Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) haben ein neues Feld der ultraschnellen Röntgenforschung eröffnet. Sie erzeugen extrem kurze Röntgenpulse im Femtosekundenbereich (billiardstel Sekunden), die mehr als eine Milliarde Mal heller sind als jede andere Röntgenquelle. Dies ermöglicht völlig neue Einblicke in die Materie: So lassen sich chemische Reaktionen filmen, Biomoleküle bei der Arbeit beobachten oder auch extreme Materiezustände erzeugen und untersuchen, wie sie im Inneren von Sternen und Planeten zu finden sind. Noch sind diese Instrumente und die Experimente daran weitgehend Pionieren mit Expertenwissen vorbehalten. Ein neues Helmholtz International Lab, das im Juni die Arbeit aufnimmt, soll in den kommenden Jahren Methoden entwickeln, die Röntgenlaser-Untersuchungen zur Routine auch für Nicht-Experten machen.

Die komplexen Messungen an Freie-Elektronen-Lasern wie FLASH und European XFEL in Hamburg und LCLS II in Kalifornien bestehen meist aus Zehntausenden bis Millionen Einzelmessungen, die in ultraschneller Folge aufgenommen werden. Das erzeugt nicht nur extrem große Datenmengen und -raten, sondern benötigt auch entsprechend viele Proben, da die Proben in der Regel vom Röntgenblitz zerstört werden. Für alle Einzelmessungen müssen neue Proben in den Röntgenlaserstrahl transportiert werden, bisweilen mit der Geschwindigkeit einer Kugel. Alle Komponenten des Experiments müssen exakt aufeinander abgestimmt funktionieren. Wenn es hierbei hapert, kostet das Messzeit und Geld.

Im „Helmholtz International Laboratory on Reliability, Repetition, Results at the most advanced X-ray Sources“ (HIR³X) haben sich DESY und das US-Beschleunigerzentrum SLAC in Kalifornien zusammengetan, um Techniken und Verfahren zu entwickeln, die eine verlässliche Anwendung von Röntgenlasern ermöglichen. European XFEL ist Partner des Labs. Die Kooperation wird von DESYs Leitendem Wissenschaftler Henry Chapman und dem stellvertretenden SLAC-Direktor Bruce Dunham koordiniert.

Zu den Zielen gehört unter anderem der Einsatz Künstlicher Intelligenz (KI) für Nachweis und Auswertung der Röntgensignale sowie für den Betrieb des Röntgenlasers. Darüber hinaus sollen Roboter zum schnellen Tausch der Proben entwickelt werden, um einen hohen Durchsatz und so eine optimale Ausnutzung der Messzeit zu erzielen. Außerdem soll eine Standardisierung bestimmter Experimenttypen und Verfahren ermöglicht werden, die nicht nur die Anwendung erleichtern, sondern auch die wissenschaftliche Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Gruppen fördern können. Die Entwicklungen im Rahmen von HIR³X sollen viele Messungen die automatisieren und dadurch einen verbesserten Ablauf und sogar ferngesteuerte Experimente ermöglichen, die unter anderem auch helfen können, Abstandsregeln zu wahren.

Die Finanzierung des Projekts leisten Deutschland und die USA zu gleichen Teilen. Die Helmholtz-Gemeinschaft fördert die Kooperation in den kommenden fünf Jahren mit insgesamt 1,5 Millionen Euro aus dem Impuls- und Vernetzungsfonds des Präsidenten. Die deutschen Partner investieren gemeinsam dieselbe Summe, und SLAC beteiligt sich entsprechend mit drei Millionen Euro. HIR³X ist eines von drei geförderten Helmholtz International Labs der diesjährigen Ausschreibung. Die beiden anderen beschäftigen sich mit der Kernfusion und einem besonders fein aufgelösten 3D-Atlas des Gehirns. „In der aktuellen Auswahlrunde der Helmholtz International Labs konnten wir drei vielversprechende Projekte aus der Materie-, der Energie- und der Hirnforschung auswählen. Sie forschen auf internationalem Spitzenniveau mit renommierten Partnern an hochaktuellen Fragen, deren Beantwortung substanzielle wissenschaftliche Durchbrüche und gesellschaftlichen Mehrwert liefern kann“, sagt Otmar D. Wiestler, der Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft.