Einblicke mit Licht Forschung am Paul Scherrer Institut - Paul Scherrer Institut (PSI)
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Einblicke mit Licht Forschung am Paul Scherrer Institut
Ein Experiment an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS wird vorbereitet.
Inhalt
4 90 Sekunden über Forschung 18 Industrie und Innovation
mit Licht 18 Investitionen für Innovationen
18 Problemlösungen für die Industrie
18 Neue Technologien entwickeln
6 Strukturen des Lebens 19 Spin-off-Unternehmen
6 Tumorwachstum stoppen
7 Blind bei Nacht
20 Im Inneren der Synchrotron
7 Nobelpreis
Lichtquelle Schweiz SLS
8 Mensch und Gesundheit
22 Materie und Licht
8 Hirnforschung
22 Atome sind überall
8 Makellose Zähne
22 Überall ist Licht
23 Licht für Experimente
10 Material- und Ingenieur-
wissenschaften 24 Das besondere Licht der
10 Kohlenstofffasern
Synchrotron Lichtquelle
10 Feuerschutz
11 Rekordverdächtige Computerchips Schweiz SLS
25 Extrem schnelle Elektronen
25 Elektronen und Licht
12 Magnete manipulieren
25 Immer heller
12 Ein Atom, ein Speicherbit
13 Lichtschalter für Magnete
13 Nano-Magnete 26 SwissFEL – der Freie-Elektronen-
Röntgenlaser am PSI
14 Quantenmaterie 26 Was ist ein Freie-Elektronen-Röntgenlaser?
26 An der Spitze der Forschung
14 Orbitonen auf der Spur
26 Weltweite Zusammenarbeit
15 Supraleiter verstehen
27 Von Diamanten geformt
16 Energie und Umwelt
28 Wir machen’s möglich
16 Gas aus Holz
17 Bessere Batterien
17 Korrosionsschutz für Schiffe 31 Das PSI in Kürze
31 Impressum
31 Kontakte
Titelbild
Mithilfe von extrem hellem Röntgenlicht
und ultraviolettem Licht, die in der
Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS
erzeugt werden, erhalten Forschende einen
einzigartigen Blick in eine Welt, deren
Objekte eine Million Mal kleiner sind als
ein Sandkorn. Sie können so bestimmen,
wie Atome und Moleküle miteinander
verbunden sind oder in Echtzeit beobach-
ten wie sie sich verändern.
3
90 Sekunden über Forschung mit Licht
Die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS Das PSI beherbergt zwei weitere Gross-
am Paul Scherrer Institut PSI ist eine Art forschungsanlagen: Die Schweizer Spal-
Super-Mikroskop. Hier lassen sich win- lations-Neutronenquelle SINQ sowie die
zige Strukturen abbilden, die eine Million Schweizer Myonenquelle SμS. Jedes Jahr
Mal kleiner sind als ein Sandkorn. reisen mehr als 2500 Forschende aus der
Die SLS erzeugt extrem helle und gebün- Schweiz und der ganzen Welt ans PSI, um
delte Strahlen aus Röntgenlicht und die hier angesiedelte Forschungsinfra-
ultraviolettem Licht. Mit ihnen wird das struktur von Weltrang zu nutzen.
Innenleben verschiedenster Objekte
und Gebilde sichtbar. Die hohe Auflö-
sung reicht bis in die Welt der Atome Innovationen und
und Moleküle: An der SLS lässt sich
Entdeckungen
ergründen, wie die Bausteine der Mate-
rie angeordnet sind und wie sie sich Experimente an der Synchrotron Licht-
bewegen. quelle Schweiz SLS sind entscheidend,
wenn es darum geht, die Wissenschaften
voran zu bringen und Probleme in der
Seit über 100 Jahren nutzen Mediziner industriellen Entwicklung und Produktion
Röntgenlicht, um ins Innere des mensch- zu lösen. Hier werden aktuelle Fragestel-
lichen Körpers zu blicken. Ob es um ge- lungen aus der Medizin, der Energie- und
brochene Knochen, Tumoren oder löch- Umweltforschung sowie der Materialfor-
rige Zähne geht – Ärzte und Ärztinnen schung angegangen.
verschiedenster Fachrichtungen kommen Am SwissFEL werden ultrakurze, laser
heute nicht mehr ohne Röntgenapparate artige Pulse aus Röntgenlicht völlig neu
aus. artige Experimente in der Biologie,
Doch diese Apparate haben wenig zu tun Chemie, Physik und in den Material
mit den Röntgenanlagen, die in der aktu- wissenschaften ermöglichen.
ellen Forschung der Natur- und Ingenieur- Gemeinsam werden die Synchrotron
wissenschaften eingesetzt werden und Lichtquelle Schweiz SLS und der
deutlich intensiveres Röntgenlicht lie- SwissFEL der Forschung und Entwicklung
fern. Die Synchrotron Lichtquelle Schweiz in der Schweiz für viele weitere Jahre ei-
SLS ist eine solche Anlage. nen Spitzenplatz sichern. Sie werden
Das hier erzeugte Röntgenlicht ist eine auch in Zukunft Innovationen und bahn-
Milliarde Mal heller als dasjenige an brechende Entdeckungen möglich ma-
Krankenhaus-Röntgenapparaten und hat chen.
zudem einzigartige Eigenschaften. Mit Mehr über die Forschung mit extrem hel-
ihm lassen sich innerhalb von nur weni- lem Röntgenlicht und ultraviolettem Licht
gen Sekunden tausende hochpräzise und am PSI lesen Sie auf den folgenden
detaillierte Messungen durchführen. Seiten.
Zusätzlich wurde im Jahr 2016 eine wei-
tere neue Röntgenlichtquelle am Paul
Scherrer Institut PSI in Betrieb gesetzt:
Der SwissFEL – der Schweizer Freie-Elek-
tronen-Röntgenlaser. Er ist komplementär
zur SLS angelegt und wird es möglich
machen, Vorgänge zu untersuchen, die
für bisherige Untersuchungsmethoden zu
schnell sind.
4
Ohne die in die Praxis umgesetzten
Ergebnisse jahrzehntelanger
Materialforschung wären viele
Annehmlichkeiten unseres
modernen Lebens undenkbar.
5
Strukturen des Lebens Die moderne medizinische Forschung zeigt, dass dem Leben ein Gewimmel von Molekülen zu Grunde liegt, das dafür sorgt, dass Zellen erschaffen, Keime be- kämpft und Schäden repariert werden. Trotz grosser Fortschritte haben wir noch viel zu lernen, wenn wir immer mehr Krankheiten erfolgreich bekämpfen wol- len. Tumorwachstum stoppen Untersuchungen mit Röntgenlicht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS haben die Entwicklung von Präparaten ermöglicht, die beschädigte Blutgefässe reparieren oder Tumoren in ihrem Wachs- tum hemmen. Ein Schnitt in den Finger: Kleinste Blut- gefässe werden durchtrennt. Die Sauer- stoffzufuhr des umliegenden Gewebes reduziert sich. Alarmstufe für die betrof- fenen Zellen! Sie rufen ihre weiter entfernten Kollegen zu Hilfe, indem sie einen Botenstoff namens Wachstumsfak- tor in alle Richtungen losschicken. Dieser regt die unversehrten Zellen an, neue Zellen und Blutgefässe zu bilden, die die Wunde schliessen. Es gibt viele Arten von Wachstumsfakto- ren. Jeder von ihnen ist auf eine be- stimmte Zellart und deren Erneuerung spezialisiert: Hautzellen, Nervenzellen, Zellen für Blut- oder Lymphgefässe. Jedes Wachstumsfaktor-Molekül muss sich präzise ausrichten, um an ein pas- sendes Rezeptormolekül auf der anvisier- ten Zelloberfläche andocken und so diese Um diese unvorstellbar diffizilen moleku- Rezeptors entschlüsselt, die gemeinsam Zelle ansprechen zu können. Kurz: Die laren Strukturen abzubilden und zu für die Wundheilung von Blut- und Lymph- beiden komplexen und feingliedrigen analysieren, braucht es hochmoderne gefässen zuständig sind. molekularen Strukturen, von denen jede Röntgenanlagen wie die Synchrotron Auf der Basis solcher Messungen lassen aus Tausenden von Atomen besteht, müs- Lichtquelle Schweiz SLS. In kürzlich sich Medikamente entwickeln, die ver- sen exakt richtig im Raum angeordnet durchgeführten Experimenten haben For- hindern, dass Wachstumsfaktoren die sein, um wie Schlüssel und Schloss zuei- schende die genaue Struktur eines Bildung neuer Blutgefässe anregen, die nanderzupassen. Wachstumsfaktors und des zugehörigen ein Tumor zum Wachstum braucht. 6
Blind bei Nacht heilen. Sie könnten jedoch den Sichtver-
lust durch eine bestimmte Art der Netz-
Dass wir auch bei schwachem Licht noch hautdegeneration, die sogenannte Reti-
sehen können, verdanken wir einem nitis pigmentosa, abmildern.
lichtempfindlichen Molekül in der Netz-
haut unserer Augen: dem Rhodopsin.
