Das Skalpell aus dem Teilchenbeschleuniger

Was ist die Kraft, die unsere Welt im Innersten zusammenhält? Was ist eigentlich Masse? Wie ist unser Universum entstanden? Das sind wichtige Fragen, mit denen sich die physikalische Grundlagenforschung beschäftigt. Nicht immer stößt diese Forschung auf Zustimmung – kritische Stimmen sehen hohe Kosten und wenig konkreten Nutzen. Doch das ist zu kurz gedacht. Denn die Zeitspanne von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung ist zuweilen sehr lang, wie uns der Weg von Einsteins Relativitätstheorie zum GPS-Navigationssystem zeigt. Geduld ist nötig.

Das Beispiel macht eines deutlich: Dem Anwenden geht das Erkennen voraus. Grundlagenforschung ist der Motor für Innovation und damit auch die Basis für neue Arbeitsplätze. Bildung und Forschung sind keine Kosten, sondern Investitionen in die Zukunftsfähigkeit unseres Landes. Erfreulicherweise bekennt sich auch die neue Bundesregierung zur zentralen Bedeutung von Wissenschaft und Forschung – zum Beispiel, indem sie den Pakt für Forschung und Innovation und die Exzellenzinitiative trotz knapper öffentlicher Mittel umsetzt.

Gleichzeitig steigt der Erwartungsdruck von Öffentlichkeit und Politik, dass Wissen Nutzen schafft. Dieser Erwartung muss sich die Wissenschaft stellen und dafür sorgen, dass aus herausragenden Forschungsergebnissen häufiger und schneller Innovationen werden. Dazu muss sich auch die Mentalität der Forscherinnen und Forscher ändern: Wenn in einer Entdeckung Potenzial für Anwendungen steckt, muss es etwa über Patente auch ausgeschöpft werden. Patentschutz ist eine wichtige Voraussetzung für eine wirtschaftliche Anwendung und damit für die Schaffung neuer Arbeitsplätze. Auf der anderen Seite dürfen Patente nicht „ verstauben”, sondern müssen aktiv vermarktet werden. Dass die Voraussetzungen dafür in Deutschland prinzipiell vorhanden sind, zeigen Beispiele aus der Kern- und Teilchenphysik – einem Bereich, der zur physikalischen Grundlagenforschung gehört und als besonders anwendungsfern gilt.

Das Wissen vom Aufbau der Materie und von der Entwicklung des frühen Universums verdanken wir zu einem großen Teil Experimenten an Beschleunigeranlagen. Wertvolle Beiträge hat das Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung, die GSI in Darmstadt, geleistet, das Beschleuniger für Ionenstrahlen betreibt. Dort wurden in den letzten Jahren sechs neue chemische Elemente mit den Ordnungszahlen 107 bis 112 entdeckt. Besonders wichtige Erkenntnisse zum Verständnis der Kernmaterie erwarten wir von dem Antiproton- und Ionenbeschleuniger FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), der 2012 in Darmstadt in Betrieb gehen soll. Das Grundprinzip ist das gleiche: Mithilfe elektrischer Felder werden Schwerionen – im Prinzip alle Ionen, die größer als ein Proton sind – auf bis zu 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Treffen diese Teilchen auf Atome einer Materialprobe, so können beispielsweise zwei Atomkerne miteinander zu einem neuen Element verschmelzen. Das ist wissenschaftlich hoch interessante Grundlagenforschung.

Treffen die Ionenstrahlen statt auf eine Materialprobe auf biologisches Gewebe, so gibt es ebenfalls eine Wechselwirkung, meist verbunden mit irreparablen Schäden der Erbinformation. Dieser Effekt lässt sich gezielt zur Abtötung von Krebszellen nutzen. Aus reinem Erkenntnisgewinn wird so eine Anwendung, die sich bereits in der klinischen Prüfung bewährt hat: eine Tumortherapie mit Kohlenstoff-Ionen.

Was ist das Besondere an der Methode? Während Röntgenstrahlen ihre Energie gleichmäßig über die gesamte Wegstrecke durch den Körper abgeben und zudem „streuen”, deponieren Ionen ihre Energie konzentriert in einem sehr schmalen Bereich – meist einige Mikrometer groß –, kurz bevor sie im Gewebe „stecken bleiben”. Diese lokale Energiedeposition – und damit die biologische Wirksamkeit – hängt von Ionensorte und Strahlenergie ab. Wie ein molekulares Skalpell können die Schwerionen äußerst gezielt den Tumor angreifen und so die Behandlung von Krebserkrankungen ermöglichen, die aufgrund der Lage des Tumors tief im Inneren des Gewebes oder in der Nähe zu sensiblen Organen nur schwer oder gar nicht zu behandeln sind.

