Ein Forscherteam unter DESY-Leitung hat erfolgreich die ersten wissenschaftlichen Experimente an Europas neuem Röntgenlaser European XFEL begonnen. Ziel der Gruppe um Anton Barty und Henry Chapman vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) bei DESY ist es, an der Messstation SPB/SFX die atomare Struktur verschiedener Biomoleküle zu entschlüsseln. „Wir freuen uns sehr über die ersten Nutzer. Wir können nun die Möglichkeiten der Einrichtung erstmals im vollen Betrieb testen“, betont European XFEL Geschäftsführer Robert Feidenhans’l.

Das SPB/SFX-Instrument unter Leitung von European-XFEL-Wissenschaftler Adrian Mancuso wurde zur Untersuchung von Biomolekülen wie etwa Proteinen entwickelt, die mit anderen Methoden nur schwer oder in manchen Fällen überhaupt nicht analysiert werden können. Ziel ist es, Struktur und Funktion der Moleküle besser zu verstehen. In der ersten Phase werden die Wissenschaftler zunächst sorgfältig ihre Instrumente einstellen und kalibrieren. „Zuerst müssen wir lernen, die neue Maschine zu benutzen“, erläutert Barty. „Das ist echte Pionierarbeit, keiner hat das zuvor gemacht.“

Die Feinabstimmung beginnt damit, die Proben schnell genug in den Röntgenstrahl zu befördern. Der European XFEL produziert Röntgenblitze mit einer unvorstellbar kurzen Taktrate von nur 220 Nanosekunden. Das heißt, dass in weniger als einer millionstel Sekunde vier Blitze in der Experimentierstation ankommen. Die Proben bestehen aus winzigen Proteinkristallen, die detaillierte Informationen über ihre atomare Struktur preisgeben, wenn man sie mit Röntgenlicht beleuchtet. Allerdings hat man bei jedem Kristall nur einen einzigen Schuss, weil der intensive Röntgenblitz den Kristall nahezu sofort verdampft. Daher muss alle 220 Nanosekunden ein neuer Kristall in den Röntgenstrahl befördert werden.

Auch der Detektor muss schnell genug sein, um alle 220 Nanosekunden ein neues Röntgen-Beugungsmuster der Proteinkristalle aufzunehmen. Das heißt, er muss in weniger als einer millionstel Sekunde vier Bilder machen. Um das zu erreichen, ist der European XFEL mit den schnellsten Röntgenkameras der Welt ausgestattet, die für die jeweilige Messstation maßgeschneidert wurden. Der Detektor der SPB/SFX-Station ist von einem internationalen Konsortium unter Leitung der Detektorgruppe aus dem DESY-Forschungsbereich Photon Science entwickelt und gebaut worden.

Nach der Feinabstimmung und Kalibrierung planen die Forscher, wissenschaftliches Neuland zu betreten und Proteine mit unbekannter Struktur zu röntgen. „Sehr viele Leute haben lang und hart gearbeitet, um diese Einrichtung und dieses wissenschaftliche Instrument zu bauen”, betont Mancuso. „Jetzt bekommen wir die ersten echten Daten in Zusammenarbeit mit unseren Nutzern, das markiert den Anfang eines neuen experimentellen Gebiets.“

Zeitgleich mit der Messstation SPB/SFX hat auch an der Messstation FXE der wissenschaftliche Experimentierbetrieb begonnen. FXE wurde entwickelt, um eine Art Molekülkino zu produzieren, das den genauen zeitlichen Ablauf chemischer Reaktionen zeigen kann. Forscher erwarten davon neue Einblicke in die genaue Funktionsweise zahlreicher Prozesse, etwa von Katalysatoren oder der Photosynthese.

„Die Mitarbeiter bei den Instrumenten und die unterstützenden Gruppen haben in den letzten Wochen und Monaten große Fortschritte erzielt“, sagt Feidenhans'l. „Gemeinsam mit den ersten Nutzern werden wir nun die Instrumente in Betrieb nehmen und erste wichtige wissenschaftliche Daten sammeln. Gleichzeitig werden wir den Ausbau unserer Einrichtung weiter vorantreiben und uns auf die Integration und Stabilität der Messinstrumente konzentrieren.“

Der European XFEL ist eine internationale Forschungseinrichtung mit Gesellschaftern aus derzeit elf Ländern. Mit einem Anteil von 58 Prozent ist DESY der Hauptgesellschafter. Der Röntgenlaser wird von einem supraleitenden Linearbeschleuniger angetrieben, den ein DESY-geführtes internationales Konsortium entwickelt und gebaut hat, und der von DESY betrieben wird. Die Pläne für den European XFEL wurden bei DESY entwickelt und reichen bis zu zwei Jahrzehnte zurück. Der Prototyp aller Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) weltweit, FLASH, ist seit 2005 bei DESY im Forschungsbetrieb.