Forschende am PSI untersuchen, wie Nobelpreis
genetische Defekte die Funktion dieses
Moleküls behindern und damit zu Krank- Der Chemie-Nobelpreis ging im Jahr 2009
heiten wie der angeborenen Form der unter anderem an Venkatraman Rama
Nachtblindheit führen. krishnan vom MRC-Labor für Molekulare
Biologie im britischen Cambridge. Geehrt
Rhodopsin ist ein extrem lichtempfind wurde er für die Entschlüsselung der
liches Protein, das in der Netzhaut unse- Struktur des Ribosoms, eines der gröss-
rer Augen dazu beiträgt, dass wir auch im ten und wichtigsten Moleküle in der
Dunkeln noch etwas erkennen können. Zelle. Einige der hierfür entscheidenden
Rhodopsin gehört zur grossen Familie der Messungen waren an der Synchrotron
sogenannten G-Protein-gekoppelten Re- Lichtquelle Schweiz SLS gelungen.
zeptoren. Diese Moleküle finden sich in
der Zellmembran, die die Zelle umgibt. Ein Ribosom ist ein kompliziert struktu-
Sie registrieren Änderungen ausserhalb riertes und auf mehreren Ebenen gefalte-
der Zelle und leiten entsprechende Sig- tes biologisches Riesenmolekül. In jeder
nale ins Zellinnere. Im konkreten Fall des Zelle sind unvorstellbar viele Ribosomen
Rhodopsins reagiert dieses auf eintref- damit beschäftigt, die genetische Infor-
fendes Licht, indem es seine Form ändert mation der Zelle in zehntausende ver-
und eine Kaskade von Signalen auslöst, schiedene Proteine zu übersetzen, die
die schliesslich das Hirn erreicht. wiederum vielfältige Aufgaben im Orga-
An der Synchrotron Lichtquelle Schweiz nismus erfüllen.
SLS haben Forschende Rhodopsin in sei- Um die Struktur des Ribosoms zu ent-
nem extrem kurzlebigen lichtaktivierten schlüsseln, mussten Forschende die Po-
Zustand abgebildet. Damit haben sie den sition jedes einzelnen Atoms, aus dem
Die Struktur eines Ribosoms, eines ersten Dominostein gefunden, der den es besteht, ausmachen. Da ein Ribosom
der wichtigsten Moleküle in einem Prozess namens „Sehen“ anstösst. aus Hunderttausenden von Atomen be-
Organismus. Der Forscher
Die Experimente haben auch gezeigt, steht, war dies eine der komplexesten
Venkatraman Ramakrishnan und
dass Nachtblindheit durch einen Defekt atomaren Kartierungen in der bisherigen
seine Arbeitsgruppe haben die Lage
in der Struktur des Rhodopsins verursacht Geschichte der Wissenschaft.
von mehreren hunderttausend Ato-
wird. Dieser Defekt führt dazu, dass Rho- Die Experimente waren ausschlaggebend
men in diesem Molekül bestimmt.
dopsin andauernd aktiviert ist – auch für das heutige Verständnis der Riboso-
Die dafür nötigen Experimente an der
dann, wenn kein Licht darauf trifft. Das men und ihrer Arbeitsweise. Sie halfen
Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS
Hirn würde also auch bei kompletter Dun- auch, die Unterschiede zwischen den
wie auch an anderen Lichtquellen
kelheit eine schwache Hintergrundhellig- Ribosomen in Bakterien und denen in
ermöglichten die wissenschaftlichen
Ergebnisse, für die Ramakrishnan – keit wahrnehmen. Ein irritierender Effekt, menschlichen Zellen auszumachen.
gemeinsam mit zwei weiteren den der Sehapparat umgeht, indem er Auf diese Art hilft eine genaue Kenntnis
Forschenden – 2009 den Chemie- schlicht unempfindlicher wird. der Ribosomen der modernen Medizin:
Nobelpreis erhielt. Mit dem Verständnis der molekularen Viele Antibiotika attackieren die bakte
Ursache wird es möglich, massgeschnei- riellen Ribosomen, ohne die mensch
derte Arzneimittel zu entwickeln. Diese lichen zu beeinflussen – und besiegen
würden zwar die Nachtblindheit nicht so unsere Infektionskrankheiten.
7
Mensch und Gesundheit
An der Synchrotron Lichtquelle Schweiz Die Ursache für Multiple Sklerose ist wei- Der Zahnschmelz ist das härteste Material
SLS wurden neue Techniken zur Bild terhin unbekannt. Oft verläuft die Krank- im menschlichen Körper. Er bildet die
gebung entwickelt, die erstaunliche De- heit milde, aber manche Menschen ver- äussere Schicht des Zahns, darunter be-
tails sichtbar machen und Forschenden lieren die Fähigkeit zu schreiben, zu findet sich das etwas weichere Zahnbein.
im Bereich Medizin helfen. sprechen oder zu laufen. Während sich viele Teile unseres Körpers
Ein neuartiges 3-D-Bildgebungverfahren – beispielsweise Knochen – selbst repa-
an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz rieren können, gilt dies nicht für unsere
Hirnforschung SLS macht es möglich, die Funktion des Zähne. Hier müssen Zahnärzte mit künst-
Myelins auf molekularer Ebene zu unter- lichen Zahnfüllungen nachhelfen.
Myelin ist eine mehrlagige, isolierende suchen. So konnten Forscher 3-D-Bilder Röntgenapparate in Zahnarztpraxen hel-
Membran, die die schützende äussere eines Rattenhirns erstellen, ohne es auf- fen, verborgene Zahnprobleme zu finden.
Schicht der Nervenfasern bildet. Ist das zuschneiden: Ein deutlicher Vorteil ge- Allerdings werden damit nur Strukturen
Myelin beschädigt, kann dies zu Erkran- genüber anderen Untersuchungsmetho- sichtbar, die grösser sind als etwa ein
kungen wie Multiple Sklerose führen. Ein den. hundertstel Millimeter.
neues Bildgebungsverfahren, das an der Bei der Untersuchung wird das Rattenhirn Röntgenuntersuchungen an der Synchro-
Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS langsam gedreht, während immer wieder tron Lichtquelle Schweiz SLS an gesunden
entwickelt wurde, kann das Myelin im Röntgenaufnahmen erstellt werden. Ins- und kranken Zähnen haben Details sicht-
Hirngewebe besonders detailliert abbil- gesamt 800 000 Bilder werden am Ende bar gemacht, die zehntausend Mal kleiner
den. mit einer Spezialsoftware zusammenge- sind.
setzt und zeigen die Verteilung und jewei- Auf dieser Grössenskala offenbart sich
Unser Nervensystem enthält Millionen lige Dicke des Myelins im Hirn. der hochkomplexe molekulare Aufbau
Nervenzellen, die Signale durch unseren Die Forschenden konnten auf diese Weise des Zahnschmelzes und des Zahnbeins.
