tunnels

Um die Geheimnisse der Biomoleküle zu ergründen, setzen Mancuso und seine Kollegen auf eine brachiale Methode: maximale Energie in möglichst kurzer Zeit. Sie beschießen die Moleküle nicht mit einem kontinuierlichen Röntgenstrahl wie ein Arzt seinen Patienten. Stattdessen nutzen die Forscher kurze Röntgenblitze, Pulse genannt.

Trifft ein solcher Puls auf ein Biomolekül, wird dieses regelrecht zerrissen. Die Forscher nennen das Coulomb-Explosion. Der Trick: Der Röntgenpuls ist so kurz, dass er das Molekül "fotografiert" hat, bevor es auseinanderfliegen kann - wie der Cowboy Lucky Luke, der schneller zieht als sein Schatten.

Viele Fotos einzelner Moleküle fügt man dann zu einem Film zusammen. Physiker haben der Methode den Namen "diffraction before destruction" gegeben, auf Deutsch "Streuung vor Zerstörung". Damit das klappt, müssen die Röntgenpulse extrem kurz und hell sein. Das macht den European XFEL so spannend - und so teuer.

Mit Baukosten von mehr als 1,2 Milliarden Euro wird der European XFEL das teuerste Experiment Deutschlands. Die Bundesrepublik trägt davon 58 Prozent, Russland 27 Prozent und die anderen neun beteiligten Länder kleinere Beträge. Etwas teurer als der XFEL wird nur der Teilchenbeschleuniger FAIR in Darmstadt, der aber erst im Jahr 2022 schrittweise in Betrieb gehen soll.

Die Hoffnung hinter der gigantischen Investition ist, Dinge sichtbar zu machen, die keine andere Methode auf der Welt zeigen kann. Bleibt man beim Beispiel Krebs: Gelänge es zu filmen, was bei der Bildung von Krebszellen schiefläuft, könnte man im zweiten Schritt an der entscheidenden Stelle eingreifen und ein Medikament entwickeln.

Und das ist nur der Versuch von Mancuso. Fünf weitere Versuche am European XFEL untersuchen ultraschnelle Veränderungen in Festkörpern, vermessen Nanostrukturen in 3D oder beobachten Materie in extremen Zuständen wie sie zum Beispiel im Inneren der Erde herrschen. Es ist Grundlagenforschung - aber im Vergleich zu den Erkenntnissen am CERN, wo es um fundamentale Physik geht, sind die Anwendungen am European XFEL greifbarer.

Ob diese Versuche klappen, entscheidet sich aber nicht nur in Schenefeld - sondern 3,4 Kilometer entfernt in einem anderen Bundesland. Beim Großforschungszentrum Desy im Hamburger Stadtteil Bahrenfeld werden die Elektronen auf die Reise geschickt, die das Röntgenlicht erzeugen. Die folgende Grafik zeigt, wie das geht:


Nach mehr als acht Jahren Bauzeit soll der European XFEL im September erstmals Proben vermessen. Er wird die hellste Röntgenquelle der Welt. Pro Sekunde rasen 27.000 Röntgenlichtblitze durch die Tunnel - rund 200-mal mehr als bei vergleichbaren Anlagen. Der Aufwand dafür ist enorm:

Fotostrecke: Großer Aufwand für kleine Teilchen
Startpunkt des European XFEL: Die Elektronenpakete werden erzeugt (in der Illustration rechts unten) und dann in den Beschleunigertunnel eingespeist (links).

Der European XFEL gleicht einer Reihe Dominos - nur wenn alle Steine nacheinander richtig umfallen, kann Mancuso am Ende Biomoleküle vermessen. Jetzt, in den Monaten vor dem Start der Anlage, wird es für die mehr als 300 beteiligten Mitarbeiter richtig spannend. Denn niemand kann seinen Teil des XFEL, seinen Dominostein, testen, bevor nicht alle anderen vor ihm in der Reihe erfolgreich waren. Erst jetzt wird sich zeigen, ob alles funktioniert.

In diesen Wochen schleusen die Forscher zunächst die Elektronen durch den Beschleunigertunnel und wollen die Teilchen langsam, aber sicher auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Dann kommen die sogenannten Undulatoren an die Reihe. In diesen 200 Meter langen Geräten wird mithilfe der Elektronen das Röntgenlicht erzeugt.

Schauen Sie sich in dem folgenden 360-Grad-Bild eines Undulators in Ruhe um. Das Ende lässt sich nur erahnen.

Der Undulator besteht aus 32 einzelnen Modulen, die man im Bild an ihren orangen Halterungen erkennt. Herzstück jedes Moduls sind die zwei silbernen Kästen in der Mitte davon. Dazwischen rasen die Elektronen hindurch.

Der Trick dabei ist, die Elektronen von ihrer geradlinigen Bahn abzulenken. Denn immer, wenn ein Elektron eine Kurve fliegt, strahlt es - wie eine winzige Taschenlampe - Röntgenlicht aus. Und weil jedes Elektronenpaket viele Elektronen enthält, ergibt alles zusammen den hellsten Röntgenblitz der Welt.

Der Lichtlenker

Wenn Adrian Mancuso ein geduldiger Mensch ist, dann ist Harald Sinn es erst recht. Sinn tüftelt seit nunmehr zehn Jahren an seinem Teil des Röntgenlasers.

Wer sehen will, was Sinn und seine Mitarbeiter metertief unter der Erde zusammenbauen, muss vorbei an einer Sicherheitsschleuse, meterdicken Betonwänden und einer Stahltür. Sinns Reich sind die Tunnel zwischen den Undulatoren und den Experimenten. Sein Job: die im Undulator erzeugten Röntgenblitze sicher zu den Experimenten zu leiten.