Seit dem Aufbau einer experimentellen Strahlentherapie-Einheit an der GSI im Jahr 1996 wurden rund 250 Patienten erfolgreich behandelt. Um dem wachsenden Bedarf gerecht zu werden, entsteht jetzt ein Therapiezentrum in Heidelberg, in dem ab 2007 bis zu 1000 Patienten jährlich behandelt werden können. Hier werden sich zudem viele Synergien zu einem anderen Helmholtz-Zentrum, dem Krebsforschungszentrum DKFZ, ergeben. Die Wissenschaftler gehen noch einen Schritt weiter: Mit einem Partner aus der Industrie, der Siemens Medical Solutions, entwickelt die GSI eine Anlage für den klinischen Routinebetrieb, in der sich ausreichend viele Patienten zu vertretbaren Kosten behandeln lassen. Dabei wird es sich um einen für den Therapiebetrieb optimierten Ringbeschleuniger handeln, der mit 17 Meter Durchmesser klein genug ist, um an eine Klinik angegliedert zu werden. Siemens übernimmt Produktion und Vermarktung der Bestrahlungsanlagen. Die Schwerionentherapie ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie reine Grundlagenforschung zu einer echten Innovation führen kann.

Das Wechselspiel zwischen Grundlagenforschung und Anwendung zeigt auch die Entwicklung von Synchrotronstrahlungsquellen, wie sie etwa am Helmholtz-Zentrum DESY in Hamburg betrieben werden. Bei der Suche nach den Grundbausteinen der Materie und den Kräften, die zwischen ihnen wirken, sind seit vielen Jahren Ringbeschleuniger im Einsatz, in denen man mit extrem hoher Geschwindigkeit Elementarteilchen zur Kollision bringt. Werden geladene Teilchen wie Elektronen oder Positronen durch ein Magnetfeld von ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt, strahlen sie Energie in Form von Licht ab. Dieser Effekt begrenzt die Leistungsfähigkeit der Ringbeschleuniger. Doch was für die Elementarteilchenphysik eher störend ist, hat sich als wichtiges Werkzeug für die Struktur- und Materialforschung etabliert: Diese so genannte Synchrotronstrahlung hat nämlich außergewöhnliche, nützliche Eigenschaften wie eine sehr hohe Intensität und Brillanz. Ihr Spektrum reicht von der Infrarot- bis zur Röntgenstrahlung. Mittlerweile werden Ringbeschleuniger extra für die Erzeugung von Synchrotronstrahlung gebaut. Im HASYLAB beim DESY prüfen Wissenschaftler aus akademischer und industrieller Forschung damit Materialien auf ihre Elastizität oder analysieren die Struktur von Ribosomen und Proteinen.

Während die Hochenergiephysiker weltweit noch daran arbeiten, einen neuen Linearbeschleuniger zu realisieren, hat die Entwicklung der dafür nötigen neuen Technologie schon die Erfindung einer neuen Lichtquelle befruchtet: den extrem kurzwelligen Freien-Elektronen-Laser. Das internationale Röntgenlaserprojekt XFEL (x-ray free-electron-laser) soll 2012 den Betrieb aufnehmen. Im XFEL werden Röntgenlaserblitze erzeugt, die nur 100 Femtosekunden (Billiardstel Sekunden) lang und so kurzwellig sind, dass sie eine Auflösung auf atomarer Ebene erlauben. Damit wird es möglich sein, chemische Reaktionen zu filmen, atomare Details von Molekülen zu entschlüsseln und dreidimensionale Aufnahmen von Nanostrukturen zu machen. Für Chemiker, Biologen, Materialforscher und Physiker aus Forschung und Industrie eröffnen sich so ganz neue Möglichkeiten.

Die Beispiele zeigen, dass physikalische Grundlagenforschung im kleinen und großen Maßstab einen wesentlichen Beitrag für die Entwicklung der Wissenschaft des Forschungs- und Innovationsstandorts Deutschland leistet. Gefragt sind Mut und Risikobereitschaft, auch in die Forschungsbereiche zu investieren, die anscheinend keinen unmittelbaren wirtschaftlichen Nutzen versprechen. Ohne die Lyrik der Grundlagenforschung wird es keine Prosa der Anwendungen geben, sagte Richard von Weizsäcker vor einigen Jahren. Kann man dem widersprechen? Deutschland braucht weiterhin eine Grundlagenforschung, die auf Exzellenz setzt und sich im internationalen Wettbewerb behauptet, die sich auf das Wechselspiel zwischen Forschung und Anwendung einlässt und in diesem Sinne anwendungsinspiriert ist. ■