Tausendsassa für die Strahlungserzeugung: ELBE – Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen

Die Strahlenquelle ELBE bietet vielfältige Möglichkeiten, Materialproben mit elektromagnetischer Strahlung oder verschiedenen Teilchen zu untersuchen. Ebenso breit gefächert sind die Anwendungen – von der Strahlentherapie bis zum WLAN-Sender.

In dieser Kammer am Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen ELBE treffen ein Laser- und ein Elektronenstrahl zusammen. Auf diese Weise erzeugen die Forschenden brillante Röntgenstrahlung. © HZDR/Frank Bierstedt

Ob zum besseren Verständnis von Atomkernen, für die Weiterentwicklung der Strahlentherapie bei Krebs, die Verbesserung von WLAN-Sendern oder die Untersuchung von Kulturgütern wie mittelalterlichen Orgelpfeifen: Wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Materialproben im Detail untersuchen, steht ihnen heutzutage eine große Bandbreite an Möglichkeiten zur Verfügung. Insbesondere können sie Proben mit elektromagnetischer Strahlung durchleuchten oder mit unterschiedlichen Teilchenarten beschießen. Jede dieser Methoden fördert andere Informationen über ein Material zutage, etwa über das Kristallgefüge, die Porendichte oder das elektrische und magnetische Verhalten.

Seit 2004 stellt das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf Forschenden aus Deutschland und aller Welt eine in ihrer Vielfalt einzigartige Anlage zur Verfügung: das Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen, kurz ELBE. Basis ist ein supraleitender Beschleuniger, der kurze Elektronenpulse bis fast auf Lichtgeschwindigkeit bringt. Diese Pulse erzeugen in der Folge intensive Gammastrahlung, starke Terahertz-Wellen, Infrarotlicht mit Lasereigenschaften sowie Neutronen, Elektronen und Positronen – allesamt hervorragende Sonden, um den inneren Aufbau einer Probe zu erkunden.

Unter anderem lassen sich gezielt Kristall-Defekte in Werkstoffen erzeugen und die Widerstandsfähigkeit von Materialien gegenüber der Strahlung ausloten. Zellkulturen werden mit kurzen Elektronenpulsen bestrahlt. Die Ergebnisse sind wichtig, um bestimmte Varianten der Strahlentherapie für die Krebsbehandlung weiterzuentwickeln. Auch für die Kern- und die Astrophysik bildet die ELBE-Strahlung ein wertvolles Werkzeug. Insbesondere lassen sich damit Kernreaktionen beobachten und analysieren: Daraus kann die Fachwelt ableiten, wie bestimmte Atomkerne im Detail aufgebaut sind. Für die Astrophysik lassen sich Prozesse im Labor nachvollziehen, wie sie sich bei der Elemententstehung im Inneren von Sternen abspielen.

Die Infrarot- und Terahertz-Laserblitze von ELBE erlauben vielfältige Experimente etwa an Halbleitern. So konnte ein Forschungsteam das Verhalten der Elektronen in Graphen, einer zweidimensionalen Variante von Kohlenstoff, detailliert beobachten. Eine andere Arbeitsgruppe brachte dünne Schichten aus einer Mangan-Gallium-Verbindung dazu, Terahertz-Strahlung auszusenden. In WLAN-Sendern könnte das die Datenraten künftig deutlich erhöhen.

Unter die Lupe nehmen lassen sich damit aber auch biologische Systeme: So hat ein Forschungsteam mithilfe der Terahertz-Pulse die Reizleitung in Nerven simuliert und im Detail beobachtet. Und mit dem Positronenstrahl von ELBE kann man Gitterdefekte in dünnen Schichten, nanometerkleine Poren in Membranen und Hohlräume in Schweißnähten vermessen. Eines der Teams hat damit sogar das Innenleben von mittelalterlichen Orgelpfeifen unter die Lupe genommen.

ELBE steht als Forschungsinfrastruktur einer weltweiten Nutzergemeinschaft offen. Jedes Jahr kommen rund 70 Forschungsgruppen aus verschiedensten Fachdisziplinen nach Dresden. Etwa ein Drittel stammt aus der Helmholtz-Gemeinschaft, zwei Drittel von Universitäten und Forschungseinrichtungen aus dem In- und Ausland. Im Rahmen der Verbundforschung fördert das Bundesforschungsministerium derzeit mit über 1,8 Millionen Euro (Förderzeitraum 2013 bis 2019) Projekte deutscher Universitätsgruppen an ELBE.