Von außen sieht die „Falcon” noch ganz schmuck aus. Innen aber zeigt der kleine Jet deutliche Gebrauchsspuren: schmuddelbraune Vorhänge, rissige Ledersitze, abgewetzter Teppichflor. Seit 1976 kreuzt das Forschungsflugzeug für das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) durch die Lüfte, um Klimagase und Aerosole aufzuspüren.
„Im Moment ist die Falcon leer, alle Experimente sind ausgebaut”, sagt DLR-Forscher Dr. Helmut Ziereis und lässt sich auf einen der vier Sessel fallen. „Wenn sie voll ausgerüstet ist, müssen wir uns mühselig durch die Messgeräte schlängeln und aufpassen, nicht mit dem Kopf gegen die Einlassstutzen zu donnern.”
Doch trotz mancher Beule hat Ziereis gute Laune, denn das Ende der Platznot ist absehbar. Bundesforschungsministerin Edelgard Bulmahn hat den Wissenschaftlern ein neues Fluggerät versprochen. „HALO wird doppelt so groß sein wie die Falcon und deutlich höher und weiter fliegen”, schwärmt Ziereis. „Damit werden Messkampagnen möglich, von denen wir bislang nur träumen können.”
HALO ist eines von mehreren millionenschweren Großgeräten, denen die Wissenschaftler entgegenfiebern. Jahrelang hatten Deutschlands Forscher weitgehend auf neue Riesenmaschinen verzichten müssen. „Die letzten großen Anlagen waren schon mehr als zehn Jahre zuvor in Betrieb genommen worden, etwa der Speicherring HERA bei DESY”, sagt Edelgard Bulmahn. „Es war ein erheblicher Modernisierungsbedarf entstanden, und wissenschaftliche wie technologische Entwicklungen hatten einen neuen Gerätebedarf ausgelöst.” Vier von neun ehrgeizigen Projektideen sollen realisiert werden. Ein riesiger Röntgenlaser soll Biomoleküle und Werkstoffe beleuchten, ein gigantischer Magnet neuartige Materialien erkunden, ein Großbeschleuniger die Entstehung chemischer Elemente erklären.
Der Forschungsflieger HALO zählt mit seinem Preis von rund 100 Millionen Euro eher zu den günstigen Anschaffungen. Basieren wird er auf einem Business-Jet, vermutlich der amerikanischen Gulfstream V. „Solche Flugzeuge sind für Höhen bis 15000 Meter zugelassen”, sagt Ziereis. „Dadurch müssen sie sich nicht nach den Flugzeiten der Linienmaschinen richten, sondern fliegen einfach über sie hinweg.” Im Inneren von HALO stehen kühlschrankgroße Alugestelle, vollgestopft mit Sensoren und Elektronik.
Der Forschungsflieger ist gespickt mit Spezialfenstern, Sonden und Einlässen. Letztere ragen wie kurze Rüssel aus dem Rumpf und befördern die Außenluft zu diversen Hightech-Detektoren. Manche messen Ozon und Kohlenmonoxid, andere fahnden nach Kohlenwasserstoffen, Methan oder Stickoxiden. Spezielle Lasersensoren zählen feinste Schwebstoffpartikel, so genannte Aerosole. Jedes Experiment ist möglichst Platz sparend gehalten, darf die Elektronik nicht stören, muss Schütteltests bestehen und die 16-fache Erdbeschleunigung aushalten.
HALO wird ein fliegendes Mehrzwecklabor für die Atmosphärenforschung sein, 720 Kilometer pro Stunde schnell. Verglichen mit der braven Falcon soll HALO acht statt vier Stunden in der Luft bleiben und 9000 statt 3200 Kilometer mit einer Tankfüllung zurücklegen. „Man kann wissenschaftlichen Aufgaben nachgehen, die heute nur schwer machbar sind”, schwärmt Ziereis. Tropen, Wüsten, Pole – alles wird für die Atmosphärenforscher künftig problemlos zu erreichen sein. Der Südpol etwa lässt sich vom 2200 Meilen entfernten Punta Arinas in Chile anfliegen.