Körper leiten. Typische Nervenzellen von feststellen, dass die Konzentration an Gerade dieser Aufbau macht unsere
Säugetieren haben einen Zellkörper, von Myelin rund um jene Nervenstränge am Zähne so hart und widerstandsfähig.
dem eine Nervenfaser wegführt, die we- grössten ist, die die rechte mit der linken Die Experimente machten die Anordnung
nige Millimeter oder auch mehr als einen Hirnhälfte verbindet. Diese neue Bildge- der hauchzarten Kollagenfasern im Zahn-
Meter lang sein kann. Im menschlichen bung eröffnet neue Möglichkeiten, Ver- bein sichtbar und den Bereich, in dem
Körper befinden sich die längsten Ner- änderungen des Myelins zu untersuchen Zahnschmelz und Zahnbein aufeinander-
venfasern im Ischiasnerv: sie reichen vom und in Zusammenhang mit verschiedenen treffen. Es zeigte sich, dass diese Struktur
Ende der Wirbelsäule bis zum grossen Krankheiten und Krankheitsverläufen zu in den verschiedensten Zähnen – selbst
Zeh. setzen. in den kariösen – immer sehr ähnlich war.
Die äussere Schicht der Nervenfasern Derzeit setzen Zahnärzte Füllungen ein,
besteht aus dem sogenannten Myelin, die den molekularen Aufbau der Zähne
einem elektrisch isolierenden Stoff, denn Makellose Zähne ausser Acht lassen. Die Ergebnisse der
in den Nervenfasern werden elektrische Studien am PSI legen nahe, dass Mate
Signale weitergeleitet – und das mit bis Zucker und eine mangelhafte Zahn rialien, die der natürlichen Struktur der
zu 400 Kilometern pro Stunde. Bei Per- hygiene – und schon gibt es schmerz- Zähne angepasst sind, beständiger sein
sonen, die an Multipler Sklerose erkrankt hafte Löcher und ein Besuch beim Zahn- könnten.
sind, ist diese Myelin-Schicht beschädigt, arzt wird nötig. Röntgenuntersuchungen
sodass Signale schlecht oder gar nicht der molekularen Struktur von gesunden
mehr transportiert werden – ähnlich wie und kranken Zähnen könnten zur Ent-
elektrische Kabel, die bei beschädigter wicklung neuartiger Zahnfüllungen füh-
Isolierung einen Kurzschluss erzeugen. ren, die deutlich länger haltbar sind.
8
Im Röntgenlicht betrachtet erscheint
der molekulare Aufbau von Zahnschmelz
und Zahnbein äusserst komplex.
Ihr Bauplan sorgt dafür, dass Zähne
hart und widerstandsfähig sind.
9
Material- und Ingenieurwissenschaften
Manchmal entwickeln sich neue Techno- taillierte 3-D-Abbildungen erzeugt. Diese Holz meistens an den Markstrahlen oder
logien sprunghaft – einfach dadurch, Abbildungen verglichen sie mit denen von an den Knotenpunkten der Jahresringe
dass neue Materialien eingesetzt wer- üblichen, kommerziellen Fasern. beginnen.
den. Ob ein potentieller Werkstoff seinen Die kommerziellen Fasern waren recht Bauingenieure und Forschende im Be-
Zweck erfüllen kann, lässt sich oft bereits einfach strukturiert: Sie hatten einen reich Brandschutz tragen die Daten vieler
vorab an der Synchrotron Lichtquelle dichten Kern, der von weniger dichtem verschiedener Messmethoden zusam-
Schweiz SLS entscheiden. Material umgeben war. Dagegen zeigten men, um zu verstehen, wie Baumateria-
die ligninbasierten Fasern eine schwam- lien bei den Temperaturen eines Gebäu-
martige Struktur mit winzigen Löchern, debrands reagieren. Dadurch sollen
die rund ein Tausendstel eines Sandkorns bessere Brandschutz-Massnahmen mög-
Kohlenstofffasern massen. lich werden.
Diese einzigartigen Einblicke werden es
Kohlenstofffasern, auch Carbonfasern Ingenieuren erlauben, den Zusammen-
genannt, sind sehr starr. Sie werden hang zwischen Struktur und Leistungs
gerne genutzt, um andere Materialien zu fähigkeit der Kohlenstofffasern besser zu
verstärken. Allerdings ist die Produktion verstehen.
PSI-Forschende haben auf solchen
der Fasern kostenintensiv. Daher suchen
spiegelnden Siliziumscheiben
Ingenieure nach Methoden, die Fasern
winzige Muster erzeugt, wie sie für
günstiger herzustellen. Feuerschutz zukünftige Computerchips benötigt
werden. Die entsprechende
Verbundstoffe mit Kohlenstofffasern sind Die grosse Hitze eines Gebäudebrandes Technik wurde an der Synchrotron
leicht und doch robust. Das macht sie zu kann dazu führen, dass Holzbalken split- Lichtquelle Schweiz SLS entwickelt.
idealen Materialien für Hochleistungs- tern, auch wenn sie sich weit entfernt von
Bauteile beispielsweise in Flugzeugen, den Flammen befinden. Hochgeschwin-
Yachten und medizinischen Prothesen. digkeits-Röntgenaufnahmen zeigen, wie
Als Ausgangsmaterial für Kohlenstoff die innere Struktur des Holzes seine me-
fasern dient meist das kohlenstoffreiche chanischen Eigenschaften beeinflusst.
Polyacrylnitril, kurz PAN. Lange Stränge
aus PAN werden unter Sauerstoff-Aus- Bäume wachsen vor allem im Frühjahr
schluss stark erhitzt. Ohne Sauerstoff und Sommer, was sich im Querschnitt des
kann das Material nicht brennen. Statt- Stamms als breiter, heller Ring zeigt. Im
dessen entstehen lange, ineinander ver- Herbst und Winter dagegen entsteht ein
zahnte Ketten von Kohlenstoff-Atomen, sehr viel schmalerer, dunklerer Ring aus
zwischen denen nur noch wenige Atome dichterem Holz. Durch diese Ringe hin-
anderer Elemente verbleiben. durch laufen sogenannte Markstrahlen,
Allerdings ist dieser Herstellungsprozess die vom Zentrum des Stamms nach aus-
recht teuer. Daher suchen Ingenieure der sen laufen und Wasser leiten.
Honda R&D Europe (Deutschland) GmbH An der Synchrotron Lichtquelle Schweiz
nach neuen Methoden, um bessere und SLS lässt sich Holz in einem speziellen
günstigere Kohlenstofffasern herzustel- Laser-Ofen schnell auf mehrere hundert
len. Lignin, ein im Holz vorkommender Grad Celsius erhitzen. Zugleich können
Stoff, kommt als alternatives Ausgangs- Forschende die Zellstruktur und Splitte-
material in Frage und wird derzeit dahin- rungsmuster per Röntgentomografie mi-
gehend untersucht. kroskopisch vermessen.
Zusammen mit Forschenden am PSI ha- Buchenholz beispielsweise wird in vielen
ben Ingenieure von Honda die Struktur Teilen Europas als langlebiges Hartholz
der Lignin-Fasern mittels moderner Rönt- eingesetzt. Forschende konnten zeigen,
gentomografie untersucht und hochde dass Risse durch Überhitzung in diesem
10Rekordverdächtige durchschnittlicher Siliziumchip enthält nik inzwischen ins tiefe UV bei 193 Nano-
Computerchips Millionen Transistoren pro Quadratmilli- metern vorgedrungen. Der nächste Schritt
meter. ins extreme UV bei 13,5 Nanometern ist
An der Synchrotron Lichtquelle Schweiz Für die Herstellung von Siliziumchips wird bereits in Aussicht.
