FORSCHUNG FÜR DIE ZUKUNFT

Forschung bei DESY ist extrem vielseitig. Hier suchen die Wissenschaftler nach den kleinsten Materiebausteinen der Welt, entwickeln innovative Hightech-Werkstoffe und fahnden nach neuen Wirkmechanismen für künftige Medikamente. Als eines der größten deutschen Forschungszentren trägt DESY mit seiner Grundlagenforschung dazu bei, neues Wissen und neue Denkansätze zu schaffen. Das ist die Basis, um die Herausforderungen der Zukunft zu meistern: Themen wie Energieversorgung, Klimaschutz und Gesundheit erfordern langfristiges Denken, nachhaltige Lösungen und neue Technologien.

Die Forschung bei DESY hat drei Schwerpunkte:

 

BESCHLEUNIGER

Rennmaschinen für Höchstleistungen

Beschleuniger zählen zu den wichtigsten Werkzeugen der Forschung. Sie bringen winzige, elektrisch geladene Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten – bis fast an die Lichtgeschwindigkeit, auf annähernd 300 000 Kilometer pro Sekunde. Von den schnellen Teilchen profitieren die unterschiedlichsten Forschungsdisziplinen: Teilchenphysiker lassen sie frontal aufeinanderprallen, um die kleinsten Bausteine der Materie zu untersuchen. Chemiker, Materialwissenschaftler und Biologen erzeugen mit Beschleunigern das hellste Röntgenlicht der Welt, um verschiedenste Materialien unter die Lupe zu nehmen – von Flugzeugturbinen über Mikrochip-Halbleiter bis zu lebenswichtigen Proteinen. Und Mediziner nutzen Beschleuniger für die Krebstherapie. Mit energiereichen  Teilchenstrahlen lassen sich Tumore gezielt zerstören.

Die Beschleunigerphysiker bei DESY arbeiten an beiden Fronten. Mit der TESLA-Technologie haben sie gemeinsam mit internationalen Partnern ein innovatives Konzept entwickelt, auf dem nicht nur ein künftiger Superbeschleuniger für die Teilchenphysik basieren soll, sondern auch die stärkste Röntgenquelle der Welt – der Röntgenlaser European XFEL in Hamburg. Zudem tüfteln die Experten bereits an den Konzepten von übermorgen – an einem völlig neuen Prinzip, mit dem sich Teilchen eines Tages deutlich effektiver auf Trab bringen lassen könnten als heute.

 

Hightech für höchste Energien

In Teamarbeit entwickeln DESY-Physiker eine innovative Beschleunigertechnologie

Gemeinsam mit 50 Instituten aus zwölf Ländern entwickelt DESY seit den 1990er Jahren ein besonders effizientes Beschleunigerkonzept – die TESLA-Technologie. Anders als konventionelle Anlagen sind die TESLA-Beschleunigerelemente supraleitend und arbeiten deshalb nahezu verlustfrei: Die Energie der eingespeisten elektromagnetischen Felder wird fast vollständig auf den Teilchenstrahl übertragen. Allerdings funktionieren diese supraleitenden Elemente nur bei extremer Kälte und sind deshalb in wärmeisolierte Röhren eingebaut. In ihnen erzeugt Helium eine Temperatur von rund minus 271 Grad Celsius – ein Kühlschrank der Superlative.

Heute basiert der wegweisende Freie-Elektronen-Laser FLASH auf der TESLA-Technologie. Ab 2015 werden im Röntgenlaser European XFEL mehr als 800 supraleitende Beschleunigerelemente zum Einsatz kommen, auch ein künftiger Linearbeschleuniger für die Teilchenphysik fußt auf diesem innovativen Konzept. Derzeit sind die internationalen Partner dabei, die TESLA-Technologie noch leistungsfähiger und zugleich kostengünstiger zu machen. 

 

Wie ein TESLA-Beschleunigermodul entsteht

Das Metall Niob wird mehrfach geschmolzen, bevor es weiterverarbeitet wird.

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Wie ein TESLA-Beschleunigermodul entsteht

Bei DESY kommen alle Niob-Bleche zusammen und werden auf ihre Qualität überprüft.

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Wie ein TESLA-Beschleunigermodul entsteht

Ein Scanner tastet die Oberfläche nach Unreinheiten und Unebenheiten ab.

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Wie ein TESLA-Beschleunigermodul entsteht

Aus den Blechen werden Beschleunigerelemente geformt.

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Wie ein TESLA-Beschleunigermodul entsteht

Spezielle 3-D-software macht einen Gang durch den Beschleuniger virtuell möglich, bevor dieser überhaupt existiert.

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Wie ein TESLA-Beschleunigermodul entsteht

Im Reinraum werden die Beschleunigerelemente montiert.

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Wie ein TESLA-Beschleunigermodul entsteht

Langsam wird aus den einzelnen Elementen eine Kette - insgesamt acht Stück kommen in ein Beschleunigermodul.