Außerdem wird HALO fast doppelt so viele Experimente an Bord nehmen können wie der Vorgänger. Ziereis: „Dadurch können wir mehr Messgrößen gleichzeitig erfassen und die Atmosphäre umfassender beschreiben.” So wollen die Experten die Selbstreinigungskraft der Luft genauer untersuchen und dem Zusammenhang zwischen Aerosolgehalt und Wolkenbildung auf die Spur kommen. Interessant ist zudem das Verhalten der Stickoxide. „ Das ist wichtig für die Ozonchemie in der Troposphäre und damit für Klima und Luftqualität”, meint Prof. Ulrich Schumann, Direktor des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen. In der Stratosphäre, also in 20 bis 30 Kilometer Höhe, wirkt Ozon als Schutzschild und blockt die UV-Strahlung der Sonne ab. Hier droht eine Abnahme der Ozonkonzentration, das Ozonloch. In der Troposphäre, in Höhen unterhalb von 10 bis 16 Kilometern, beeinflusst dagegen der dreiatomige Sauerstoff Luftqualität und Wetter. Stickoxide fungieren dabei als Katalysator und bringen die Ozonbildung in der Troposphäre erst richtig auf Trab. Sie kommen aus den Motoren von Flugzeugen, Schiffen und Autos, werden bei Waldbränden und durch das Düngen von Äckern und Feldern frei. „Laut Modellrechnungen könnte sich der Ozongehalt in der Troposphäre in 50 Jahren verdoppelt haben”, sagt Schumann. Das Ergebnis wäre ein zusätzlicher Treibhauseffekt, der zur Erwärmung der Atmosphäre führt.
Doch die Unsicherheit ist groß. Der Grund: Auch Blitze erzeugen Massen an Stickoxiden – nur die Forscher wissen nicht genau, wie viel. „Die meisten Gewitter gibt es in den Tropen”, erklärt Schumann. „Man weiß bislang nicht, ob sich ein tropisches Gewitter grundsätzlich so verhält wie eines über Europa. Das hat noch keiner gemessen.” Ebendies wollen die Forscher ab 2007 mit HALO in Angriff nehmen. Dann kann der Jet frühestens abheben – als „leistungsfähigstes Flugzeug zur Atmosphärenforschung in Europa”. Auch ausländische Wissenschaftler werden HALO nutzen können, denn er wird in das europäische EUFAR-Netz integriert (European Fleet for Airborne Research).
Auf eine ähnlich spektakuläre Wissenschaftsmaschine freut man sich am Forschungszentrum DESY in Hamburg: Der Röntgenlaser XFEL soll ab 2012 das stärkste Röntgenlicht der Welt liefern. Auf seine Strahlung sind Vertreter verschiedenster Disziplinen erpicht – Physiker, Materialforscher, Geologen, aber auch die Spezialisten vom Europäischen Labor für Molekularbiologie (EMBL) in Heidelberg. Schon heute unterhalten sie in Hamburg eine Außenstelle, um die Gestalt lebenswichtiger Eiweiße zu erkunden.
In einem der Labors rüttelt ein Automat Dutzende von Glaskolben mit einer trüben Suppe hin und her. „Darin sind Kolibakterien”, erklärt EMBL-Forscher Ehmke Pohl. „Wir haben Gene in die Bakterien eingebaut, damit sie uns bestimmte Eiweißmoleküle liefern.” Sind die Kolizellen reif, knacken die Forscher sie und isolieren die gesuchten Eiweiße. „Entscheidend ist, dass die Proteine extrem rein sind”, sagt Pohl. „Schließlich wollen wir sie zu guten Kristallen züchten.” Dann öffnet Pohl die Tür zu einem begehbaren Kühlschrank, das Thermometer zeigt plus vier Grad Celsius. Er nimmt eine Kunststoffplatte mit 24 kleinen Vertiefungen in die Hand. An jeder der Ausbuchtungen hängt ein Tropfen Proteinlösung. Im Verlauf von Wochen und Monaten verdunstet die Flüssigkeit und hinterlässt mit etwas Glück einen winzigen „Tropfstein” aus purem Protein, der unter dem Mikroskop funkelt wie ein wertvoller Edelstein.