SLS erproben Entwickler aus der Halblei- zunächst eine lichtempfindliche Schicht An der Synchrotron Lichtquelle Schweiz
ter-Industrie neue Herstellungstechniken auf das Silizium aufgetragen. Mit einem SLS haben Forschende des PSI solch
mit UV-Licht. Das PSI hält den Weltrekord hochpräzisen Lichtstrahl wird dann das extremes UV genutzt, um per Lithografie
für die kleinsten Strukturen, die je auf gewünschte Muster mit den feinen Details die kleinste Struktur der Welt herzustel-
einem Silizium-Chip erschaffen wurden. des Schaltkreises in diese Schicht ge- len: Reihen von elektrischen Leitungen,
schrieben. die gerade einmal 14 Nanometer ausein-
Mit Lithografie lassen sich kleinste Schalt- Künstler benötigen einen feineren Pinsel, ander liegen. Ein menschliches Haar da-
kreise auf Siliziumchips prägen. Dieser um kleinere Details malen zu können. In gegen ist rund 50 000 Nanometer breit
Technik verdanken wir heute E-Mail, Mo- der Lithografie hilft eine kürzere Lichtwel- und wächst 5 Nanometer pro Sekunde.
biltelefone, Internetvideos, aber auch lenlänge, um kleinste Strukturen zu er- Die Lithografie-Anlage des PSI ist dem
sichere Autos, Züge und Flugzeuge. zeugen. Industriestandard vermutlich um fünf bis
Der Grundbaustein aller Siliziumchips ist Daher nutzen kommerzielle Lithografiege- zehn Jahre voraus. Hier können Unterneh-
der Transistor: Ein winziger, präziser räte das kurzwellige Ultraviolett-Licht (UV). men und Universitäten ihre Herstellungs-
Schalter, der sich Millionen Male pro Von gewöhnlichem UV-Licht mit einer Wel- methoden für die Siliziumchips der nächs-
Sekunde an- und ausschalten lässt. Ein lenlänge von 365 Nanometern ist die Tech- ten Generation testen.
11Magnete manipulieren Computerfestplatten speichern Daten als kleinste magnetische Bits. Der Erfindung immer besserer Methoden zum Manipu- lieren von Magneten verdanken wir es, dass sich heute selbst grosse Dateien für Musik, Fotos und Videos digital bannen und wieder abrufen lassen. Zukünftige Technologien müssen einen schnellen Zugriff auf die weiterhin rasant wachsen- den Datenmengen erlauben. Ein Atom, ein Speicherbit Forschende an Schweizer Universitäten haben in Zusammenarbeit mit IBM in den USA im Labor Atome in einem Zustand erzeugt, den man in Zukunft dafür nutzen könnte, in Computern Daten in einzelnen Atomen zu speichern. MRAM ist eine Speichertechnik für Com- puter, mit der sich Daten dauerhaft spei- chern lassen. Die Technik wird unter anderem in Flugzeugen und Satelliten- Kontrollsystemen eingesetzt, da kosmi- sche Strahlen MRAM nichts anhaben können. Damit sich zukünftig mehr Daten pro Volumen speichern lassen, müsste die Grösse der MRAM-Komponenten verrin- gert werden. Doch die atomare Struktur des Materials selbst bildet eine absolute Untergrenze. Ein einzelnes Atom ist die kleinste mögliche Struktur, in der Daten gespeichert werden könnten. Ein Forschungsteam aus der Schweiz und den USA konnte nun mithilfe von Experi- Das PSI nimmt eine Spitzenposition menten am PSI zeigen, dass einzelne ein, wenn es um die Untersuchung Kobaltatome auf einer ultra-dünnen Ober- neuer Materialien geht, bei denen fläche aus Magnesiumoxid in einen hoch- sich die magnetischen Eigenschaften energetischen Zustand versetzt werden durch Pulse von Laserlicht verändern können, der einen Schritt auf dem Weg lassen. zu Magneten aus einzelnen Atomen dar- stellt. 12
Lichtschalter für Magnete Die Experimente nutzen einen Laserpuls,
um die Magnetisierung zu schalten, sowie
Bei einer neu entwickelten Art von Mate- einen zeitlich darauf abgestimmten, ult-
rialien lässt sich die Richtung der Magne- rakurzen Röntgenpuls, der unmittelbar
tisierung mit einem Lichtpuls gezielt nach dem Laserpuls einen Schnappschuss
schalten. Die Erforschung dieses ausser- der magnetischen Ausrichtung aufnimmt.
gewöhnlichen Effekts ist noch im Anfangs- Die Forschenden konnten eindeutig zei-
stadium, dennoch gibt es bereits eine gen, dass die magnetische Schaltung per
Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten. Lichtpuls funktioniert. Welcher Effekt sich
genau dahinter verbirgt, ist jedoch noch
Forschende am PSI haben gezeigt, dass nicht abschliessend geklärt. Die For-
sich in bestimmten Materialien die mag- schungsgemeinde plant hierzu weitere
netischen Eigenschaften mit dem Licht- Experimente.
puls eines Lasers gezielt ändern lassen.
Diese neuartige Fähigkeit hat weitrei-
chende Anwendungsmöglichkeiten, da- Nano-Magnete
runter auch die zur ultraschnellen Daten-
speicherung. Winzige Magnete verschiedener Formen
Festplattenlaufwerke speichern Daten auf lassen sich auf einem Untergrund aus
einer sich schnell drehenden Scheibe, Silizium präzise zu unterschiedlichen
die mit einer magnetisierbaren Schicht Mustern anordnen. Sind die einzelnen
überzogen ist. Während die Scheibe unter Magnete kleiner als ein Mikrometer,
einem kleinen Schreib- und Lesekopf kommen neue physikalische Phänomene
dahinsurrt, werden die Speicherbits als zum Vorschein. Solche Strukturen könn-
ein Muster magnetischer Nord- und Süd- ten in Zukunft eine Rolle in der Elektronik
pole geschrieben. spielen: als digitales Speichermedium
In derzeitigen Festplatten dauert dieses oder für logische Verknüpfungen.
magnetische Schalten – beispielsweise
das Vertauschen von Nord- und Südpol – Eine Forschungsgruppe am PSI hat eine
typischerweise einige Nanosekunden. Methode entwickelt, Muster aus winzigen
Mit den neuen Materialien und einem Magneten auf einem flachen Untergrund
Laserpuls wird diese Zeitspanne 1000 Mal anzuordnen und diese mit einem Rönt-
kürzer: Das Schalten per Licht dauert genmikroskop an der Synchrotron Licht-
dann nur rund eine Pikosekunde (ein quelle Schweiz SLS zu untersuchen.
Millionstel einer Millionstelsekunde). Sind sechs dieser länglichen Magnete
Manche der anspruchsvollen und extrem wie die Kanten eines Sechsecks angeord-
präzisen Experimente zum magnetischen net, so richtet sich ihre Magnetisierung
Schalten mit Licht können nur an be- automatisch ringförmig aus: jeder Nord-
stimmten Grossforschungsanlagen der pol trifft dann auf den Südpol des nächs-
neuesten Generation durchgeführt wer- ten Magneten. Im Röntgenmikroskop wird
den, den sogenannten Freie-Elektronen- diese magnetische Ausrichtung sichtbar.
Röntgenlasern (XFEL). Seit mehreren So lässt sich auch verfolgen, was ge-
Jahren reisen Forschende vom PSI zu schieht, wenn mehr und mehr dieser
Röntgenlasern anderer Institute wie der Sechsecke aneinandergefügt werden.
LCLS in den USA oder dem SACLA in Ja- Dieses gut kontrollierbare System dient
pan, um XFEL-Experimente durchzufüh- den Forschenden als Modell, mit dem sie
ren. Nun entsteht mit dem Freie-Elektro- die Konstellationen und Wechselwirkun-
nen-Röntgenlaser SwissFEL ein XFEL gen in tatsächlichen Materialien nach-
direkt am PSI sowie mit dem European stellen. Präzise mathematische Modelle
XFEL eine ähnliche Anlage in Hamburg. helfen ihnen, die experimentellen Ergeb-
Bald werden Forschende aus Europa für nisse zu verstehen.
solche Experimente nicht mehr den Kon-
tinent wechseln müssen.
