Beamlines

Im 2300 Meter langen PETRA IV-Speicherring beschleunigen Elektronen bis auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Dabei entsteht ultrahelles Röntgenlicht. Das Licht gelangt in Röhren zu den Messplätzen, wo Forschende die unterschiedlichsten Proben damit durchleuchten.

Am 2300 Meter langen PETRA IV-Speicherring werden sich vier große Experimentierhallen gruppieren. Hier wird die Synchrotronstrahlung über die Strahlführungen zu den Messplätzen geleitet. Insgesamt entstehen für PETRA IV bis zu 35 dieser Strahlführungen, Fachleute sprechen von Beamlines. Die Messplätze bieten optimale Experimentierbedingungen für ganz unterschiedliche Forschungs- und Entwicklungsprojekte. So sind einige Messplätze auf die Analyse von Biomolekülen spezialisiert, andere auf die Untersuchung von neuen Hightech-Werkstoffen. Wieder andere ermöglichen die präzise Untersuchung von Nanomaterialien oder Mineralien aus dem Erdinneren.

Ein Forscher arbeitet an einem Messplatz.
Blick in eine Experimentierstation an der bestehenden Röntgenquelle PETRA III bei DESY. An dieser Beamline wurden Wirkstoffkandidaten gegen Corona entdeckt. Bild: DESY, C. Schmid

Leistungsstark und präzise: die neuen Beamlines

Die neuen Möglichkeiten von PETRA IV werden an rund 35 Beamlines genutzt. In der folgenden Liste sind neun dieser Beamlines detaillierter beschrieben.

Diese Beamline erzeugt hochenergetische Röntgenstrahlung, die Materialproben besonders tief durchdringen kann. Dadurch lässt sich zum Beispiel detailliert beobachten, wie sich ein Akku auf- und wieder entlädt – Erkenntnisse, die zu länger leistungsfähigen Speichermaterialien führen können.

Hier lässt sich Materie unter extremen Bedingungen untersuchen, insbesondere bei hohen Drücken und Temperaturen. Unter anderem geht es um die Herstellung neuer, diamantähnlicher Werkstoffe, die außergewöhnliche mechanische Eigenschaften zeigen.

Sie erlaubt es, Prozesse in ungeordneten Materialien zu verfolgen, etwa in Kunststoffen oder biologischen Zellen. Damit lässt sich beispielsweise analysieren, welche Rolle Wassermoleküle bei der Faltung von Eiweißmolekülen spielen oder was bei der Korrosion eines Werkstoffs geschieht.

Der Einsatz eines Spezialroboters erlaubt das automatische Wechseln von Materialproben und dadurch einen hohen Probendurchsatz, was eine besonders effektive Nutzung ermöglicht. Auch das Forschungsspektrum ist überaus breit: Von neuartigen Solarzellen über biologische Proben bis hin zu Mikrometeoriten lassen sich die verschiedensten Stoffe genauestens untersuchen.

Hier lassen sich Proben mit dem feinen Röntgenstrahl punktgenau abrastern, zum Teil mit Nanometer-Genauigkeit. Dadurch ergeben sich hochaufgelöste Bilder, die eine Vielzahl an physikalischen Informationen enthalten. Erforschen lassen sich unter anderem Hightech-Materialien, neuartige Supraleiter für Quantentechnologien, aber auch Gesteinsproben von Kometen und Asteroiden.

Sie ist auf die Untersuchung biologischer Systeme spezialisiert. Damit lassen sich Spurenelemente wie Kalium oder Kalzium in Organismen aufspüren und die Angriffspunkte von Krebsmedikamenten erfassen. Außerdem soll die Beamline extrem hochaufgelöste 3D-Bilder ermöglichen, auf denen womöglich sogar die Lage einzelner Biomoleküle in einer Zelle zu erkennen ist.

Hier lässt sich die Kristallstruktur einer Probe punktuell und sehr detailliert analysieren. Damit kann sichtbar gemacht werden, wie und wo genau sich das Kristallgitter in einer Batterieelektrode so aufblähen kann, dass es geschädigt wird. Nachhaltigere Batterien ließen sich so erforschen.

Bei dieser Beamline lassen sich unter anderem die elektronischen und magnetischen Eigenschaften einer Materialprobe sehr genau als Funktion des Ortes abtasten. Das kann zum Beispiel bei der Entwicklung hochempfindlicher Magnetsensoren helfen.

Diese Beamline analysiert die Elektronen, die beim Beschuss mit Röntgenstrahlung aus einer Probe herausgelöst werden. Damit können die elektronischen Eigenschaften von Halbleitern und neuartigen Quantenmaterialien extrem genau vermessen werden. Durch präzises Abrastern lassen sich auch elektronische Bauteile präzise inspizieren.

Christina Krywka im Gespräch mit einem Kollegen

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