Vom Elektronenspeicherring zum Energy Recovery Linac

Die in den vergangenen Jahren an Elektronenspeicherringen erzielten Ergebnisse weisen den Weg, der bei der Weiterentwicklung dieser Großgeräte beschritten werden muss. Bei allen Erfolgen – bisher musste sich die Forschung an Synchrotronstrahlungsquellen auf die Untersuchung statischer struktureller Eigenschaften der Materie beschränken: Es ließ sich immer nur der statische Grundzustand, beispielsweise die Elektronenverteilung oder die Molekülstruktur, in einer Probe darstellen. Dies allein reicht aber nicht aus, um die drängenden und großen Herausforderungen der Gesellschaft – Energie, Umwelt, Gesundheit, Schlüsseltechnologien, Struktur der Materie sowie Verkehrswesen – angehen zu können. In Zukunft muss auch die Dynamik von mikroskopischen, atomaren und subatomaren Prozessen, also die Veränderung der Struktur der Materie in einem Zeitintervall, analysierbar werden. Dabei müssen unvorstellbar kurze Zeitskalen im Femtosekundenbereich zugänglich sein. Dies ist noch kürzer als die Zeit, die ein Lichtstrahl benötigt, um die Dicke eines Haars zu überstreichen. Nur dann ist es möglich, atomare Vorgänge im Bild „einzufrieren”, um neben der Struktur auch die Funktionsweise der Materialen vollständig zu verstehen:

  • Die Veränderlichkeit von Materie ist der Dreh- und-Angelpunkt innovativer Materialien, wie sie in magnetischen und optischen Speichermedien sowie molekularen Schaltern zum Einsatz kommen.
  • Ebenso treibt diese Dynamik chemische und biologische Prozesse. Auf der Ebene von Molekülen, Atomen und Elektronen bestimmt das Wechselspiel der Atome, Elektronen und Spins die Funktion.

Nur wenn es uns gelingt, diese Dynamik darzustellen und an derselben Probe auch ihre Struktur mit höchster Auflösung zu bestimmen, können wir mit diesem Wissen völlig neuartige „Funktionale Materialen“ wie beispielsweise neue Energiespeicher, Dünnschichtsolarzellen oder Materialien für die regenerative Medizin zur Lösung der großen Herausforderungen unserer Gesellschaft („Grand Challenges“) entwickeln. Voraussetzung dafür ist die Synchrotronstrahlungsquelle der Zukunft: Der Energy Recovery Linac (ERL) oder zu deutsch: der Linearbeschleuniger (Linac) mit Energierückgewinnung (Energy Recovery).