13Quantenmaterie
Bei der Erforschung von Quantenmaterie Orbitonen auf der Spur tron und Atomkern zerren und schieben
untersuchen Wissenschaftler das kom- alle anderen Elektronen und Kerne. Die
plexe und unerwartete Verhalten, das Bereits vor über 30 Jahren wurde eine starken Wechselwirkungen und die un-
sich zeigt, wenn in einem Festkörper ungewöhnliche, synchrone Bewegung vorstellbare Anzahl der beteiligten Teil-
viele Elektronen miteinander interagie- der Elektronen in einem Festkörper vor- chen machen es so gut wie unmöglich,
ren. Die hierbei auftretenden unerwarte- hergesagt. Nun haben Physiker an der ihr Verhalten vorherzusagen und zu ver-
ten Effekte liessen sich eines Tages nut- Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS sie stehen.
zen, um elektronische Materialien einer tatsächlich beobachten können. Physiker vereinfachen daher die Beschrei-
neuen Generation herzustellen. bung von Festkörpern durch die Einfüh-
Im Inneren eines Festkörpers herrscht ein rung sogenannter Quasiteilchen. Diese
kompliziertes Gemenge: An jedem Elek sind keine realen Objekte, sondern eine
14gewünschte Berechnung durchgeführt Einfachste supraleitende Materialien sind
Das komplexe Verhalten von Elektronen werden kann. Die Orbiton-Umwandlun- bereits gut verstanden. Allerdings werden
in einem Supraleiter kann mit der hoch- gen sind extrem schnell: Sie dauern nur immer weitere Materialien entdeckt, die
modernen Technik an der Synchrotron wenige Femtosekunden, also ein Milli- bei tiefen Temperaturen supraleitend
Lichtquelle Schweiz SLS sehr genau ver- onstel einer Milliardstel Sekunde. Diese werden, und auf die sich die bisherigen
messen werden. hohe Geschwindigkeit macht Spinonen Erklärungen nicht anwenden lassen.
und Orbitonen zu vielversprechenden Diese neuen Materialien werden bereits
Kandidaten für die Informationsspeiche- bei rund minus 170 Grad Celsius supra-
rung in einem zukünftigen Quantencom- leitend – und werden daher Hochtempe-
puter. ratur-Supraleiter genannt.
verkürzte Art und Weise, um die kollektive Der wichtigste Baustein typischer Hoch-
Bewegung sehr vieler Teilchen zu be- temperatur-Supraleiter sind Schichten,
schreiben. Supraleiter verstehen in denen Kupfer- und Sauerstoffatome in
Statt die verschachtelten Bewegungen einem quadratischen Muster angeorde-
aller Elektronen in einem Festkörper zu Supraleiter gehören zu den grossen Ent- net sind. Die Kupferatome verhalten sich
bestimmen, werden entsprechende Qua- deckungen des 20. Jahrhunderts. Ihre wie winzige Magnete und scheinen da-
siteilchen betrachtet. Diese Quasiteil- verblüffende Eigenschaft, bei niedrigen durch in noch ungeklärter Weise für die
chen bewegen sich durch den Festkörper Temperaturen elektrischen Strom kom- hohe Supraleitungs-Temperatur verant-
und ignorieren dabei einander. plett verlustfrei zu transportieren, wird wortlich zu sein. Dies überrascht, da sich
Ein einzelnes Elektron lässt sich nicht immer weitreichender genutzt. Forschende üblicherweise Magnetismus und Supra-
weiter teilen – Elektronen sind soge- am PSI sind an vorderster wissenschaft leitung gegenseitig ausschliessen: Klas-
nannte Elementarteilchen. Dennoch sag- licher Front dabei, eine umfassende Erklä- sischerweise zerstört jedes Magnetfeld
ten in den 1980er Jahren Physiker voraus, rung für den Supraleitungs-Effekt zu fin- den supraleitenden Zustand.
dass sich Elektronen, die sich von Atom den. Eine Forschungsgruppe aus den USA hat
zu Atom bewegen, als drei Sorten von sich darauf spezialisiert, atomar dünne
Quasiteilchen betrachten lassen: Holon, Die Supraleitung wurde im Jahr 1911 ent- Supraleiter herzustellen: Ihre Material-
Spinon und Orbiton. Das Holon trägt die deckt. In supraleitenden Drähten fliesst schichten sind nur eine oder zwei Kupfer-
Ladung eines Elektrons, das Spinon sei- elektrischer Strom komplett widerstands- oxid-Lagen dick.
nen elementaren Magnetismus und das los und somit ohne jeglichen energeti- Im Rahmen einer einzigartigen Zusam-
Orbiton trägt Energie und Impuls des schen Verlust. Supraleiter können Strom- menarbeit reisten die US-Forschenden
Elektrons. stärken transportieren, die mehr als ans PSI und nutzten die extrem präzisen
In einem besonders anspruchsvollen Ex- einhundert Mal so gross sind wie die in Röntgeninstrumente an der Synchrotron
periment haben Physiker am PSI Orbiton- einem Kupferkabel desselben Durchmes- Lichtquelle Schweiz SLS. Das PSI ist die
und Spinon-Quasiteilchen in einem sers. einzige Forschungseinrichtung weltweit,
Material vermessen können. Hierfür fo- Allerdings müssen entsprechende Mate- an der die Forschenden die nötigen Mes-
kussierten sie Röntgenlicht auf eine rialien mit flüssigem Stickstoff oder He- sungen durchführen konnten.
Gruppe von Elektronen und beobachte- lium auf tiefe Temperaturen gekühlt wer- Die Experimente zeigten, dass in diesen
ten, wie sich daraufhin Spinon und Orbi- den, um zu Supraleitern zu werden: Bei extrem dünnen supraleitenden Filmen tat-
ton mit unterschiedlicher Geschwindig- vielen Materialien tritt ihre supraleitende sächlich Magnetismus vorhanden war. Den
keit in verschiedene Richtungen der Eigenschaft erst bei rund minus 260 Grad Forschenden gelang es, ihre Ergebnisse mit
Elektronengruppe fortbewegen. Celsius ein. einem simplen Erklärungsmodell zu be-
Orbitonen liessen sich womöglich für Supraleiter werden unter anderem in den schreiben und zu zeigen, dass der Magne-
einen Quantencomputer nutzen. Dieser Magnetresonanztomografen von Kran- tismus im Material die hohe Supraleitungs-
könnte Berechnungen deutlich schneller kenhäusern eingesetzt oder als elektro- temperatur überhaupt erst ermöglicht.
ausführen als heutige Rechner. nische Filter in Mobilfunkstationen. In Dieses Forschungsergebnis bringt die
Eine grosse derzeitige Hürde für Quan- manchen Stromnetzen transportieren sie Wissenschaft einen Schritt weiter auf dem
tencomputer ist, dass Speicherzustände grosse Mengen elektrischen Stroms über Weg, den Traum von einem Supraleiter
typischerweise zerstört werden, bevor die kurze Strecken. bei Raumtemperatur zu realisieren.
15Energie und Umwelt
Ein sparsamer Umgang mit den begrenz- Gas aus Holz sich Biogas herstellen. An vielen Stand-
ten Ressourcen unseres Planeten ist orten der Schweiz geschieht dies bereits.
wichtig für die Gesellschaft. Die For- Holz ist eine vielseitige und erneuerbare Holz dagegen lässt sich nicht so leicht
schung am PSI trägt dazu bei, die Aus- Energiequelle. Auch in Schweizer Wäl- fermentieren und wird üblicherweise im
wirkungen menschlicher Aktivitäten auf dern kann Holz nachhaltig genutzt wer- heimischen Kamin verbrannt.
die Umwelt zu begrenzen. den. Am PSI haben Forschende eine effi- Das Paul Scherrer Institut PSI hat ein
ziente Technologie entwickelt, mit der Verfahren entwickelt, mit dem sich Holz
sich aus Holz synthetisches Erdgas her- auch auf andere Weise als Energiequelle
stellen lässt. nutzen lässt: als Erdgas. Für die Umwand-
lung wird das Holz zunächst stark erhitzt,
PSI-Forschende arbeiten daran,
Aus den Bioabfällen von Privathaushal- sodass der Feststoff zu einem heissen
möglichst leistungsfähige
Gas aus Holz ten, Bauernhöfen und Kläranlagen lässt Gasgemisch wird. Diese Gase werden
Materialien für Prototypen auflad
barer Natriumionen-Batterien
zu entwickeln. An der Synchrotron
Lichtquelle Schweiz SLS kann in
Echtzeit auf der Ebene einzelner
Atome beobachtet werden, wie sich
die in der Batterie verwendeten
Materialien beim Laden und Entladen
verändern.
16rekombiniert und formen synthetisches Forschende am PSI ein Material entwi- der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS
Erdgas, das in das bestehende Erdgas- ckelt, das erfolgreich den Schwefel aus extrem schnell erstellen. Sie offenbaren
netz eingespeist werden und somit flexi- dem heissen Gas abscheidet. viele hilfreiche Details zur Struktur ver-
bel und ortsunabhängig genutzt werden Das neue Material basiert auf dem Ele- schiedener Materialien innerhalb der
kann. ment Molybdän. Seiner Entwicklung gin- Batterie. Mehrere Dutzend Prototypen
Das heisse Gasgemisch, das anfangs gen Untersuchungen mit Röntgenlicht einer Batterie lassen sich dabei zeitgleich
entsteht, enthält Kohlenmonoxid und voraus, die den Ablauf chemischer Reak- untersuchen.
Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasser- tionen abbilden konnten. Auf der Grund- Auf lange Sicht sollen Natriumionen-
dampf. Hinzu kommen einige uner- lage dieser Messungen wurde das Mate- Batterien entwickelt werden, die sich so
wünschte Nebenprodukte wie Teer und rial perfekt an die hier vorliegenden einfach und bequem nutzen lassen wie
schwefelhaltige Verbindungen. Gegebenheiten und Bedürfnisse ange- Lithiumionen-Batterien. Forschende am
Diese schwefelhaltigen Stoffe gilt es im passt. PSI konzentrieren ihre Anstrengungen
nächsten Schritt zu entfernen. Sie lassen darauf, diese neue Technologie bestmög-
Leitungen korrodieren und schädigen die lich zu verwirklichen.
Materialien, die das heisse Gasgemisch Bessere Batterien
schliesslich in Methan – den Hauptbe-
standteil von Erdgas – umwandeln. Heute sind Lithiumionen-Batterien die Korrosionsschutz für Schiffe
Mithilfe von Experimenten an der Syn- Standard-Akkus für Laptops, Tablets und
chrotron Lichtquelle Schweiz SLS haben Mobiltelefone. Doch eine neue Art, die Schiffe und andere Objekte, die dem
Natriumionen-Batterie, könnte – bei bei- Meerwasser ausgesetzt sind, werden mit
nahe gleicher Energiedichte – in der speziellen Schutzschichten vor der kor-
Herstellung deutlich günstiger sein. rodierenden Wirkung des Salzwassers
geschützt. 3-D-Röntgenaufnahmen der
Die Speicherung von Energie ist eine Mikrostruktur solcher Lacke offenbaren
grosse gesellschaftliche Herausforde- den Mechanismus dieses Schutzes.
rung. Wiederaufladbare Lithiumionen-
Batterien sind derzeit der Standard in Hochsee-Schiffe werden üblicherweise
elektronischen Geräten. Diese Akkus mit einem Epoxidlack-Gemisch mit kleins-
werden zunehmend auch in Elektroautos ten Flocken aus Aluminium oder Glass
eingesetzt oder sie speichern Strom, den überzogen. Dabei überlappen diese wie
Windkraft- oder Solaranlagen produzie- Dachziegel, sodass Wasser nur über ei-
ren. nen beträchtlichen Umweg bis zum stäh-
Ein neuer Typ Akku entsteht, wenn man lernen Schiffsrumpf gelangen kann.
Lithium durch Natrium ersetzt. Die beiden In einer Kooperation mit dem Londoner
Elemente sind in ihren chemischen Ei- Zentrum für Nanotechnologie, dem Uni-
genschaften eng verwandt. Allerdings ist versity College London und AkzoNobel,
Lithium ein seltener und somit teurer arbeiten Forschende am PSI daran,
Rohstoff; Natrium dagegen findet sich Schiffslacke zu optimieren. Röntgenun-
deutlich häufiger und ist bis zu 50 Mal tersuchungen an der Synchrotron Licht-
günstiger. quelle Schweiz SLS zeigen die flockenar-
Die Ansprüche an beide Sorten Akkus tige Struktur und Anordnung einzelner
sind dieselben: Sie müssen dem Nutzer Partikel im Lack auf der Skala von Nano-
eine ausreichende Spannung und genug metern.
Strom liefern. Daneben müssen sie wäh- Beständigkeitstests lackierter Metall
rend des Lade- und Entladevorgangs che- oberflächen im Salzwasser können viele
misch und baulich stabil bleiben. Jahre dauern. Durch die Informationen
Forschende am PSI haben das Leistungs- aus ihren Messungen konnten die
vermögen von Natriumionen-Batterien Forschenden massgeschneiderte Com-
untersucht. Mit dem Röntgenlicht der putersimulationen erstellen, die die Leis-
Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS lässt tung der Lacke vorhersagen konnten.
sich in das Innere eines Prototyps dieser Hierdurch lässt sich die Zeit für Produkt-
Batterien blicken, während er ge- oder forschung und Entwicklung deutlich ver-
entladen wird. Dabei werden die Prozesse kürzen.
auf der Ebene einzelner Atome sichtbar.
Die Röntgenaufnahmen lassen sich an
17Industrie und Innovation
Das PSI heisst Industriebetriebe willkom- Problemlösungen für die schenden suchen nach Wegen, die
men, seine Forschungsinfrastruktur zu Industrie magnetische Datenspeicherung für Com-
nutzen. puter noch kompakter zu machen und
Forscher und Entwickler aus der Industrie dabei die derzeitigen technischen Gren-
kommen oft an die Synchrotron Licht- zen zu sprengen.
quelle Schweiz SLS. Hier trifft ihr Fach- Intel und ASML entwickeln gemeinsam
wissen auf dasjenige von universitären mit Forschenden am PSI moderne Litho-
Investitionen für Innovationen Wissenschaftsgruppen und Forschenden grafie-Methoden. Hier wird extrem ultra-
des PSI. violettes Licht eingesetzt, mit dem sich
Der Zugang zu hochmodernen Synchro- womöglich die Siliziumchips der nächs-
tronlichtquellen ist für Unternehmen im In zahlreichen Projekten nutzen Indus ten Generation herstellen lassen.
Bereich der Lebenswissenschaften ent- trieunternehmen die Spitzentechnologie
scheidend. Unter anderem helfen hier der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS,
durchgeführte Experimente, Medika- um aktuelle Probleme zu lösen, ihre Pro- Neue Technologien entwickeln
mente gegen Alzheimer, Arthritis und zesse bei der Produktentwicklung und
Krebs zu entwickeln. Herstellung zu optimieren oder um ein Ein neuartiges, an der Synchrotron Licht-
umfassendes Verständnis neuer Mate quelle Schweiz SLS entwickeltes Bildge-
Proteine sind winzige molekulare Maschi- rialien zu erlangen. Einige dieser Koope- bungsverfahren lässt sich zur Diagnose
nen, die alle Arbeiten erledigen, die nötig rationen sind im Folgenden aufgeführt: von Brustkrebs einsetzen. In Zusammen-
sind, um Zellen am Leben zu erhalten. Forschende des Londoner Zentrums für arbeit mit dem Unternehmen Philips wird
Medizinische Wirkstoffe können die Ak- Nanotechnologie, des University College es am Kantonsspital in Baden getestet.
tivität der Proteine verändern. In vielen London, des PSI und AkzoNobel arbeiten
Fällen lässt sich mit einem Medikament gemeinsam daran, optimierte Schutz Eine Mammografie ist eine medizinische
sogar ein ganz spezifisches Protein an- lacke für Schiffsrümpfe und Offshore- Methode, die es Ärztinnen und Ärzten
steuern. Anlagen zu entwickeln. ermöglicht, auf einem Röntgenbild zu er-
An der Synchrotron Lichtquelle Schweiz Forschende und Entwickler von Honda kennen, ob sich im Brustgewebe ein Tumor
SLS lässt sich die atomare Struktur von R&D Europe (Deutschland) GmbH unter- bildet oder sich dort bereits befindet.
Proteinen und diejenige von medizini- suchen Prototypen von Kohlenstofffasern, Doch manchmal ist es schwierig, den
schen Wirkstoffen entschlüsseln. Die die eine höhere Leistung sowie günsti- Unterschied zwischen gesundem und
Messungen zeigen auf, wie Proteine und gere Herstellungskosten versprechen. krankem Gewebe auszumachen. Mit
Wirkstoffe auf der Ebene einzelner Mole- Bei der konventionellen Ölförderung blei- einer neuartigen Technik, die von For-
küle interagieren und wie man letztere ben rund 50 bis 70% des Öls zurück. Shell schenden an der Synchrotron Lichtquelle
verändern muss, um sie perfekt an ihre Global Solutions International B.V., das Schweiz SLS zunächst für die Material
Aufgabe anzupassen. PSI und die Universität Mainz entwickeln forschung entwickelt wurde, lassen sich
Industrieunternehmen unterstützen zwei gemeinsam eine sichere Methode, um Öl in speziellen Mammografiegeräten deut-
Experimentierstationen an der Synchro- und Gas zu extrahieren, das in kleinen lich bessere Bilder des Brustgewebes
tron Lichtquelle Schweiz SLS, die der Gesteinsporen eingeschlossen ist. erstellen.
