BERLinPro für Einsteiger

Abb. oben: Ein Mitarbeiter der Physikalisch-Technischen
Bundesanstalt am Transferweg, über den beschleunigte
Elektronen in den Speicherring eingespeist werden.
Ähnliche Strukturen werden auch am BERL inPro entstehen.

Abb. unten: Johannes Bahrdt ist der Fachmann des HZB für
den Bau von Undulatoren. Dieser kryogenische Undulator
wurde für die Plasmabeschleunigung entwickelt, ist aber
auch für die Machbarkeitsstudie BERLinPro sehr interessant:
Mit ihm lässt sich Synchrotronstrahlung mit kurzer
Wellenlänge und kleiner Bandbreite erzeugen.

BERLinPro – eine Machbarkeitsstudie zum Energy Recovery Linac

Um kleine Dinge genau betrachten zu können, sind manchmal besonders große Dinge nötig. So zum Beispiel die Neutronenquelle BER II und der Elektronenspeicherring BESSY II. Seit den 1950er Jahren nutzen Wissenschaftler Synchrotronstrahlung. Synchrotronlichtquellen sind gigantische Spezialmikroskope, die helfen, beispielsweise neue Werkstoffe zu entwickeln oder biologische Prozesse zu verstehen:

Neue Katalysatoren für Brennstoffzellen zeigen Details ihrer Oberfläche im Synchrotronlicht – und lassen sich dann optimieren. Oder Wissenschaftler betrachten im Synchrotronlicht die Strukturen unserer Körperzellen, die unseren genetischen Code in Moleküle umschreiben – unsere Eiweißfabriken. Sie analysieren diese so genannten Ribosomen, um neue Angriffspunkte für die Therapie von Krankheiten zu finden. Dieser exakte Blick auf die Ribosomen war sogar erst kürzlich einen Nobelpreis wert.

Aber selbst wenn kein Nobelpreis in Sichtweite ist, nutzen in Deutschland allein über 3000 Wissenschaftler Synchrotronstrahlung – Tendenz steigend. Mit den Erfahrungen zeigen sich jedoch auch die Grenzen der Technologie: Mit Synchrotronlicht aus einem Elektronenspeicherring wie BESSY II können Forscher zwar hervorragende Momentaufnahmen ihrer Proben machen. Sie können sich ansehen, wie im Augenblick der Aufnahme die Elektronen auf einem Katalysator verteilt sind oder in welcher Position sich die Atome eines Bio-Moleküls gerade befinden. Die Forscher können jedoch nicht sehen, wie sich die betrachteten Strukturen im Lauf der Zeit bewegen und verändern, wenn etwas mit ihnen geschieht. Zum Beispiel, wenn der Stoff, der reagieren soll, auf den Katalysator trifft oder wenn ein Ribosom den Befehl erhält, ein Stück Erbgut zu übersetzen.

Die Forscher suchen aber nach den Antworten auf genauch solche Fragen der Dynamik. Sie brauchen die Antworten, um die Forschung zur Energie, Umwelt, Gesundheit, der Struktur der Materie oder unserem Verkehrswesen voranzutreiben. Dabei ist die Forschung jetzt an einem Scheidepunkt angekommen. Das Synchrotonlicht kann helfen, neue Wege der Forschung zu beschreiten - wenn die Technologie der Erzeugung von Synchrotronlicht erfolgreich weiter entwickelt wird. BERlinPro liefert einen wichtigen Beitrag dazu.

