Erde und Umwelt

PETRA IV wird den Blick für wesentliche Aspekte unserer Umwelt schärfen. Mit der Anlage können Forschende zukünftig Materie unter extremen Bedingungen und an Grenzflächen untersuchen. So wollen sie beispielsweise die einzigartigen Eigenschaften von Wasser entschlüsseln.

Wasser ist die Grundlage allen Lebens. Ohne Wasser funktionieren die meisten biologischen Prozesse nicht. In den Zellen lebender Organismen arbeiten die Proteine unermüdlich in einer Umgebung aus Wasser. In Meeren, Flüssen und Gletschern formt Wasser unseren Planeten und sein Klima – und Wasser ist essenziell für heutige und zukünftige Technologien. Dennoch sind viele außergewöhnliche Eigenschaften dieses einzigartigen Stoffes im Detail noch unverstanden. Um sie zu ergründen, müssen Forschende das komplexe Zusammenspiel der Wassermoleküle entschlüsseln.

Der technische Fortschritt von PETRA IV ermöglicht Analysen der Struktur und Dynamik von Wasser im notwendigen Detail. Daraus entstehen wesentliche Erkenntnisse für Natur- und Lebenswissenschaften, Technik und Gesundheit.

Der technische Fortschritt von PETRA IV ermöglicht Analysen der Struktur und Dynamik von Wasser im notwendigen Detail.

Daraus können wesentliche Erkenntnisse für Natur- und Lebenswissenschaften, Technik und Gesundheit abgeleitet werden.

Die Illustration stellt den röntgenmikroskopischen Blick in einen Wassertropfen bei drei verschiedenen Temperaturstufen dar. Die Einzigartigkeit der Molekülstruktur von Wasser wird anhand der Veränderung von warm zu gefroren greifbar gemacht. Im kühlen Wasser bilden Moleküle ein grobmaschiges, annähernd regelmäßiges Netz. In wärmeren Temperaturbereichen hingegen ordnen sie sich in Kettenformation zu unregelmäßigen, teilweise dicht gedrängten Strukturen. — Wasser zeigt viele Anomalien. Diese machen Leben auf der Erde möglich und sind wichtig für technische Anwendungen. Noch sucht die Forschung nach Erklärungen, um das einzigartige Verhalten von Wasser zu verstehen. Einer Theorie zufolge besteht es in seiner flüssigen Form aus zwei strukturell und dynamisch verschiedenen Komponenten (rot und blau eingefärbt). PETRA IV könnte diese Flüssigkeitszustände erstmals unterscheiden. Bild: DESY, Lucid Berlin

Messungen auf multiplen Zeit- und Längenskalen

PETRA IV wird die Dynamik von komplexen Molekülnetzwerken wie wässrigen Lösungen bis auf die Nanosekunde genau verfolgen, 100 bis 10 000 Male schneller als heute – bei maximaler räumlicher Auflösung.
Dies ermöglicht grundlegend neue Erkenntnisse über das makroskopische Verhalten komplexer Systeme.
Zusammen mit dem Röntgenlaser European XFEL erschließt PETRA IV Zeitskalen vom Femtosekundenbereich bis zu Sekunden, Minuten oder Stunden.

Von Wasser und Wasserstoff: Sonnenlicht kann Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff spalten. Dafür wird aber ein Katalysator benötigt. Wird der gespeicherte Wasserstoff wiederum verbrannt, setzt er dabei Wasser und Energie frei. Viele Forschende beschäftigen sich daher mit den chemischen Helferlein, den Katalysatoren.