Wie Synchrotrons funktionieren – das hellste Licht der Welt

Was ist ein Synchrotron?

Eine Synchrotron-Lichtquelle ist eine riesige, ringförmige Maschine, die Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und die intensive Strahlung nutzt, die sie aussenden, wenn sie gezwungen werden, die Richtung zu ändern. Das Ergebnis ist ein außergewöhnlich heller Röntgenstrahl – Milliarden Mal heller als die Sonne –, den Wissenschaftler auf alles richten, von alten Fossilien bis hin zu experimentellen Medikamenten.

Weltweit sind mehr als 50 Synchrotronanlagen in Betrieb oder im Bau, von der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankreich, über die Diamond Light Source in Oxfordshire, England, bis hin zum Australian Synchrotron in der Nähe von Melbourne. Sie dienen jedes Jahr Zehntausenden von Forschern.

Wie die Maschine funktioniert

Der Prozess beginnt mit einer Elektronenkanone, die einen Strom von Elektronen in einen Linearbeschleuniger feuert. Hier werden die Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt – typischerweise 99,9997 Prozent von c. Ein kleinerer Booster-Ring erhöht ihre Energie weiter, oft von etwa 100 MeV auf 3.000 MeV in weniger als einer Sekunde.

Die Elektronen gelangen dann in den Speicherring, eine polygonförmige Vakuumröhre, die einen Umfang von Hunderten von Metern haben kann. Leistungsstarke Ablenkmagnete lenken die Elektronen um die Kurven des Rings. Jedes Mal, wenn die Teilchen die Richtung ändern, geben sie Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung ab – Synchrotronstrahlung.

Um den Strahl zu verstärken, werden in vielen Anlagen Geräte namens Undulatoren oder Wiggler in gerade Abschnitte des Rings eingesetzt. Diese Anordnungen von abwechselnden Magneten zwingen die Elektronen zu schnellen Schwingungen, wodurch noch hellere, fokussiertere Röntgenstrahlen entstehen. Das Licht wird in Dutzende von Beamlines geleitet – einzelne experimentelle Stationen, die wie Speichen von einem Rad vom Ring nach außen strahlen.

Warum Synchrotronstrahlung so besonders ist

Gewöhnliche Röntgengeräte erzeugen einen breiten, relativ schwachen Strahl. Ein Synchrotron liefert dagegen Licht, das:

• Extrem hell ist – bis zu 10 Milliarden Mal intensiver als herkömmliche Quellen
• Hoch fokussiert ist – Strahlen können auf weniger als einen Mikrometer Breite verengt werden
• Abstimmbar ist – Wissenschaftler können präzise Wellenlängen auswählen, von Infrarot über Ultraviolett bis hin zu harten Röntgenstrahlen
• Gepulst ist – der Strahl kommt in ultrakurzen Bursts an, was zeitaufgelöste Experimente ermöglicht, die chemische Reaktionen in Echtzeit erfassen

Diese Eigenschaften ermöglichen es Forschern, Strukturen und Prozesse zu sehen, die für jedes andere Instrument unsichtbar sind.

Was Synchrotrons enthüllt haben

Medizin und Wirkstoffdesign

Die Synchrotron-Röntgenkristallographie war unerlässlich für die Kartierung der Struktur des Spike-Proteins des SARS-CoV-2-Virus und beschleunigte die Entwicklung von COVID-19-Impfstoffen und antiviralen Medikamenten. Die Technik hilft Pharmaunternehmen routinemäßig, zu visualisieren, wie sich Arzneimittelmoleküle auf atomarer Ebene an Krankheitsziele andocken.

Paläontologie

Die Phasenkontrast-Mikrotomographie an Synchrotronanlagen hat Weichteile in 300 Millionen Jahre alten Fossilien, Embryoknochen in 125 Millionen Jahre alten Eidechseneiern und unsichtbare Tinte auf alten Pergamenten aufgedeckt. Eine aktuelle Studie nutzte die Synchrotron-Bildgebung, um das "älteste Tintenfisch"-Fossil der Welt als Nautilus-Verwandten neu zu klassifizieren und so ein jahrzehntelanges evolutionäres Rätsel zu lösen.

Materialwissenschaften

Ingenieure verwenden Synchrotronstrahlen, um die Ausbreitung von Spannungsrissen in Turbinenschaufeln von Düsentriebwerken zu beobachten, Batterieelektroden beim Laden und Entladen zu untersuchen und die chemische Zusammensetzung von Solarzellen der nächsten Generation zu kartieren – und das alles, ohne die Probe zu zerstören.

Die nächste Generation

Synchrotrons der vierten Generation, wie das verbesserte ESRF-EBS in Grenoble und die brasilianische Sirius-Anlage, verwenden ein Multi-Bend-Achromat-Gitterdesign, das den Elektronenstrahl in ein noch dünneres Band quetscht. Das Ergebnis ist ein bis zu 100-mal helleres Licht als bei früheren Maschinen, das die Tür zur Abbildung einzelner Moleküle und zur Verfolgung chemischer Reaktionen im Femtosekundenbereich öffnet.

Solange Wissenschaftler das Unsichtbare sehen müssen – sei es in einer lebenden Zelle, einem Meteoriten oder einer alten Handschrift –, werden Synchrotrons eines der leistungsstärksten Werkzeuge im Forschungsarsenal bleiben.