Eröffnung des ESRF-EBS: Eine neue Synchrotron-Generation für Europa

„Die Eröffnung des ersten Hochenergie-Synchrotrons der vierten Generation ist ein Meilenstein für die gesamte Gemeinschaft der Röntgenwissenschaft. Wir alle sind begeistert von der revolutionären Wissenschaft und den neuen Anwendungen, die daraus entstehen werden. Alle Mitarbeiter des ESRF verdienen Lob für das Ergebnis, das trotz der gegenwärtigen Umstände rechtzeitig und im Rahmen des Budgets erreicht wurde“.

Sagt Miguel Àngel Garcia Aranda, Vorsitzender des ESRF-Council.

„Die neuartige Beschleunigertechnologie der ESRF-EBS öffnet die Tür zu revolutionären Einsichten in die molekulare Maschinerie komplexer Materialien und biologischer Systeme. Sie ist das neue Werkzeug für die Entwicklung zukünftiger Technologien und besserer Medikamente und damit von höchster Relevanz für die Zukunft der europäischen Gesellschaft“,

fügt Helmut Dosch, stellvertretender Vorsitzender des ESRF-Councils, hinzu.

„Dies ist ein Moment, der die gesamte Synchrotron-Community stolz macht.“, sagt Francesco Sette, Director-General des ESRF. „Mit der Eröffnung dieser brandneuen Generation von Hochenergie-Synchrotronen setzt das ESRF seine Vorreiterrolle fort und stellt Wissenschaftlern ein beispielloses Instrument zur Verfügung, mit dem die Grenzen der Wissenschaft durchbrochen und wichtige Herausforderungen unserer heutigen Gesellschaft, wie Gesundheit, Umwelt und Energie, angegangen werden.“

Eine neue Ära für die Röntgenwissenschaft und die Erforschung der Materie

Stellen Sie sich vor, Sie könnten ein menschliches Organ mit extrem hoher Auflösung scannen, um den Infektionsprozess besser zu verstehen, beispielsweise bei Krankheiten wie COVID-19. Oder wie wäre die Fähigkeit, das menschliche Gehirn auf Synapsenebene abzubilden, mit wichtigen Auswirkungen in dem Bereich neurodegenerativer Erkrankungen und in Entwicklung befindlichen Technologien, die auf künstlichen neuronalen Netzwerkarchitekturen basieren. Wie wäre es, wenn wir in der Lage wären, das Vorkommen von Nanopartikeln aus unseren alltäglichen Produkten in Mengen messen zu können, die bisher nicht nachweisbar waren, um ihre potenzielle Toxizität für die Umwelt besser bewerten zu können? Oder Lithiumatome während des Batteriezyklus für eine effizientere Ladung zu verfolgen? In der Lage zu sein, eine virtuelle Autopsie einer ganzen Mumie bis hin zur zellulären Größe durchzuführen? Oder wie wäre das 3D-Scannen eines T-Rex-Schädels bis hinunter zu den Wachstumslinien der Zähne?

Mit einer um den Faktor 100 gesteigerten Leistungsfähigkeit wird ESRF-EBS, das erste Hochenergie-Synchrotron der vierten Generation, die 3D-Erkundung von Materie von der Meter- bis zur Nanometerebene ermöglichen. Damit wird es Wissenschaftlern helfen, die Komplexität von lebender und kondensierter Materie besser zu verstehen.

Seit April haben Forscher den EBS-Strahl bereits zur Untersuchung von SARS-CoV-2, dem für die COVID-19-Pandemie verantwortlichen Virus eingesetzt, um die Auswirkungen der Krankheit auf menschliche Organe zu verstehen.

Eine neue Generation von Hochenergie-Synchrotronen

„Eine Traummaschine wird Wirklichkeit und liefert jetzt äußerst kleine Röntgenstrahlen, um die Synchrotron-Forschung voranzutreiben. Ich bin gespannt auf die Wissenschaft, die daraus entstehen wird!“, sagt Pantaleo Raimondi, Director der Abteilung Accelerator & Source am ESRF und Erfinder des ESRF-EBS-Konzepts.

