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European XFEL - der europäische Röntgenlaser

Der Röntgenlaser European XFEL erschließt der Forschung neue Anwendungsgebiete. Das kurzwellige Röntgenlicht mit sehr hoher Energie liefert bislang unbekannte Einblicke. So wird es möglich, Moleküle bei chemischen Reaktionen zu filmen, oder Moleküle abzubilden, die bisher für bildgebende Verfahren zu klein waren bzw. sich nicht fixieren ließen, oder in der Physik den Materiezustand bei einem Gasplasma zu untersuchen. Die europäische XFEL-Anlage soll bis 2014 in der Metropolregion Hamburg realisiert werden.

Röntgenlicht wird bereits heute genutzt, um kleinste Strukturen zu untersuchen. Seine Verwendung hat in der Chemie, Biologie, Materialforschung und der Physik zu wichtigen neuen Erkenntnissen geführt. Es erlaubt jedoch beispielsweise die Untersuchung von komplexen Biomolekülen, wie sie für die Behandlung von Krankheiten interessant sind, nur mit hohem Aufwand. Es eignet sich ebenfalls nicht, um chemische Reaktionen in Echtzeit zu beobachten. Der Röntgenlaser European XFEL erlaubt nun, in völlig neue Größenordnungen vorzudringen. Die Abkürzung European XFEL steht dabei für "X-ray free-electron laser", also einen Freie-Elektronen-Laser im Röntgenbereich.

Im European XFEL werden Elektronen auf sehr hohe Energien beschleunigt und zur Aussendung von Röntgenlicht mit besonderen Eigenschaften angeregt. Die Wellenlänge dieses Röntgenlichts ist so klein, dass selbst atomare Details erkennbar werden. Sie kann im Bereich zwischen sechs und einem zehntel Nanometer - das sind milliardstel Meter - variiert werden.

Die Leuchtstärke des European XFEL ist in ihren Spitzenwerten milliardenfach höher als die modernster Röntgenquellen, d. h. der Ringquellen für Synchrotronstrahlung. Seine mittlere Leuchtstärke ist zehntausendfach höher. Damit werden sich ganz neue Klassen von Molekülen und Nanosystemen untersuchen lassen.

Die Zeitauflösung beim European XFEL ist um Größenordnungen höher als bei den bisher verfügbarer Quellen: Ein Röntgenblitz ist kürzer als 100 billiardstel Sekunden. Das ist die Zeitdauer, in der sich chemische Bindungen formieren und Molekülgruppen ihre Lage ändern. Damit wird es möglich sein, chemische Reaktionen quasi zu "filmen". Zudem werden die Lichtblitze Eigenschaften von Laserlicht aufweisen und somit beispielsweise dreidimensionale Aufnahmen aus der Nanowelt oder holographische Experimente auf atomarer Ebene ermöglichen.

Die Technologie für den Bau des European XFEL beruht ganz wesentlich auf Vorarbeiten am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY. In internationaler Zusammenarbeit wurden dort die Beschleunigerelemente des European XFEL entwickelt und das Laserprinzip für Röntgenlaser erprobt. Im Jahre 2005 wurde ein kleinerer Freie-Elektronen-Laser (FLASH) für größere Wellenlängen am DESY erfolgreich in Betrieb genommen, der unter anderem wissenschaftliche und technische Studien im Hinblick auf die Realisierung und Nutzung des European XFEL ermöglicht.

Geplant wird der Röntgenlaser als europäisches Projekt mit starker Anbindung an das DESY. Die 3,4 km lange Anlage soll in den Ländern Hamburg und Schleswig-Holstein liegen. Sie wird auf dem DESY-Gelände in Hamburg-Bahrenfeld anfangen und in der an Hamburg grenzenden Stadt Schenefeld (Kreis Pinneberg) enden, wo die Experimentierhalle mit Platz für zehn Messstationen errichtet werden soll.

Mit Dänemark, Deutschland, Frankreich, Griechenland, Großbritannien, Italien, Polen, Russland, Schweden, Schweiz, Spanien, Ungarn, der Slowakischen Republik und der Volksrepublik China haben 14 Länder ihre Teilnahme an Bau und Inbetriebnahme des European XFEL erklärt. Die Baukosten für die erste Ausbaustufe der Europäischen XFEL-Anlage einschließlich 6 Messstationen belaufen sich auf maximal 1,08 Milliarden Euro (Preisniveau 2005). Davon trägt Deutschland knapp 600 Millionen und Russland als größter ausländischer Partner 250 Millionen. Die übrigen Partnerländer steuern jeweils zwischen 4 und 40 Millionen Euro bei. Auch die beiden beteiligten deutschen Bundesländer Hamburg und Schleswig-Holstein liefern mit 65 bzw. 25 Millionen Euro und der Bereitstellung der benötigten Grundstücke signifikante Beiträge

Am 30.11.2009 wurde im Hamburger Rathaus das völkerrechtliche Übereinkommen unterzeichnet, das den European XFEL als neues internationales Forschungszentrum etabliert. Bereits im Januar 2009 hatten in Hamburg und Schleswig-Holstein die Tiefbauarbeiten für den XFEL-Beschleunigertunnel und den Experimentiercampus begonnen. Die Inbetriebnahme der gesamten Anlage wird in 2014 erwartet.