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Was ist Forschung mit Synchrotronstrahlung?
 

Woraus besteht unser Planet? Welche Prozesse gehören zum Leben? Wie können wir die Eigenschaften der Materie erklären und neue Materialien entwickeln? Wird es eines Tages möglich sein, Viren zu besiegen, Naturkatastrophen vorherzusagen oder Verschmutzung zu vermeiden? Die meisten dieser Fragen können wir nur beantworten, wenn wir die Struktur der Materie genau kennen. Für diesen Zweck haben Wissenschaftler Instrumente entwickelt, die es erlauben, immer weiter in die Tiefe der Materie einzudringen, bis zu Molekülen und Atomen. Synchrotronstrahlungsquellen, die mit "Supermikroskopen" verglichen werden können, machen unschätzbare Informationen in vielen Forschungsbereichen zugänglich. Weltweit gibt es etwa 50 Synchrotronstrahlungsquellen, die von einer wachsenden Zahl von Wissenschaftlern genutzt werden.

Über Tausende von Jahren war unser Wissen über die Welt beschränkt auf die makroskopische Skala, Objekte, die wir mit den Augen sehen können. Obwohl das Konzept der Atome seit der Antike existiert, können wir erst seit dem 20. Jahrhundert die Materie auf atomarer Skala untersuchen. Um Atome zu "sehen", die etwa einen zehntel Nanometer groß sind (10-10 m), braucht man eine andere Art von "Licht", eines mit einer wesentlich kleineren Wellenlänge als sichtbares Licht. Diese Art von "Licht" ist als Röntgenstrahlung bekannt. Seit ihrer Entdeckung durch Röntgen im Jahr 1895 haben sich viele bekannte Anwendungen in der Medizin entwickelt. Sie erschließen uns aber auch die Anordnung von Atomen in Materialien.

Synchrotronstrahlung ist sehr intensiv. Der Strahl ist so dünn wie ein Haar. So wie ein Laser viel heller ist als eine Taschenlampe, ist die Strahlung, die in einer Synchrotronstrahlungsquelle erzeugt wird, eine Billion stärker als z.B. ein Röntgengerät im Krankenhaus. Deshalb kann man mit Synchrotronstrahlung mikroskopisch kleine Proben und sehr stark verdünnte Lösungen untersuchen oder sogar beobachten, was in sehr kurzen Zeitintervallen passiert, während chemische oder biologische Reaktionen ablaufen.

Forschung mit Synchrotronstrahlung ist hochgradig interdisziplinär. Die Forschungsbereiche, die heutzutage an der Nutzung der Synchrotronstrahlung partizipieren, erstrecken sich von der Physik als Basis- und in diesem Bereich Pionierwissenschaft über die Chemie, Materialforschung, Geo- und Umweltwissenschaften bis zu den Lebenswissenschaften Biologie und Medizin. Vor allem die Bioforschung, die bereits in den 70er Jahren sehr intensiv die grundlegende instrumentelle Entwicklung mit voran getrieben hat, profitiert in den letzten Jahren in stark zunehmenden Maße von der besseren Verfügbarkeit der Synchrotronstrahlung.

Weltweit wird heutzutage die weit überwiegende Zahl aller Proteinstrukturen (und dabei vermutlich alle komplizierten Strukturen) mithilfe der Synchrotronstrahlung aufgeklärt. Der in diesem Bereich in den letzten Jahren besonders stark gestiegene Bedarf an Strahlzeit kann allerdings von den vorhandenen Messeinrichtungen nicht mehr in ausreichendem Maße befriedigt werden. Auch in anderen Forschungsbereichen ist der Bedarf an hochwertiger Strahlung, die vor allem hinsichtlich Energieauflösung, Intensität, Polarisation, Zeitauflösung und Kohärenz optimiert ist, kräftig gestiegen. Dabei werden so unterschiedliche Ziele wie Untersuchungen an sehr kleinen Proben, Nanostrukturen und sogar einzelnen Molekülen, oder Spektroskopie mit extrem hoher Energie- und Ortsauflösung oder Experimente mit sehr hoher Zeitauflösung zum Studium der atomaren Dynamik in Festkörpern und Molekülen verfolgt. Deshalb denkt man in vielen Ländern intensiv über neue Quellen nach, die zum einen den stark gestiegenen "Grundbedarf" an hochbrillanter Synchrotronstrahlung zum Beispiel im Bereich der biologischen Strukturforschung, der Materialwissenschaft und der Grundlagenforschung decken und zum anderen einen Aufbruch zu neuen Ufern, d.h. zu Strahlungsquellen mit bisher unvorstellbaren Eigenschaften, ermöglichen sollen.

Quellen: ESRF-Broschüre "A Light For Science" / KFS-Broschüre "Forschung mit Synchrtronstrahlung in Deutschland - Status und Perspektiven (2001)"

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