Die neue Maschine wird einen bandförmigen Elektronenstrahl mit einer Höhe von 2 Mikrometern und einer Breite von 20 Mikrometern zirkulieren lassen, das entspricht einem Dreißigstel der Breite des bisherigen Strahls. Um diese Leistungen zu erreichen, hat die ESRF ein neues Gitter implementiert – das von Pantaleo Raimondi erfundene Hybrid-Multi-Bend-Achromat-(HMBA)-Gitter. Dieses basiert auf einer neuen Anordnung von innovativen Magneten: 1 000 Magnete – fast doppelt so viele wie im vorherigen Speicherring – sind in demselben 844 m langen Beschleunigertunnel untergebracht. Diese neue Magnetkonfiguration wird die Elektronen führen und fokussieren, um einen Röntgenstrahl zu erzeugen, der 100 Mal brillanter und kohärenter ist als bisher.

Die Herausforderung: Aufbau eines Synchrotrons der nächsten Generation in einer bestehenden Infrastruktur

„Die Karosserie eines Autos bleibt die gleiche, aber wir haben den alten Motor herausgenommen und einen neuen Ferrari-Motor eingebaut“, erklärt Pantaleo Raimondi.

Am 10. Dezember 2018 wurde eine der leistungsstärksten Röntgenquellen der Welt für 20 Monate abgeschaltet, nach 26 Jahren treuen Dienstes, nachdem sie den Weg für moderne Synchrotron-Quellen der dritten Generation weltweit geebnet hatte. Sie wurde nun durch eine neue Lichtquelle mit einem neuen revolutionären Konzept ersetzt und ist heute noch brillanter als zuvor: die ESRF-EBS.

Die Teams brauchten drei Monate, um den historischen Speicherring des ESRF abzubauen (Abtrennen von 200 km Kabel und Ausbau von 1720 Tonnen Geräten) und neun Monate, um die neue Maschine in dem Tunnel von 844 m Umfang zu installieren. Dann wurden die 10.000 innovativen technologischen Komponenten mit einer relativen Genauigkeit von weniger als 50 Mikrometern – etwa halb so dick wie ein menschliches Haar – über mehrere Kilometer ausgerichtet.

Am 28. November 2019 wurden erstmals Elektronen in den neuen EBS-Speicherring eingeschossen. Die Inbetriebnahme folgte, und am 14. März, kurz bevor der Standort aufgrund der COVID-19-Pandemie geschlossen wurde, wurden die zum Neustart erforderlichen Parameter für die Inbetriebnahme der Maschine fünf Monate vor dem geplanten Zeitpunkt erreicht.

Ein gutes Beispiel für internationale Zusammenarbeit

Die Wissenschaft muss mehr denn je international und global sein, um die komplexen Herausforderungen unserer Gesellschaft zu bewältigen. Seit seiner Gründung im Jahr 1988 hat das ESRF die Synchrotron-Forschung weltweit vorangetrieben. Nationen aus Europa und später aus anderen Teilen der Welt haben beschlossen, gemeinsam den Traum zu verwirklichen, einzigartige Möglichkeiten für neue Erkenntnisse im Dienste der Wissenschaft und damit der Menschheit zu schaffen. Angetrieben von wissenschaftlicher und technologischer Exzellenz, bereit, das Risiko des Unbekannten einzugehen und zu teilen sowie den Wert der internationalen Zusammenarbeit unabhängig von Fachrichtung, Geschlecht, Sprache und Kultur anzuerkennen, haben die ESRF-Partnerländer mit der erfolgreichen Umsetzung des EBS-Programms einen neuen Standard in der internationalen Zusammenarbeit gesetzt – und dies im Rahmen des vorhergesehenen Budgets und Zeitplans. ESRF-EBS ebnet den Weg für mehr als ein Dutzend Projekte weltweit, unter anderem auch in den Vereinigten Staaten und Japan.