Diesen Kristall können die Forscher des EMBL nun in abgeschirmten Experimentierhütten mit intensivem Röntgenlicht bestrahlen. Die Elektronen der einzelnen Proteinatome lenken das Licht ab, Detektoren fangen die gebeugte Strahlung auf. An Hand der Messdaten rekonstruieren die Forscher die genaue Form des Eiweißmoleküls. „Die Röntgenstrukturanalyse ist die beste Methode, eine detaillierte dreidimensionale Struktur zu erhalten” , sagt Pohl. „Diese Information ist so wertvoll, da die Funktion eines Eiweißes von seiner räumlichen Struktur bestimmt wird.” So verrät das Verfahren, welche Regionen eines Eiweißmoleküls aktiv werden, etwa wenn es eine biochemische Reaktion katalysiert.
Abgesehen haben es die Experten unter anderem auf gezieltes Medikamentendesign. So konnten Forscher einen molekularen Hemmschuh gegen das Aids- Virus entwickeln. Er passt exakt in die Bindungstasche der HIV-Protease, hindert das Enzym an einer notwendigen biochemischen Reaktion und blockiert so den Lebenszyklus des Virus. „Diese Inhibitoren, die die Aids-Behandlung revolutioniert haben, basieren auch auf Hunderten von Röntgenstrukturanalysen”, sagt Pohl. „Deshalb investieren Pharmakonzerne große Summen in diese Methode.”
So beteiligt sich die Industrie an der „Röntgenlampe”, die Pohl & Co zurzeit nutzen. Es ist eine Riesenmaschine, die aus der Physik kommt – ein 300 Meter großer Ringbeschleuniger für Elektronen. Die schnellen Teilchen durchfliegen spezielle Magnete und geben dabei „Synchrotronstrahlung” ab, höchst intensives Röntgenlicht. Dieses Prinzip will man am DESY nun auf die Spitze treiben. Der geplante Europäische Röntgenlaser XFEL soll eine Strahlung hervorbringen, die bis zu eine Milliarde Mal stärker ist als die der stärksten heutigen Röntgenquellen. Damit lassen sich deutlich kleinere Proben untersuchen als bislang. Zudem hat die Strahlung Eigenschaften von Laserlicht.
Das Prinzip des XFEL heißt „Freie-Elektronen-Laser”: Ein zwei Kilometer langer supraleitender Linearbeschleuniger bringt kleine Elektronenpakete fast auf Lichtgeschwindigkeit und lenkt sie durch einen langen Spezialmagneten. Dieser „Undulator” zwingt die Teilchen auf eine enge Kurvenbahn, wodurch sie gebündelte Röntgenblitze aussenden. Die Blitze wirken auf die fliegenden Elektronenpakete zurück, sodass diese sich zu dünnen Scheibchen sortieren. Schließlich strahlen sämtliche Elektronen in einer Scheibe im Gleichtakt, wodurch extrem intensive Laserblitze aus Röntgenlicht entstehen. Dass das Konzept aufgeht, haben die Experten am DESY bereits mit einem 100 Meter langen Testbeschleuniger bewiesen.
Für die Arbeit von Ehmke Pohl hätten die künftigen Superstrahlen mehrere Vorteile: „Man braucht womöglich gar keine Kristalle mehr, sondern könnte Aufnahmen von einzelnen Molekülen machen.” Damit ließen sich auch jene Proteine abbilden, die sich partout nicht in die Kristallform zwängen lassen. Zum Beispiel Membranproteine – eine für die Medizin höchst maßgebliche Stoffgruppe, denn fast die Hälfte aller derzeitigen Arzneien setzen an diesen Eiweißen an. Der Röntgenlaser verspricht, einzelne Viruspartikel detailgetreu abzubilden. Ein weiteres Plus: „Man könnte in der Lage sein, Prozesse in lebenden Zellen anzuschauen”, hofft Pohl, „und ein Protein in der Zelle zu beobachten, wie es mit anderen Molekülen interagiert.” So ließe sich etwa der molekulare Ablauf einer Infektion verfolgen. Zwar zerstört die extrem intensive Röntgenstrahlung alles Lebendige. Das aber wollen die Forscher umgehen, indem sie Zellen in verschiedenen Stadien einfrieren und einzeln untersuchen.
