Superlaser

XFEL: Erste Studie zu Hamburgs teuerstem Blitzer

Die Physikerin Rita Graceffa justiert ein Gerät, das etwa Proteinkristalle in eine Vakuumkammer spritzt. Dort werden die Proben von Röntgenlaserblitzen „fotografiert“

Die Physikerin Rita Graceffa justiert ein Gerät, das etwa Proteinkristalle in eine Vakuumkammer spritzt. Dort werden die Proben von Röntgenlaserblitzen „fotografiert“

Foto: European XFEL/Jan Hosan

Untersuchung zeigt: Mit dem European XFEL können Daten sehr viel schneller aufgenommen werden als bisher. Was das bedeutet.

Hamburg. Gut ein Jahr nach der Eröffnung des riesigen Röntgenlasers European XFEL, der unter der Erde zwischen Hamburg-Bahrenfeld und Schenefeld in Schleswig-Holstein verläuft, hat ein internationales Forscherteam die erste Studie zu Experimenten in der Anlage veröffentlicht. Dabei ging es in erster Linie um die Frage, ob das 1,5 Milliarden Euro teure Instrument technisch die hohen Erwartungen erfüllt und tatsächlich so rasant und präzise arbeiten kann wie geplant.

Die Antwort ist ein klares Ja: „Wir konnten zeigen, dass mit den derzeitigen Messbedingungen mit dem European XFEL Daten sehr viel schneller aufgenommen werden können als bisher“, sagt Studienleiter Ilme Schlichting vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg. „Schon in naher Zukunft werden daher viel mehr Forscher Experimente an Röntgenlasern mit hoher Pulsfrequenz durchführen können, da Kosten und Aufwand für die Messung stark sinken“, sagt Schlichting. „Das bietet nicht nur Biologen und Medizinern, sondern auch Physikern, Chemikern und anderen Forschern neue Möglichkeiten.“

Anlage erzeugt bis zu 27.000 Lichtblitze pro Sekunde

Dass der Röntgenlaser so funktioniert wie geplant, ist deshalb nicht selbstverständlich, weil er eine extreme Präzision erreichen soll: Die erzeugten Lichtblitze sind für den Bruchteil einer Billionstel Sekunde heller als das gesamte Sonnenlicht, das im gleichen Zeitraum die Erde erreicht. Der Röntgenlaser kann bis zu 27.000 solcher Litzblitze pro Sekunde erzeugen. Sie werden konzentriert auf einen Punkt, der zehnmal kleiner ist als der Durchmesser eines Haares. Jedes Mal, wenn ein Lichtblitz zum Beispiel einen Proteinkristall trifft, entsteht ein Streubild, das ein Detektor aufnimmt. Aus Millionen von Streubildern lässt sich ein dreidimensionales Abbild der Probe errechnen – im Idealfall bis zum einzelnen Atom.

Kamera für 1,5 Milliarden Euro – Hamburgs Superlaser startet

Atome sind die Bausteine aller Materie. Wenn diese Teilchen sich bei chemischen Vorgängen zu Molekülen zusammenfinden, geschieht das etwa eine Billion Mal schneller als der Flügelschlag des Kolibris. Nun sollen viele gute Aufnahmen von solchen Vorgängen gelingen – mit eben jenen kurzen Blitzen, die die Teilchen schneller ablichten, als sie sich bewegen können. Aus den Einzelaufnahmen lassen sich dann Filme zusammensetzen. Der Röntgenlaser ist also Supermikroskop und Hochleistungskamera in einem.

Hoffnung auf Hinweise für Therapie von Krankheiten

Ilme Schlichting vom Max-Planck-Institut in Heidelberg arbeitete für die Studie mit Kollegen von der Rutgers State University of New Jersey (USA) sowie mit Wissenschaftlern aus Frankreich, vom DESY in Hamburg und von der Forschungseinrichtung European XFEL in Schenefeld zusammen, um die dreidimensionale Struktur von Eiweißmolekülen im Strahl des Röntgenlasers zu untersuchen. Die genaue Strukturbestimmung von Biomolekülen ist wichtig, weil sich daraus etwa Hinweise für die Behandlung von Krankheiten ergeben können.

Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ beschreiben, untersuchten sie konkret eine Mischung drei verschiedener Proteinmoleküle aus Pflanzen – des Enzyms Urease sowie der Proteine Concanavalin A und Concanavalin B. An der SPB/SFX-Experimentierstation spritzten sie kleine Kristalle der Proteine in einem Flüssigkeitsstrahl in den Röntgenstrahl. Während des Experiments seien Tausende von Bildern aufgenommen worden, die gut genug sind, um die drei verschiedenen Moleküle zu unterscheiden und dreidimensionale Modelle von Concanavalin A und B zu berechnen, erklären die Forscher um Schlichting.

Derzeit gibt es weltweit nur fünf Röntgenlaser, die sogenanntes kurzwelliges, hartes Röntgenlicht erzeugen. Die Messzeiten sind entsprechend stark gefragt. Die Forschungsanlage Euroepan XFEL ist 3,4 Kilometer lang. Sie verläuft sechs bis 38 Meter unter der Erdoberfläche zwischen dem Forschungszentrum Desy in Bahrenfeld und einer unterirdischen Experimentierhalle in Schenefeld. Den Teilchenbeschleuniger für den Röntgenlaser steuern Wissenschaftler am DESY. Für den Betrieb des Lasers und die unterirdische Experimentierhalle in Schenefeld ist die gemeinnützige European XFEL GmbH zuständig. Sie beschäftigt mehr als 300 Menschen.