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Wie ein TESLA-Beschleunigermodul entsteht

Heliumleitungen und andere Bauteile werden in das Modul eingesetzt.

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Wie ein TESLA-Beschleunigermodul entsteht

Die fertigen Module werden im Beschleunigertunnel aufgebaut.

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Vom Niob-Blech zum Präzisionsbauteil

Wie ein TESLA-Beschleunigermodul entsteht  

Für den Röntgenlaser European XFEL werden Beschleunigermodule der neuesten Generation gefertigt. Das Konzept dieser supraleitenden Resonatoren hat ein internationales Team unter Federführung von DESY entwickelt und bis zur Anwendungsreife geführt. Mittlerweile ist der Bau des Beschleunigerkomplexes in vollem Gange. Institute und Firmen bereiten die Serienproduktion der insgesamt 101 Module vor, in denen jeweils acht Resonatoren aus dem Metall Niob stecken. Fertigung und Zusammenbau dieser Hightech-Komponenten sind denkbar komplex. Gefragt sind höchste Präzision und Güte, damit der Elektronenstrahl später auf die gewünschte Energie beschleunigt werden kann.

 

FORSCHUNG MIT PHOTONEN

Der Nanokosmos im Röntgenlicht  

Die Lichtquellen bei DESY basieren auf Teilchenbeschleunigern und liefern extrem intensives Röntgenlicht. Diese Supermikroskope“ zeigen die atomaren Details und das Verhalten von Materialien und Biomolekülen – und bilden die Grundlage, um neue Technologien zu entwickeln.

Ein Beispiel bilden die Nanomaterialien, also Werkstoffe mit Strukturen im Millionstel-Millimeterbereich. Sie dringen immer weiter in den Alltag vor – von der Computertechnik über extrem kratzfeste Oberflächen bis hin zu optimierten Therapieverfahren in der Medizin. Auch neue energieeffiziente Materialien für Brennstoff- oder Solarzellen lassen sich entwickeln. Und nicht zuletzt profitiert die Medizin von dem interdisziplinären Anwendungspotenzial der DESY-Lichtquellen: Molekulare Mechanismen werden entschlüsselt, auf deren Grundlage Pharmafirmen neue Medikamente entwickeln können.

Mit dem Bau und Ausbau von exzellenten Lichtquellen und interdisziplinären Forschungskooperationen ist DESY international führend in der weltweiten Forschung mit Photonen.

 

Goldene Zeiten für die Sonnenenergie

DESY-Forschung verbessert Solarzellen  

Solarzellen, biegsam und billig wie eine Plastikfolie. Ihre Anwendungen klingen verlockend: Fenster beklebt mit Solarfolie können Strom spenden, beschichtete Rucksäcke vermögen Handys oder MP3-Player aufzuladen. Doch derzeit sind die sogenannten organischen Solarzellen weder besonders energieeffizient noch lange haltbar. DESY-Forscher helfen, ihre Eigenschaften zu verbessern.  

Organische Solarzellen bestehen aus elektrisch leitfähigen Kunststoffen, die mit metallischen Kontakten versehen werden. Dabei gilt: Je besser die Kontakte mit dem Kunststoff verbunden sind, umso mehr Energie lässt sich ernten. Ein Team um den DESY-Wissenschaftler Stephan Roth untersucht mit dem Röntgenstrahl von PETRA III, wie sich Goldatome und Plastik verbinden. „Mit dem intensiven und sehr feinen Röntgenstrahl von PETRA III können wir den gesamten Produktionsprozess detailliert überwachen“, erläutert Roth. „Das geht mit keiner anderen Methode.“

Quasi live beobachten die Experten, wie sich Nanoinseln aus Gold bilden – die Keimzellen für die Kontakte. Daraus gewinnen sie wichtige Hinweise, wie sich der Produktionsprozess optimieren lässt.

 

TEILCHENPHYSIK

Wie funktioniert das Universum?

Teilchenphysiker sind den grundlegenden Rätseln des Universums auf der Spur: Was hält das Weltall zusammen, und wie kommen Teilchen überhaupt zu ihrer Masse? Als DESY 1959 gegründet wurde, war die Erforschung der kleinsten Teilchen die Hauptaufgabe des Zentrums. Im Laufe der Jahrzehnte steuerte es zentrale Mosaiksteine zur Teilchenphysik bei: Mit dem Speicherring PETRA entdeckten Forscher das Gluon – jenes „Klebeteilchen“, das die Quarks zusammenschweißt und ohne das es keine Atome gäbe. Später durchleuchteten sie mit dem HERA-Beschleuniger das Proton mit extrem hoher Präzision. Das überraschende Ergebnis: Das Innenleben dieses für unsere Welt so wichtigen Teilchens entpuppte sich als viel komplexer als erwartet.