„Was wir benötigen, ist eine dynamische Darstellung von mikroskopischen, atomaren und subatomaren Prozessen“, sagt Andreas Jankowiak, Leiter des Instituts Beschleunigerphysik am HZB. „Dafür müssen wir – in die Sprache der Fotografen übertragen – Belichtungszeiten im Femtosekundenbereich möglich machen. Nur dann können wir die ungeheuer schnellen, dynamischen Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen sichtbar machen und einen Beitrag leisten, neben der Struktur auch die Funktionsweise der Materialen verständlich zu machen.“

Zum Verständnis, was für eine große Herausforderung hinter dem Wort „Femtosekundenbereich“ steht: Eine Femtosekunde ist im Verhältnis zu einer Sekunde auf unserer Uhr so kurz, wie diese eine Sekunde im Verhältnis zu 32 Millionen Jahren – etwa der Zeit seit der Entstehung der Vögel und Säugetiere auf unserer Erde. Eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer Milliardstelsekunde. Wenn es gelingt, die dynamische Prozesse in solch ultrakurzen Zeiträumen darzustellen, können Wissenschaftler neue funktionale Materialien herstellen, die sie für neuartige Energiespeicher, Dünnschichtsolarzellen oder in der Medizin benötigen. „Die Voraussetzung dafür ist die Synchrotronstrahlungsquelle der Zukunft, die beispielsweise ein Energy Recovery Linac sein kann “, sagt die Sprecherin der Geschäftsführung und Geschäftsführerin des HZB, Anke Kaysser-Pyzalla.

Um einen Energy Recovery Linac (ERL) – oder im Deutschen: einen Linearbeschleuniger mit Energierückgewinnung – zu bauen, sind große technische und beschleunigerphysikalische Herausforderungen zu meistern. Das HZB hat die Chance bekommen, einen wichtigen Beitrag dafür zu leisten: In Adlershof wird in den kommenden Jahren die Machbarkeitsstudie BERLinPro durchgeführt, das Berlin Energy Recovery Linac Project. Diese Machbarkeitsstudie wird alle Teile eines großen Linearbeschleunigers mit Energierückgewinnung enthalten – in kleineren Dimensionen als für das eigentliche Großgerät erforderlich.

Denn die Aufgabe des BERLinPro wird nicht sein, Synchrotronlicht für Forschungsfragen zu erzeugen. Es geht vielmehr darum, zu zeigen, dass sich das Prinzip eines Linearbeschleunigers mit Energierückgewinnung grundsätzlich realisieren lässt. Das HZB gibt, wenn die Machbarkeitsstudie erfolgreich läuft, der Physikwelt damit die Möglichkeit, vielleicht später einmal eine Lichtquelle mit dieser Technologie zu bauen. „Die Entwicklung von Lichtquellen, die auf Linearbeschleunigern basieren, böte der Helmholtz-Gemeinschaft die einzigartige Chance, das komplette und komplementäreSpektrum an Synchrotronstrahlungsquellen anzubieten“, betont Anke Kaysser-Pyzalla die Bedeutung für die deutsche Forschung. Damit würden Nutzern z.B. aus den Materialwissenschaften,den Lebenswissenschaften,der Energieforschung oder der Chemie optimale Bedingungen für ihre Experimente zur Verfügung gestellt. Mit Freie-Elektronen-Lasern, Speicherringen und Energy RecoveryLinacs würde Deutschland seine internationalführende Position behaupten und weiter ausbauen, so Frau Kaysser-Pyzalla.

Bis man an einen großen Linearbeschleuniger mit Energierückgewinnung als Projektidee überhaupt denken kann, muss BERLinPro aber in den nächsten fünf Jahren zunächst vieleFragen beantworten. Das dabei gewonnene Wissen bildet auch die Basis, auf der andereTeilchenbeschleuniger weiter entwickelt werden können – die nicht die Aufgabe haben, das kostbare Synchrotronlichtzu erzeugen. Denn ERLs sind zum Beispiel ein wichtiger Bestandteil für dieProjektpläne zu den weltweiten zukünftigen Kern- und Hadronenphysik-Anlagen, die Wissenschaftlern Aufschluss über die Struktur der Teilchen geben, aus denen Atome – und damit unsere gesamte Welt – aufgebaut sind.

  • Wie funktioniert ein Linearbeschleuniger?
  • Wie funktioniert das "ER" am "BERLinPro"?