Fotostrecke: Abgelenkt
Harald Sinn im Photonentunnel XTD9: Am Anfang des 500 Meter langen Tunnels werden die Röntgenpulse in das linke oder rechte Rohr geleitet. Hier am Ende des Tunnels sind sie nun 1,4 Meter weit auseinander.

900 Meter liegen zwischen dem Undulator und dem Versuch von Mancuso. Zu Fuß ist man 15 Minuten unterwegs. Die Röntgenpulse werden die Strecke später in 0,000003 Sekunden zurücklegen.

Das Problem: Röntgenlicht lässt sich nur mit großem Aufwand lenken. Anders als sichtbares Licht, für das es zahlreiche Spiegel und Linsen gibt, fliegt Röntgenlicht ziemlich stur geradeaus.

Was also tun mit den Röntgenblitzen? Möglichst gar nichts. "Als ich hier 2007 angefangen habe, konnte ich gerade noch verhindern, dass die Tunnel einen Knick bekommen", sagt Sinn. Jetzt sind die Tunnel schnurgerade.

Für jeden Knick hätte Harald Sinn einen weiteren Spiegel einbauen müssen. Nun gibt es im ganzen European XFEL so wenige wie möglich.

Sinn steht im Tunnel, Helm auf dem Kopf und ein Atemgerät für den Notfall um die Schulter gehängt. In die eine Richtung sind es 500 Meter bis zum Experiment, in die andere 400 Meter bis zum Undulator. Der 50-Jährige zeigt auf ein mannshohes Gestell; auf Augenhöhe ist daran ein mattgraues Metallgehäuse angebracht, das ein wenig wie ein sehr dicker Torpedo aussieht.

Den eigentlichen Spiegel kann man nicht sehen - er befindet sich in dem Gehäuse. "Es handelt sich um einen ein Meter langen Silizium-Block", erklärt Sinn. Eine Spezialfirma in Japan habe den Block extrem glatt poliert: Schon ein Millionstel Millimeter Abweichung würde den Forschern Probleme machen.

Der Röntgenspiegel gibt den Röntgenblitzen den letzten entscheidenden Schubs in die richtige Richtung. Von hier aus geht es geradewegs zum Experiment.

Lohnt sich das?

Wenn am European XFEL mal wieder ein Bauabschnitt fertig wird, kommt die Politik gerne vorbei. Zuletzt war Hamburgs Bürgermeister Olaf Scholz (SPD) da. Laut Pressemitteilung sagte er: "Internationale Forschergruppen werden hier atomare Details von Viren und Zellen entschlüsseln, chemische Reaktionen filmen und Erkenntnisse über das Innere von Planeten gewinnen."

Der Satz könnte aus einer der vielen Hochglanzbroschüren stammen, die der European XFEL über sich selbst veröffentlicht. Wer die Broschüren zu Ende liest, kann das Gefühl bekommen, dass eine wissenschaftliche Revolution vor der Tür steht. Aber stimmt das wirklich?

Großforschungsanlagen verschlingen jährlich Milliarden an Steuergeldern. Im Jahr 2017 gibt das Bundesforschungsministerium laut aktueller Planung rund 17,6 Milliarden Euro aus. Doch allein rund 13 Prozent davon werden benötigt, um Großprojekte wie das Desy in Hamburg, den Teilchenbeschleuniger LHC in Genf oder das Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt zu betreiben.

Wie toll ist der European XFEL also? Der Röntgenlaser erlaube es zum Beispiel, Moleküle gezielt anzuregen und Veränderungen in ihrer Struktur darauf zu beobachten. "Das ist an dieser Methode einzigartig", sagt Holger Stark vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen. Stark erforscht seit Jahren die Dynamik von Biomolekülen, arbeitet also auf demselben Forschungsgebiet wie Mancuso - allerdings nutzt er dafür eine andere Technik. Mit der sind solche Experimente wie in Schenefeld aber nicht möglich.

Doch Stark sagt auch, dass sich Großgeräte wirklich nur dann lohnen, wenn es keine günstigere Alternative gibt. Denn der European XFEL bringe auch zwei Nachteile mit sich:

  • Erstens kann man damit relativ wenige Experimente machen - die Forschung insgesamt bringen sie also nur langsam voran. Weltweit gibt es nur eine Handvoll Röntgenlaser (und der in Hamburg ist bisher vollkommen einmalig), aber Tausende andere Labore mit weniger aufwendigen Methoden. Im Vergleich zum Röntgenlaser sind die geradezu ein Schnäppchen. Starks Aufbau in Göttingen kostet zum Beispiel nur vier bis fünf Millionen Euro - und kann ebenfalls einzelne Moleküle mit atomarer Auflösung fotografieren. Eine Anregung der Moleküle ist dort nicht möglich.
  • Der zweite Nachteil ist ein physikalischer: Bei Bildern mit Röntgenlicht geht beim "Fotografieren" ein wichtiger Teil der Information verloren. Weil diese "Phase" fehlt, ist es noch aufwendiger als ohnehin schon, aus den Röntgenbildern die Struktur der Moleküle zu rekonstruieren.

Stark glaubt trotzdem, dass sich die Anlage weltweit an die Spitze setzen wird. In den Dreißigerjahren habe auch niemand ein Elektronenmikroskop bauen wollen - heute habe man die Probleme alle in den Griff bekommen. "Wenn die Physik stimmt - und das ist beim European XFEL der Fall -, dann werden wir Anwendungen bekommen, die jetzt noch niemand absehen kann."

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Autor: Philipp Seibt

Redaktion: Holger Dambeck

Bildredaktion: Theresa Lettner

360-Grad-Foto: Jürgen Schrader

Schlussredaktion: Bastian Bredtmann

Grafik: Katja Braun

Programmierung: Chris Kurt