Heute beteiligen sich DESY-Forscher an den großen Experimenten am LHC in Genf, dem leistungsstärksten Beschleuniger der Welt. Andere werfen einen tiefen Blick in den Kosmos: Mit spektakulären Detektoren und Teleskopen analysieren die Experten exotische Teilchen, die aus fernen Winkeln des Weltalls kommen und über faszinierende Phänomene Auskunft geben können: schwarze Löcher, explodierende Sterne und Strahlungsausbrüche von unvorstellbarer Intensität.

 

Auf den Spuren von Higgs & Co.

Am Forschungszentrum CERN läuft der LHC, der stärkste Beschleuniger der Welt

Er ist das ehrgeizigste Projekt der Teilchenphysik: der Large Hadron Collider LHC beim Forschungszentrum CERN in Genf. Der gigantische Beschleuniger bringt Protonen auf bislang unerreichte Energien, um sie frontal aufeinanderprallen zu lassen. Bei diesen Kollisionen können exotische, kurzlebige Teilchen entstehen, die verraten, aus welchen Urbausteinen die Welt besteht. Komplexe Detektoren, groß wie Bürohäuser, beobachten das Geschehen. DESY-Physiker arbeiten – zum Teil federführend – an diesen Experimenten mit.

Mit seiner Rekordenergie soll der LHC einige der spannendsten Fragen der Physik beantworten, zum Beispiel: Wie kommen Elementarteilchen überhaupt zu ihrer Masse? Dem Physiker Peter Higgs zufolge durchzieht ein spezielles Feld den Kosmos, das den Teilchen Widerstand bietet und sie dadurch „schwer“ macht. Stimmt die Theorie, muss es sogenannte Higgs-Teilchen geben. Und tatsächlich: Im Sommer 2012 hat der LHC mit großer Wahrscheinlichkeit ein solches aufgespürt.

Aber die größte Wissenschaftsmaschine der Welt könnte auch ganz andere, bislang spekulative Phänomene finden. Faszinierend wäre etwa die Entdeckung sogenannter SUSY-Teilchen, die auch eine Erklärung für die dunkle Materie liefern könnten.

 

Fenster zum Universum

Botenteilchen für den Blick ins Weltall

Aus dem Weltall gelangen ständig unzählige Teilchen auf die Erde, die Auskunft über die Geschehnisse in den Weiten des Kosmos geben können. Die DESY-Forscher in Zeuthen nutzen zwei dieser Himmelsboten, Neutrinos und Gammastrahlung, um den Geheimnissen von Sternexplosionen, kosmischen Teilchenbeschleunigern – wie der Umgebung von schwarzen Löchern – oder der dunklen Materie auf die Spur zu kommen.

Unablässig prasseln Teilchen aus den fernen Weiten des Universums auf die Erdatmosphäre und lösen ganze Lawinen von sekundären Teilchen aus, die die gesamte Erdatmosphäre durchqueren. Einige dieser Teilchen aus dem Kosmos erreichen schwindelerregende Energien – bis über das Zehnmillionenfache der Energie des LHC, des leistungsstärksten je von Menschenhand gebauten Beschleunigers. Doch wo liegen die Quellen dieser hochenergetischen Geschosse? Sind diese Teilchen Boten aus der unmittelbaren Umgebung schwarzer Löcher, die wie gewaltige Mahlströme Materie verschlucken und dabei Energie in Form von ausgedehnten Materiestrahlen in den Raum schleudern? Oder kommen noch andere Himmelskörper als kosmische Teilchenbeschleuniger in Frage? Lässt sich mit Hilfe der kosmischen Strahlung etwas über die mysteriöse dunkle Materie in Erfahrung bringen? Gemeinsam mit Experten aus aller Welt gehen DESY-Forscher diesen Fragen auf den Grund.

 

„Seit über 50 Jahren werden bei DESY innovative Beschleunigerkonzepte und Technologien ent­wickelt, die es immer wieder ermöglichen,wissenschaftliches Neuland zu betreten.“

Dr. Reinhard Brinkmann, DESY-Direktor für den Beschleunigerbereich

„Mit PETRA III und FLASH besitzen wir zwei der weltweit besten Röntgenquellen, um den Aufbau und die Funktion von Materie detailliert zu untersuchen.“

Prof. Edgar Weckert, DESY-Direktor für den Bereich Forschung mit Photonen

„DESYs Teilchenphysiker sind an vorderster Front an den großen Experimenten weltweit beteiligt und suchen dort nach den Grundbausteinen des Universums.“

Prof. Joachim Mnich, DESY-Direktor für den Bereich Hochenergiephysik und Astroteilchenphysik

„Bereits heute spielt DESY eine herausragende Rolle in der internationalen Astroteilchenphysik. Das wollen wir stärken und den DESY- Standort in Zeuthen zu einem nationalen Zentrum auf diesem Gebiet ausbauen.“

Prof. Christian Stegmann, Leiter des DESY-Standorts Zeuthen