Auch die Physiker erwarten einiges von der neuen Wunderlampe. Sie könnten zum Beispiel Molekülionen unter die Röntgenlupe nehmen, wie sie zuhauf den interstellaren Raum bevölkern. „Dort läuft bei Temperaturen um minus 260 Grad Celsius eine komplexe Chemie ab, die über so genannte Ionenreaktionen zum Beispiel zum Aufbau von Kohlenwasserstoffen und Ammoniak führt”, erläutert Joachim Ullrich, Direktor am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik. „Bei diesen Reaktionen kühlt sich das interstellare Gas ab und kann verklumpen – eine wichtige Voraussetzung für die Sternbildung.”
Wie diese „kalte Chemie” in den Tiefen des Weltalls im Detail abläuft, ist noch rätselhaft. Denn in irdischen Labors lassen sich ultrakalte Molekülionen nur in sehr schwacher Dichte herstellen. „Um sie untersuchen zu können, brauchen wir intensives Licht, wie es der neue Röntgenlaser liefert”, sagt Ullrich. Ähnliches gilt für das Studium extrem heißer, elektrisch geladener Materie, aus der alle Sterne bestehen. Das Ziel einiger Experimente ist es, ein Plasma zu untersuchen, wie es im Inneren der Sonne herrscht. Die Idee: Mit einem ersten Röntgenblitz erzeugt der XFEL das Plasma. Mit einem zweiten Blitz lichtet er es als Momentaufnahme ab. In anderen Versuchen wird „Sternmaterie” in Fallen erzeugt und gespeichert und dann mit dem Röntgenlaser in bisher unerreichter Präzision untersucht.
Des weiteren wollen die Wissenschaftler Hologramme von Kristallen aufnehmen und Reibungsprozesse analysieren, um das bislang teilweise noch immer rätselhafte Phänomen der Reibung besser zu verstehen. „Hier ist Deutschland an absolut vorderster Front”, jubelt Ullrich. So eine Maschine gibt es sonst nirgends auf der Welt!”
Ginge es nach den Wünschen der Forscher, würde der XFEL im Jahre 2012 die ersten Blinkzeichen geben. Zuvor aber gilt es noch Geld einzutreiben: Das Forschungsministerium sowie die Länder Hamburg und Schleswig-Holstein wollen nur für die Hälfte der Baukosten von 673 Millionen Euro geradestehen. Die andere Hälfte muss aus dem Ausland kommen – keine leichte Aufgabe in wirtschaftlich knappen Zeiten. Bis Ende 2005 sollen die Gelder eingeworben und der definitive Bauentscheid getroffen sein.
Besser haben es da die Kernphysiker von der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt. Zwar wird auch ihre neue Beschleunigeranlage rund 650 Millionen Euro verschlingen. Doch drei Viertel davon haben der Bund und das Land Hessen schon zugesagt, sodass die Physiker auf jeden Fall mit ihrem Projekt loslegen können.
„Schon heute ist die GSI das bedeutendste Kernphysik-Institut der Welt”, urteilt der Frankfurter Physiker Prof. Reinhard Stock. „Hier wurden unter anderem die schwersten chemischen Elemente der Welt erzeugt, das Hassium mit der Ordnungszahl 108 und das Darmstadtium mit der Ordnungszahl 110.”
Ebenso wie am DESY stehen auch an der GSI riesige Beschleuniger im Blickpunkt. Doch die Darmstädter Teilchenschleudern bringen keine Elektronen auf Trab, sondern die Kerne von Blei, Uran oder Gold, um sie dann auf Metallfolien und Gaswolken zu feuern: ein nukleares Zielscheibenschießen, bei dem Atomkerne kurzfristig zu großen, exotischen Isotopen zusammenbacken, um gleich wieder in einen Wust von Bruchstücken zu zerplatzen. Indem die Physiker die Zerfallskaskaden analysieren, verfeinern sie ihr Bild vom Atomkern. Dennoch bleiben grundlegende Fragen offen: „Wo kommen die schweren Elemente her?”, fragt Stock. „Beim Urknall sind vor allem Wasserstoff und Helium entstanden, die Elemente bis zum Eisen wurden im Inneren von Sternen gebacken. Alles andere kann nur durch kosmische Katastrophen erklärt werden.”
