FLASH – Pionier der Röntgenlasertechnologie

"FLASH" ist der erste Freie-Elektronen-Laser, der ultraviolettes Licht und weiche Röntgenstrahlung in Laserqualität erzeugt. Seine Lichtblitze sind so intensiv, dass sich damit chemische Reaktionen auf Molekularebene wie in einem Film zeigen lassen.

Eine Reihe von Spezialmagneten mit abwechselnden Nord- und Südpolen bringt die Elektronen in FLASH auf Slalomkurs. © DESY 2015 / Dirk Nölle

Bis zu 250 Forschende aus aller Welt reisen Jahr für Jahr nach Hamburg-Bahrenfeld, um mithilfe von "FLASH" moderne Forschungsfragen zu beantworten. Wie wirkt ein medizinischer Wirkstoff im Organismus? Warum geht ein Katalysator nach einer bestimmten Zeit kaputt? Welches Material eignet sich zur Energiegewinnung, welches zur Datenspeicherung?

Kleinste Partikel und Zellen

Um diese Fragen zu beantworten, muss man tief in die Welt der kleinsten Partikel und Zellen eindringen. Bis zu Beginn des 21. Jahrhunderts war kein Mikroskop in der Lage, diese nur millionstel Millimeter großen Molekülverbünde oder deren Bewegungen sichtbar zu machen. Mit "FLASH", dem weltweit ersten Freie-Elektronen-Laser, der ultraviolettes und weiches Röntgenlicht in Laserqualität erzeugt, wurden Aufnahmen der Nanowelt möglich. Seit 2005 forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der ganzen Welt an dieser Pionieranlage beim  Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg.

Film der chemischen Reaktion in Echtzeit

Bis zu 8000 Blitze pro Sekunde kann die Highspeed-Kamera "FLASH" produzieren. Diese Lichtpulse sind billiardstel Sekunden kurz, ebenso wie viele chemische Reaktionen im Molekularbereich. Indem man mit "FLASH" unzählige Bilder der einzelnen Reaktionsstadien aufnimmt und anschließend nebeneinanderlegt, entsteht ein Film der chemischen Reaktion in Echtzeit. Dieser Effekt ähnelt der Serienbildfunktion eines Fotoapparats. Allerdings schießt eine herkömmliche Digitalkamera im Durchschnitt gerade einmal 25 Bilder pro Sekunde.

Ultrakurze Röntgenlichtblitze

"FLASH" ist kein gewöhnlicher Laser: Die Anlage erzeugt ihre Lichtpulse mithilfe eines 315 Meter langen Linearbeschleunigers. Darin werden Elektronen über elektromagnetische Felder fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Eine Anordnung von Magneten zwingt die Elektronen auf einen Slalomkurs. In jeder Kurve senden die Elektronen dabei Lichtteilchen – die sogenannten Photonen –aus, die sich überlagern und ähnlich wie beim Laser im Gleichtakt schwingen. Durch die Verstärkung entstehen intensive und ultrakurze Röntgenlichtblitze.

Bessere Materialien, neue Medikamente

Die Technologie von "FLASH" ist für verschiedene wissenschaftliche Disziplinen hoch attraktiv. Vor allem Forschende aus den Materialwissenschaften, der Biologie und der fundamentalen Physik nutzen das Großgerät. Mit ihren Erkenntnissen über die Beschaffenheit von Nanopartikeln oder das Verhalten von Proteinen lassen sich Materialien verbessern und neue Medikamente entwickeln. "FLASH" selbst ist Vorbild für den Bau und Betrieb anderer Freie-Elektronen-Laser auf der ganzen Welt. Von den Erfahrungen mit "FLASH" profitiert insbesondere der europäische Röntgenlaser European XFEL, der in Hamburg und Schenefeld gebaut und 2017 fertiggestellt wird. Der European XFEL wird "FLASH" ergänzen, indem er brillantes Laserlicht im harten Röntgenbereich liefert. 2016 wurde "FLASH" um eine weitere Laserstrecke und eine zusätzliche Experimentierhalle ergänzt. Unter dem Namen "FLASH2020" sind weitere Ausbaumaßnahmen und technologische Verbesserungen geplant.

Förderung des Bundesforschungsministeriums

Das Bundesforschungsministerium beabsichtigt, die Leistungsfähigkeit und das Anwendungsspektrum von "FLASH" kontinuierlich zu erweitern. Im Rahmen der Verbundforschung förderte es im Zeitraum 2010 bis 2016 insgesamt 23 Projekte mit einer Gesamtsumme von knapp 12,4 Millionen Euro. Empfänger dieser Zuwendungen sind Forschungsgruppen an deutschen Hochschulen, die neue Geräte und Methoden an "FLASH" entwickeln. Darüber hinaus wird der Betreiber DESY als Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft vom Bundesforschungsministerium institutionell mit 230 Millionen Euro jährlich finanziert.