Untersuchung von Proteinen und medizi- Nicht nur das Auge isst mit – auch wie Ein konventionelles Röntgenbild beruht
nischen Wirkstoffen dienen. Die eine wird sich das Essen im Mund anfühlt, ist für darauf, dass Röntgenlicht in verschiede-
durch die Schweizer Pharmaunternehmen den Genuss entscheidend. Das gilt be- nen Gewebearten unterschiedlich stark
Novartis und Hoffman-La Roche sowie sonders für industriell hergestellte Nah- absorbiert wird.
durch die deutsche Max-Planck-Gesell- rungsmittel. Nestlé nutzt die Synchrotron Die neue Technik nimmt darüber hinaus
schaft unterstützt; die zweite wird teil Lichtquelle Schweiz SLS, um zu ergrün- auch noch auf, wie das durchdringende
finanziert durch eine Kooperation zwi- den, wie genau sich die Textur von Eis- Röntgenlicht seine Richtung ändert. Diese
schen dem Paul Scherrer Institut PSI, creme mit der Temperatur ändert. zusätzliche Information verbessert die
Novartis, Actelion, Boehringer Ingel- IBM arbeitet an der Synchrotron Licht- Röntgenbilder deutlich. Sie könnte hel-
heim, Proteros und Mitsubishi Chemical quelle Schweiz SLS mit mehreren Schwei- fen, Brustkrebs noch frühzeitiger als bis-
in Japan. zer Universitäten zusammen. Die For- her zu diagnostizieren.
18Die technologischen Grundlagen der Röntgenlicht
detektoren der Firma DECTRIS wurden am
PSI entwickelt. Sie haben die Forschung an der
Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS ebenso
nachdrücklich verändert wie auch die industriellen
und medizinischen Röntgenmessmethoden.
Spin-off-Unternehmen tronlichtquellen genauso revolutioniert Nanostrukturierung für Anwendungen in
wie auch industrielle und medizinische der Photonik, der Optoelektronik, der
Vier Spin-off-Unternehmen sind bereits Röntgenmethoden. Die Technologie des Biotechnologie und anderen Gebieten,
aus den Forschungsarbeiten an der Syn- erfolgreichsten Produkts, des Pilatus- vertreibt aber auch die dafür nötigen
chrotron Lichtquelle Schweiz SLS hervor- Detektors, wurde von den Gründern der Geräte. Zum Einsatz kommen ihre Pro-
gegangen. Sie entwickeln und vertreiben DECTRIS am PSI entwickelt und ist der dukte in der grossindustriellen Fertigung
Produkte oder bieten Dienstleistungen Grundstein einer starken internationalen sowie in Forschung und Entwicklung.
an, die auf Technologien aus dem PSI Marktposition. DECTRIS hat inzwischen Die beiden Spin-off-Firmen Expose und
beruhen. mehr als 70 Beschäftigte. Excelsus Structural Solutions schliesslich
Die Gründer von Eulitha haben eine neu- führen für Pharma- und Biotechnologie-
DECTRIS ist der weltweit führende Her- artige Lithografie-Technik entwickelt, die Unternehmen an der Synchrotron Licht-
steller von Photonen zählenden Hybrid- extrem ultraviolettes Licht aus der Syn- quelle Schweiz SLS Messungen durch und
Detektoren. Diese Detektoren erlauben chrotron Lichtquelle Schweiz SLS nutzt. helfen, die dort gewonnen Daten zu ana-
ausserordentlich genaue Messungen und Unter dem Namen PHABLE bietet Eulitha lysieren.
haben dadurch die Forschung an Synchro- Dienstleistungen auf dem Gebiet der
1920
Im Inneren der Synchrotron
Lichtquelle Schweiz SLS
21Materie und Licht Alles um uns herum besteht aus Atomen, Atome sind überall verbinden. So formen sie die Substanzen den winzigen Bausteinen der Materie. und Materialien unseres Universums. Aneinandergereiht sind zehntausende Atome sind die Bausteine der uns umge- von ihnen gerade einmal so breit wie ein benden Materie. Im Zentrum eines Atoms menschliches Haar. Wie Atome angeord- sitzen Protonen und Neutronen eng bei- Überall ist Licht net sind und wie sie sich verhalten, ver- einander und bilden den Atomkern. Eine folgen Forschende am PSI mithilfe von Wolke von elektrisch geladenen Elektro- Für unsere Augen ist das sichtbare Licht extrem hellem, perfekt gebündeltem nen umgibt diesen Kern. Atome können ein unerlässlicher Verbündeter. Und doch Röntgenlicht. sich auf zahlreiche Arten miteinander stellt es nur einen winzigen Ausschnitt 22
aus dem breiten Spektrum der elektro- Licht. Hochenergetisches Licht wird Rönt- unserer Haut dazu, sich mit Sauerstoff zu
magnetischen Wellen dar. Diese reichen genlicht genannt, wobei Gammastrahlen kombinieren und so die Haut dunkler zu
von Radiowellen bis zu den Gammastrah- sogar noch mehr Energie haben. färben. Röntgenlicht erlaubt, in das In-
len. Licht ist pure Energie. Atome können Mit Mikrowellen lässt sich Essen erwär- nere des menschlichen Körpers zu bli-
diese Energie absorbieren und in sich men. Sichtbares Licht wird in der Retina cken.
aufnehmen. des Auges in ein elektrisches Signal um-
Radio- und Mikrowellen haben die ge- gewandelt, das schliesslich ans Hirn wei-
ringste Energie. Im mittleren Bereich lie- tergeleitet wird. Der ultraviolette Anteil Licht für Experimente
gen das sichtbare und das ultraviolette des Sonnenlichts bringt das Melanin
An der Synchrotron Lichtquelle Schweiz
SLS werden Strahlen von Röntgen- und
ultraviolettem Licht genutzt, um Materia-
lien und Objekte zu durchleuchten, ihre
Eigenschaften auf der Ebene einzelner
Atome zu verstehen oder auch gezielt zu
verändern.
Trifft Röntgenlicht auf ein Objekt, so
dringt der Strahl in das Material ein und
wird an den Atomen gestreut.
Dieses gestreute Licht wird von Detekto-
ren (vergleichbar mit Digitalkameras)
aufgefangen, die um das Objekt herum
aufgestellt sind. Die von den Detektoren
gemessenen Lichteigenschaften erlauben
Rückschlüsse auf die Lage und Bewegung
der Atome. Eine schnelle Bildersequenz
lässt sich zudem zu 3-D-Filmen der ato-
maren Prozesse zusammensetzen.
An der Synchrotron Lichtquelle Schweiz
SLS können bis zu 16 Experimentierplätze
gleichzeitig genutzt werden. Jeder von
ihnen ist auf eine eigene Sorte von
Experimenten mit Licht spezialisiert.
Der SwissFEL wird, sobald er voll betriebs-
bereit und ausgebaut ist, sechs Experi-
mentierplätze haben.
An der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS
durchleuchten Forschende Materialien
und Objekte mit ultraviolettem Licht und
Röntgenlicht, um ihre Eigenschaften
auf der Ebene einzelner Atome besser zu
verstehen.
23Das besondere Licht der Synchrotron
Lichtquelle Schweiz SLS
Das Synchrotronlicht wird im Speicherring
erzeugt, der kreisförmig in einem
Betontunnel verläuft. Elektronen fliegen
dort mit nahezu Lichtgeschwindigkeit
eine Million Runden pro Sekunde.
Ein Team von Beschleunigeroperateuren
sorgt rund um die Uhr für einen reibungs-
losen Betrieb der SLS.