Lange hatten die Experten angenommen, dass schwere Elemente wie Gold oder Uran ausschließlich in Supernovae geboren werden: Bei einer solchen Sternexplosion entstehen Unmengen von Neutronen, von denen nicht wenige an herausgeschleudertem Eisen haften bleiben. Es bilden sich neutronenreiche Exotenkerne, die sich über radioaktive Zerfälle in stabile, schwere Kerne verwandeln.
„In den letzten Jahren hat sich aber herausgestellt, dass diese Theorie Löcher hat”, sagt Stock. „Sie kann die Häufigkeit bestimmter Elemente nicht korrekt erklären und sagt zum Beispiel voraus, dass es weniger Zirkon gibt als beobachtet.” Also ersannen die Forscher eine weitere Hypothese: Demnach werden schwere Elemente auch dann geboren, wenn zwei Neutronensterne kollidieren – extrem kompakte Sternleichen mit einem Durchmesser von rund 20 Kilometern, aber von etwa 1,4 Sonnenmassen.
„Die beiden Neutronensterne zerfetzen sich, explodieren und verdampfen”, beschreibt Stock das Inferno bei der Kollision. „ Dabei werden Atomkerne mit bis zu 400 Neutronen ins All geschleudert.” Im Lauf der Zeit zerfallen die Exoten zu stabilen Schwermetallen, die sich Äonen später in neuen Sonnen und Planeten finden.
Eben dieser Hypothese wollen die GSI-Forscher mit ihrem neuen Beschleuniger nachgehen. Er soll Uran-Kerne auf 95 Prozent der Lichtgeschwindigkeit befördern und dann auf Zielscheiben zerplatzen lassen. „Unter den Bruchstücken befinden sich sehr exotische und instabile Kerne, die wir mit einem so genannten Fragmentseparator vom Rest trennen”, erklärt Stock. „Die Bruchstücke können wir in weitere, kleinere Beschleuniger füllen und dort in allen Details untersuchen.”
Außerdem spekulieren die Physiker darauf, eine kosmische Ursuppe kochen zu können – das „Quark-Gluon-Plasma”. So heißt ein unglaublich dichtes und heißes Gemisch aus archaischen Elementarteilchen – den Quarks, den Grundbausteinen der Atomkerne, sowie den Gluonen. Das sind Klebeteilchen, die die Quarks zusammenhalten. Diese diffuse Höllenmixtur soll mit dem Urknall entstanden sein und das Universum in den ersten millionstel Sekunden seines Daseins dominiert haben.
Nach fünf Mikrosekunden hatte sich der rasch expandierende Kosmos dann so weit abgekühlt, dass sämtliche Quarks und Gluonen zu Kügelchen gerannen – den Kernen von Helium und Wasserstoff. Nur: „Die Frage, warum sich Quarks und Gluonen zu größeren Bläschen verbunden haben und wie das im Detail geschah, ist theoretisch weitgehend unverstanden”, beklagt Stock. „Genau diesen Übergang hoffen wir, mit dem neuen Beschleuniger untersuchen zu können.” Derlei kosmische Extremprozesse vermögen die heutigen Theorien nur ungenügend zu erklären. „Wir brauchen eine neue Kernphysik”, fordert Stock. „Bislang gibt es sie nur in Ansätzen, doch die neue GSI-Anlage wird sie entscheidend voranbringen.”
Die ersten Kerne werden frühestens in acht Jahren durch den Darmstädter Untergrund fliegen. Ob das gesamte Beschleunigerensemble wie geplant 2015 komplett ist, bleibt abzuwarten. Dazu müssen noch 163 Millionen Euro aus dem Ausland akquiriert werden. „Die Chancen sind mittelprächtig”, meint Reinhard Stock. „Wir sind mit vielen Forschungsministerien und Institutionen im Gespräch, haben aber erst wenige Abschlüsse erreicht.” Die Folge: Womöglich verzögert sich der Bau, und vielleicht müssen die Forscher auf einige der geplanten Module verzichten und könnten dann nicht alle anvisierten Projekte in Angriff nehmen.
