Haarfeine RöntgenstrahlenTeilchenbeschleuniger PETRA III
Im 2300 Meter langen Teilchenbeschleuniger PETRA III können Wissenschaftler jetzt besser in das Herz der Materie gucken als je zuvor.
Der Anlauf ist lang, die Objekte der Begierde winzig. Im 2300 Meter langen Teilchenbeschleuniger PETRA III können Wissenschaftler jetzt besser in das Herz der Materie gucken als je zuvor. 225 Millionen Euro hat der Umbau des Speicherring gekostet, zur Eröffnung der Anlage am Deutschen Elektron Synchrotron (DESY) in Hamburg am 16. November hat sich Forschungsministerin Annette Schavan (CDU) angekündigt.
"PETRA III ist die weltbeste Synchrotronstrahlungsquelle ihrer Art", sagt der Vorsitzende des Desy-Direktoriums, Prof. Helmut Dosch. "Wissenschaftler aus den unterschiedlichsten Disziplinen werden mit Hilfe der hochenergetischen und haarfeinen Röntgenstrahlen gestochen scharfe Bilder von Nano- und Biomaterialien erhalten. Damit schaffen wir die Voraussetzung für die Medikamente und Hochleistungsmaterialien von morgen."
Kleinste Materie-Strukturen werden sichtbar
Der Teilchenbeschleuniger heißt mit vollem Namen Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage und ist eigentlich schon ein Veteran der Forschung. 1978 starteten Wissenschaftler an der Ur-PETRA, die damals der größte unterirdische Speicherring seiner Art war und konnten bereits ein Jahr später eine Sensation melden: Das Gluon - Trägerteilchen der Kernkraft und damit gewissermaßen der Klebstoff der Atomkernbausteine - war erstmals zu beobachten.
Zu kompliziert? Eigentlich geht es darum, kleinste Strukturen der Materie sichtbar zu machen. Weil dem menschlichen Auge mit Hilfe des sichtbaren Lichts auch mit einem Mikroskop Grenzen gesetzt sind, bedienen sich Forscher der Röntgenstrahlung. PETRA III schafft es, besonders scharf gebündeltes, helles Röntgenlicht zu erzeugen, Physiker sprechen von höchster Brillanz (Leuchtdichte). Das liefert PETRA III in ihrem Segment besser als irgendeine andere bestehende Anlage.
Entwicklung neuer Materialien
Biologen können damit die Anordnung der Atome von Proteinen betrachten, Materialforscher ihre neuen Nanomaterialien bis ins letzte Detail analysieren. Solche Erkenntnisse helfen im besten Fall bei der Entwicklung neuer Materialien oder medizinischer Wirkstoffe.
Für die dritte Ausbaustufe entstand eine völlig neue Experimentierhalle. Weil es um feinste Strukturen und scharf gebündelte Strahlen geht, darf nichts wackeln. Die Ingenieure konstruierten daher eine 300 Meter lange, von der Umwelt entkoppelte Grundplatte aus Beton. Dort finden 14 Messplätze mit bis zu 30 Instrumenten Platz, so dass viele Wissenschaftler ihre Versuche gleichzeitig machen können. Auf der 2,3 Kilometer langen Teilchenrennbahn unter dem Stadtteil Bahrenfeld rasen rund um die Uhr bis zu 960 Pakete mit jeweils maximal 10 Milliarden Positronen - den Antiteilchen der Elektronen - gleichzeitig durch den Tunnel.
Schon kurz nach der Eröffnung von PETRA III steht bei Desy eine weitere Feier an. Das zur Helmholtz-Gemeinschaft gehörende Zentrum feiert am 18. Dezember seinen 50. Geburtstag. Was keine 15 Jahre nach Kriegsende in Hamburgs Westen bescheiden anfing, ist bis heute zu einer Forschungsmaschine mit 1900 Mitarbeitern und einer Dependance im brandenburgischen Zeuthen gewachsen. Der zu 90 Prozent vom Bund getragenen Jahresetat erreicht 192 Millionen Euro. "Sicherlich hatten die Gründer von DESY vor 50 Jahren Visionen, was dieses Forschungszentrum leisten könnte", sagt Dosch. "Dass es aber 50 Jahre lang weltweit anerkannte Spitzenergebnisse liefern würde, hat damals sicherlich keiner erahnt."
Brillantestes Licht der Welt
Synchrotronstrahlungs-Anlagen gelten als hellste Lichtquellen auf der Erde. Die brillante Strahlung entsteht, wenn sehr schnelle elektrisch geladene Teilchen in einem Magnetfeld abgelenkt werden. Das besondere Licht, mit dem unter anderem ganz feine Strukturen erkennbar sind, wurde 1947 entdeckt. Bei klassischen Ringbeschleunigern ist die Synchrotronstrahlung ein eher störendes, aber unvermeidliches Nebenprodukt. Anlagen wie PETRA III dagegen schicken elektrisch geladene Teilchen mit Spezialmagneten gezielt auf einen Schlingerkurs, um möglichst viel Synchrotronlicht zu erzeugen. Bei PETRA III kommen dafür Positronen zum Einsatz, die Antiteilchen von Elektronen.
Bei den Forschern ist die Synchrotronstrahlung vor allem wegen ihrer Brillanz (Leuchtdichte) und der möglichen hohen Auflösung beliebt. Das Synchrotron-Röntgenlicht etwa erlaubt Untersuchungen im atomaren Bereich - so können beispielsweise Chemiker Moleküle analysieren und Molekularbiologen die Funktion bestimmter Proteine aufklären. Die Brillanz kennzeichnet die Qualität einer Strahlungsquelle. Sie ist umso größer, je kleiner die eigentliche Lichtquelle und je enger gebündelt der ausgesandte Lichtstrahl ist.