Physik Das Blitzdings im Untergrund

Ein Techniker verbindet die Leitungen für flüssiges Helium zwischen zwei Beschleunigermodulen im XFEL-Tunnel.

(Foto: Heiner Müller-Elsner)

Unter der Erde zwischen Hamburg und Schleswig-Holstein nimmt der weltweit stärkste Röntgenlaser XFEL seine Arbeit auf. Das teuerste Experiment Deutschlands soll Physikern völlig neue Einblicke ermöglichen.

Von Alexander Stirn, Schenefeld

Wer die Welt in ihrem Innersten verstehen will, muss in großen Maßstäben denken. In 3,4 Kilometer großen Maßstäben, um genau zu sein. Und er muss bereit sein, Grenzen zu überwinden - und sei es nur die Landesgrenze zwischen Hamburg und Schleswig-Holstein.

Dort, im Gewerbegebiet des Örtchens Schenefeld, zwischen Maisfeldern und Autolackierereien, erhält derzeit eine Versuchsanlage ihren letzten Schliff, die bereits vor dem Start mit Superlativen überschüttet wird. Sie gilt als derzeit teuerstes Experiment auf deutschem Boden. Als weltweit hellste Röntgenquelle. Als größter supraleitender Linearbeschleuniger auf dem Globus.

European XFEL heißt das Projekt in der sperrigen Sprache seiner Betreiber: europäischer Röntgen-(englisch: X-ray)-Freier-Elektronen-Laser. Geschäftsführer Robert Feidenhans'l formuliert es pompös: "European XFEL ist die Krönung von 35 Jahren Röntgenstrahlungs- und Beschleunigerphysik."

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Die Erwartungen sind immens. Wenn die Anlage, die weitgehend im norddeutschen Erdreich vergraben ist, am 1. September offiziell in Betrieb geht, wird sie Sekunde für Sekunde 27 000 extrem intensive Röntgenblitze erzeugen. Die Strahlung ist so hell, so flink und so kurz, dass Wissenschaftler sie wie ein monströses Mikroskop benutzen wollen. Sie sehen einzelne Moleküle, sie können - wie mit einer Stroboskopkamera - den Ablauf chemischer Reaktionen filmen. Zumindest sind das die großen Versprechen des European XFEL.

Die Reise des Röntgenlichts, das in Schleswig-Holstein Materieproben beleuchten soll, beginnt 3,4 Kilometer entfernt im Nordosten Hamburgs. Unweit der Trabrennbahn Bahrenfeld, auf dem stadtteilgroßen Campus des Deutschen Elektronensynchrotrons Desy, hämmert zunächst ein ultravioletter Laser auf einen Metallblock aus Cäsiumtellurid. Milliarden negativ geladener Elektronen werden dabei herausgeschlagen. Ein Beschleunigerrohr saugt diese paketweise ab und bringt sie innerhalb weniger Millimeter auf 99,48 Prozent der Lichtgeschwindigkeit.

Die Elektronen erreichen 99,9999999 Prozent der Lichtgeschwindigkeit

Das reicht den XFEL-Physikern allerdings nicht. Sie laden ihre Elektronen mit noch mehr Energie auf. In einem Betontunnel, 35 Meter unter Bahrenfeld, erstreckt sich daher ein knapp zwei Kilometer langes, dottergelbes Strahlrohr - eine Hightech-Pipeline für Elektronen. In ihrem Innern verbergen sich sogenannte Resonatoren. Die Bauteile sehen aus wie große Donuts, die jemand auf eine Stange gesteckt hat. Sie bestehen aus dem Schwermetall Niob und werden mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von minus 271 Grad Celsius gekühlt, nur zwei Grad über dem absoluten Nullpunkt. Das Kältebad ist nötig, damit Niob seinen elektrischen Widerstand verliert. Es wird, wie die Physiker sagen, supraleitend. Von außen angelegte Mikrowellen übertragen dann ohne Verluste ihre Energie auf die Elektronen.

Hundert Beschleunigerröhren, eine jede zwölf Meter lang, sollten ursprünglich im schnurgeraden XFEL-Tunnel verbaut werden. Zwei Module fielen bei den Funktionstests in Bahrenfeld allerdings durch. Da die Röhren nur im Viererpack montiert werden können, sind es nun 96 Elemente geworden. Zwei weitere Quartette wurden zudem beschädigt, als vergangenen Oktober bei Drucktests eine Heliumleitung von der Tunneldecke stürzte. Noch ist ihre Reparatur nicht abgeschlossen.

Auf den großen Monitoren des Kontrollraums, wo der Elektronenstrahl im Detail verfolgt werden kann, leuchten die fehlerhaften Röhren gelb und rot. "Zum Glück sind unsere Beschleunigermodule so gut geworden, dass wir die geplante Leistung auch mit weniger Elementen erreichen können", sagt Desy-Physiker Winfried Decking, der die Inbetriebnahme der Anlage leitet. Am Ende des Tunnels erreichen die Elektronen somit 99,9999999 Prozent der Lichtgeschwindigkeit.