Zurzeit aber drückt der Schuh woanders: „Es ist noch kein Cent für das Projekt geflossen”, sagt Stock. „Die GSI muss die Vorarbeiten im Wesentlichen aus dem laufendem Etat bestreiten.” 2006, so die Hoffnung, sollen erste Gelder aus dem Bundesforschungsministerium (BMBF) kommen. Eine verbindliche Zusage für diesen Termin gibt es jedoch nicht. Ähnliche Sorgen plagen die Atmosphärenforscher am DLR: „Der Zeitplan ist das Problem”, klagt Ulrich Schumann. „Edelgard Buhlman hat gesagt, HALO solle mittelfristig realisiert werden. Im Moment aber lassen sich die Fördergelder wegen der Haushaltssituation kaum bereitstellen.”
Das heißt: Wer zu welchen Anteilen die HALO-Zeche zahlt, ist noch unklar. Schumann und seine Kollegen haben eine vollständige Finanzierung ihres fliegenden Labors beantragt. Das BMBF aber plant, DLR und Max-Planck-Gesellschaft mit zur Kasse zu bitten – was beide Institutionen angesichts eigener Geldnöte wenig begeistern dürfte. Konkret bedeutet das: Zwar ist HALO bewilligt – nur, wann das Flugzeug gebaut wird, ist noch offen.
KOMPAKT
• Mit einem Forschungsflugzeug wollen die Wissenschaftler ab 2007 die Chemie der Atmosphäre besser verstehen. • Der stärkste Röntgenlaser der Welt soll ab 2012 komplexe Proteine und biologische Zellen durchleuchten – ein Ziel ist die Entwicklung neuer Medikamente. • Ein Großbeschleuniger für Atomkerne soll ab 2015 die kosmische Ursuppe nachkochen und die Frage beantworten, wie die schweren chemischen Elemente entstanden sind.
Steckbrief Halo
Zweck: Erforschung der Erdatmosphäre Standort: DLR Oberpfaffenhofen Geplante Inbetriebnahme: 2007 Geplante Baukosten: 100 Millionen Euro Technologie: Das Forschungsflugzeug basiert auf einem herkömmlichen Jet, der mit zahlreichen Messinstrumenten ausgestattet wird. Das Flugzeug soll bis zu 15 Kilometer hoch fliegen können und eine Reichweite von 9000 Kilometern haben. Anwendungen: Analyse der Chemie und des Transports von Spurenstoffen in der Atmosphäre, Untersuchung der Ozonschicht und der Mechanismen von deren Zerstörung, Erforschung verschiedener Einflüsse auf das Erdklima sowie der Auswirkungen des Luftverkehrs auf bestimmte Atmosphärenschichten.
Steckbrief XFEL
Zweck: Erzeugung von intensivem Röntgenlicht Standort: DESY Hamburg Geplante Inbetriebnahme: 2012 Geschätzte Baukosten: 673 Millionen Euro Technologie: In einem Freie-Elektronen-Laser werden Elektronen annähernd auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und durch supraleitende Magnete auf eine wellenförmige Bahn gezwungen. Dadurch entstehen weniger als 100 Billiardstel Sekunden kurze und extrem intensive Röntgenblitze mit Lasereigenschaften. Anwendungen: Studium chemischer Reaktionen, Untersuchung molekularer Bewegungen und Strukturen, Analyse neuartiger Werkstoffe und Materialien im Nanobereich.
Steckbrief GSI-Zukunftsprojekt
Zweck: Forschung mit schnellen Ionenstrahlen Standort: GSI Darmstadt Geplante Inbetriebnahme: 2015 Geplante Baukosten: 650 Millionen Euro Technologie: In einem Doppelbeschleunigerring mit einem Durchmesser von 1,1 Kilometern werden elektrisch geladene Atomkerne beschleunigt und auf Kollisionskurs gebracht. In mehreren angeschlossenen Experimentieranlagen werden die bei der Kollision entstehenden Bruchstücke und ihre Zerfallsprodukte analysiert. Anwendungen: Erforschung des Aufbaus der Materie und der Entwicklung des frühen Universums, Erzeugung bislang nicht beobachteter exotischer Atomkerne.
Frank Grotelüschen