24Um das besondere Licht für die wissen- und die erzeugten Lichtstrahlen bleiben
schaftlichen Experimente zu erzeugen, so stets gleich intensiv.
haben Forschende und Ingenieure ge- Die Synchrotron Lichtquelle Schweiz
meinsam eine riesige Maschine mit über- SLS arbeitet durchgehend Tag und
wältigender technischer Präzision ent- Nacht mehr als 220 Tage im Jahr. Nach
wickelt: die Synchrotron Lichtquelle einer Betriebspause dauert es mehrere
Schweiz SLS. Die Synchrotronlichtquelle Minuten, den Speicherring komplett mit
ist in einem eigenen, kreisrunden Ge- Elektronen zu füllen.
bäude auf dem Gelände des Paul Scher-
rer Instituts PSI westlich der Aare unter-
gebracht. Elektronen und Licht
Unter einem hohen, geschwungenen Schnelle Elektronen senden Licht aus,
Dach aus hellem Holz reihen sich die wenn sie gezwungen werden, ihre Rich-
metallisch glänzenden, technisch hoch- tung zu ändern. In der SLS nötigen spe-
komplexen Bauteile der Synchrotron zielle Magnetanordnungen, sogenannte
Lichtquelle Schweiz SLS aneinander. Das Undulatoren, die Elektronen, sich auf
Ganze wirkt zunächst wie ein Durchein- einem extrem schnellen Slalomkurs zu
ander aus Rohren, Kabeln, Laborwän- bewegen, und so Licht für die Experi-
den. Doch wer sich eine Weile in dem mente abzustrahlen. Während die Elek
faszinierenden Gebäude umsieht, er- tronen ihren Weg im Speicherring fortset-
kennt bald, wie perfekt hier alles zusam- zen, bewegt sich das so erzeugte
menpasst. Synchrotronlicht geradlinig Richtung Ex-
periment. Spezialspiegel leiten und fo-
kussieren das Licht auf seinem Weg bis
Extrem schnelle Elektronen zu den Materialien, die untersucht wer-
den sollen. Dieses bildet einen besonders
Das Licht der SLS wird von Elektronen hellen, hoch konzentrierten Ultraviolett-
abgestrahlt, die durch mehrere Teil- oder Röntgenstrahl.
chenbeschleuniger auf nahezu Lichtge-
schwindigkeit gebracht wurden. Die
Elektronen kreisen in einem Elektronen- Immer heller
speicherring – einem ringförmig instal-
lierten Vakuumrohr umgeben von einem Eine Neuentwicklung in der Vakuumtech-
Betontunnel mit einem Umfang von nologie soll an der Synchrotron Licht-
rund 288 Metern. Hunderte von Magne- quelle Schweiz SLS noch hellere Synchro-
ten entlang der Röhre halten die Elek tron-Lichtstrahlen ermöglichen. Der
tronen auf ihrer gekrümmten Bahn im hierfür anstehende Ausbau soll im Jahr
Zentrum des Rohrs fest. 2021 abgeschlossen sein. Die Lebens-
Der Elektronenstrahl an der Synchrotron dauer der Grossanlage würde sich damit
Lichtquelle Schweiz SLS ist fein wie ein um 20 Jahre verlängern. Mit dem intensi-
Spinnenfaden. Die schnellen Elektro- veren Licht liessen sich zudem neue For-
nen kreisen hierin stundenlang. Verein- schungsgebiete erschliessen.
zelt kollidieren Elektronen miteinander,
werden aus dem Strahl geschleudert
und gehen verloren. Regelmässig erhält
der Strahl daher neue, frisch beschleu-
nigte Elektronen. Der Elektronenstrahl
25SwissFEL –
der Freie-Elektronen-Röntgenlaser am PSI
Der Freie-Elektronen-Röntgenlaser Swiss- An der Spitze der Forschung
FEL ist die neueste Grossforschungsan-
lage des PSI. Sein einzigartiges Röntgen- Die Experimente am SwissFEL ermöglichen
licht macht den Weg frei für wichtige ein Verständnis von Materie und Materia- In den Undulatoren entsteht das
Experimente in den Bereichen Energie, lien auf einem gänzlich neuen Niveau – sei SwissFEL-Röntgenlicht. Produziert
Umwelt, Medizin, Materialien und neue es in der Biologie, Chemie, in den Ingeni- wurden sie ihn Zusammenarbeit
Technologien. eurs- oder Materialwissenschaften. mit der Daetwyler-Gruppe:
Der SwissFEL festigt somit die internati- Peter Daetwyler (links) mit SwissFEL-
onale Spitzenposition der Schweiz in Die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS Projektleiter Hans Braun bei den
Wissenschaft und Forschung. Auch die kann grossartige Erfolge vorweisen: Die fertig aufgestellten Undulatoren kurz
Wirtschaft profitiert. statische Struktur zahlreicher wichtiger vor der Inbetriebnahme der neuesten
Proteine wurde hier ermittelt. Mit dem Grossforschungsanlage des PSI.
Der SwissFEL erzeugt ultrakurze Pulse von SwissFEL ist es nun auch möglich, die
Röntgenlicht, die die Eigenschaften Bewegung innerhalb dieser Proteine zu
von Laserlicht haben. Sie sind eine Milli- verfolgen. Dies eröffnet ganz neue Ein-
arde Mal so hell wie das Licht der Syn- blicke in die Prozesse im menschlichen
chrotron Lichtquelle Schweiz SLS. Körper.
Die Röntgenpulse sind so lichtstark, dass Die chemische Zusammensetzung sowie
sich mit ihnen Filme der Bewegung von die geometrische Struktur einer Substanz
Atomen und Molekülen erstellen lassen. bestimmt, wie sie sich in einer chemi-
Der SwissFEL arbeitet damit komplemen- schen Reaktion verhält. Am SwissFEL
tär zur Synchrotron Lichtquelle Schweiz können Forschende die einzelnen Schritte
SLS. Gemeinsam kommen diese beiden solcher Reaktionen beobachten. Der
Einrichtungen der steigenden Nachfrage SwissFEL erweitert unser Verständnis, wie
nach hochmodernen Röntgen- und Ultra- magnetische Eigenschaften von Materi-
violett-Strahlen entgegen. alien entstehen und wie man sie verän-
dert. Damit ebnet der SwissFEL den Weg
für die Computer der Zukunft, die immer
mehr Daten auf immer kleinerem Raum
Was ist ein Freie- speichern sollen. Forschende können
zum Beispiel untersuchen, wie sich mit-
Elektronen-Röntgenlaser?
hilfe von Licht magnetische Daten gezielt
Ein Freie-Elektronen-Röntgenlaser kon- speichern lassen, und wie Informationen
zentriert Röntgenlicht in einem unvorstell- erheblich schneller übertragen werden gleichzeitig ein Beitrag zur Wettbewerbsfä-
bar hellen, ultrakurzen Röntgenlaserpuls. können als bisher. higkeit der Schweizer Wirtschaft geleistet.
Weltweit gibt es nur eine Handvoll ver- Diese Wettbewerbsfähigkeit basiert
gleichbarer Grossgeräte. hauptsächlich darauf, dass innovative
Den Wirtschaftsstandort Produkte vor denen der Mitbewerber auf
In einem Freie-Elektronen-Röntgenlaser den Markt gebracht werden. Erstklassige
Schweiz stärken
wird ein Elektronenstrahl auf beinahe Forschungsmöglichkeiten im eigenen
Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Die- Der SwissFEL orientiert sich stark an den Land erlauben es, frühzeitig neues Wis-
ser Elektronenstrahl durchläuft dann eine Anforderungen der schweizerischen sen sowie neuartige Methoden und Werk-
lange Undulator-Strecke: Mithilfe von Hochschulen und der Industrie und be- zeuge zu entwickeln, die den globalen
Magneten werden hier die Elektronen auf rücksichtig deren Forschungsinteressen Herausforderungen Rechnung tragen.
einen schnellen Slalom-Kurs gezwungen. und -bedürfnisse. Die Schweizer Industrie profitiert aber
Durch den ständigen Richtungswechsel auch unmittelbar von den neuen For-
senden die Elektronen in enger Folge Durch den SwissFEL wird der Forschungs schungsmöglichkeiten am SwissFEL, sei
ultrakurze Pulse von Röntgenlicht aus. standort Schweiz langfristig gestärkt und es durch Kollaborationen mit dem PSI und
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