Mit PETRA III betreibt DESY eine der besten Speicherring-Röntgenstrahlungsquellen der Welt. Forschergruppen aus aller Welt nutzen das intensive Röntgenlicht, das sich durch besonders hohe Brillanz auszeichnet, für eine Vielzahl von Experimenten – von der Medizinforschung bis zur Nanotechnologie. Doch der 2300 Meter lange Ringbeschleuniger PETRA hat noch mehr Potenzial: Er lässt sich zu einem extrem fokussierten und hochauflösenden 3D-Röntgenmikroskop ausbauen, das insbesondere den zukunftsweisenden Nano- und Materialwissenschaften herausragende Forschungsperspektiven bietet.

Unter dem Projekttitel PETRA IV plant DESY ein solches ultimatives Röntgenmikroskop, mit dem Forscher physikalische und chemische Prozesse im Inneren eines Materials auf allen Längenskalen untersuchen können – von Millimetern bis hin zu atomaren Dimensionen. Abläufe, die sich auf molekularer Ebene in Katalysatoren, Batterien oder Mikrochips abspielen, ließen sich unter realitätsnahen Betriebsbedingungen analysieren, Eigenschaften und Prozesse in vielversprechenden neuen Materialien verstehen und steuern, um Werkstoffe mit Nanostruktur gezielt maßschneidern zu können.

Die Erkenntnisse der Röntgen-Nanoanalytik sind unerlässlich für zukunftsweisende Anwendungen in der Energie-, Kommunikations- und Sicherheitstechnik sowie im Transport- und Gesundheitswesen. Auch für Nutzer aus dem industriellen Bereich bieten sich herausragende Perspektiven.

Fokussiert und extrem brillant

Die Röntgenquelle PETRA III erzeugt bereits heute einen sehr fokussierten, brillanten Röntgenstrahl, der Materie hervorragend durchdringen kann. Ein Schlüsselparameter dafür ist die sogenannte Emittanz, ein Maß für den Querschnitt und die Bündelung eines Teilchenstrahls in einem Beschleuniger. Je kleiner die Emittanz desto besser. Der geplante Ausbau zu PETRA IV würde die Emittanz nochmals drastisch um bis zu zwei Größenordnungen verringern. Das Ergebnis: Die gesamte Synchrotronstrahlung kann auf einen kleinsten Fleck fokussiert werden und damit können alle Röntgentechniken mit hoher Ortsauflösung – also mikroskopisch – durchgeführt werden. Dabei soll PETRA IV bei einer Photonenenergie bis 10 Kiloelektronenvolt an die fundamentale physikalische Grenze der Brillanz herankommen und langfristig weltweit einzigartige Messbedingungen für die Röntgennanoanalytik zur Verfügung stellen.

Die technische Realisierung sieht einen Neubau des Speicherrings innerhalb des bestehenden PETRA-Ringtunnels vor. Zudem werden bestehende Experimente angepasst und einige neue aufgebaut. In einer Vorbereitungsphase soll dazu bis zum Frühjahr 2018 ein Conceptual Design Report erstellt werden, der das wissenschaftliche und strategische Potenzial aufzeigt sowie eine komplett durchgerechnete technische Lösung für den neuen PETRA IV-Speicherring enthält. Die Umbauphase könnte Mitte 2024 beginnen und 2026 abgeschlossen sein.