Infrarotblitze für Astronomie und Medizin

Infrarotblitze für Astronomie und Medizin

Von der Biomedizin über die Chemie und Materialwissenschaft bis hin zur Astrophysik – so weit spannen sich die Einsatzmöglichkeiten von Freie-Elektronen-Lasern, die infrarotes Licht abgeben. Um die Technik und die Untersuchungen, die sie ermöglichen, weiter voranzubringen, haben die Max-Planck-Gesellschaft und die Radboud Universität (Nijmegen, NL) das Max Planck-Radboud University Center gegründet. Im Rahmen ihrer Kooperation setzen die Forscherinnen und Forscher auch einen Schwerpunkt bei der Ausbildung von wissenschaftlichem Nachwuchs.

Leben, wie wir es kennen, ist nur mit organischen Molekülen möglich. Und die finden sich nicht nur auf der Erde, sondern in erstaunlicher Vielfalt auch in vielen Teilen des Universums. Astrophysiker erkennen das an dem Infrarotlicht, das sie mit geeigneten Teleskopen aus dem Weltall einsammeln. In den Spektren dieses Lichts hinterlassen die außerirdischen Bausteine des Lebens Spuren, gewissermaßen chemische Fingerabdrücke. Was genau da durch den interstellaren Raum driftet, können Astrophysiker jedoch oft nicht identifizieren, weil ihnen ein Vergleich, nämlich die Datenbank passender chemischer Fingerabdrücke fehlt. Genau die lässt sich mit einem Freie-Elektronen-Infrarotlaser, kurz IR-FEL erstellen. Denn ein solches Gerät kann Infrarotspektren unter ähnlichen Bedingungen erzeugen, wie sie im All herrschen.

Erkenntnisse zu fehlerhafter Proteinfaltung und zielgenauerer Chemie

Darüber hinaus liefert eine solche Maschine Einblicke in die Struktur von Proteinen, die sich auf anderen Wegen gar nicht oder nur mit mehr Aufwand gewinnen lassen. So könnten Analysen mit einem IR-FEL Aufschluss darüber geben, ob Proteine so gefaltet sind wie sie sollen. Fehler in der Anordnung der Eiweißketten führen zu Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson. Um deren Ursachen besser zu verstehen, müssen Biologen und Mediziner erst einmal wissen, welche Defekte überhaupt auftreten können und wie es dazu kommt. Die Forscherinnen und Forscher des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft und der Radboud Universität, die in dem neuen Max-Planck-Center kooperieren, möchten bei dieser Fehleranalyse helfen. Sie versprechen sich von den Experimenten mit den Freie-Elektronen-Infrarotlasern zudem Erkenntnisse, wie chemische Reaktionen im Detail ablaufen, vor allem welche Zwischenprodukte dabei entstehen und wie sie weiterverarbeitet werden. Eine genaue Kenntnis dieser Prozesse hilft dabei, eine Reaktion gezielt zu einem von vielen möglichen Produkten zu dirigieren. Das kann etwa bei der Synthese komplexer Zuckermoleküle hilfreich sein, die leicht zur chemischen Wundertüte gerät.

Ein Freie-Elektronen-Laser erzeugt Laserlicht nach dem Synchrotronprinzip, indem er freie Elektronen auf einen Slalomkurs durch aneinander aufgereihte Magnete schickt. In jeder Kurve geben die geladenen Teilchen Licht einer Farbe ab. Ein IR-FEL ist nicht zuletzt deshalb ein vielseitiges und leistungsfähiges Instrument für buchstäblich alle Naturwissenschaften, weil ein solches Gerät anders als ein herkömmliches IR-Spektrometer, das es in so ziemlich jedem Chemielabor gibt, mit winzigen gasförmigen Probenmengen auskommt, aber auch neuartige Messungen an flüssigen oder festen Proben ermöglicht. Außerdem lässt sich damit auch untersuchen, wie sich die Probenmoleküle mit der Zeit verändern.

Stellen für 20 Nachwuchskräfte und Schulungen für Forschende aus aller Welt

Die Art und Weise, wie ein IR FEL Licht erzeugt, bringt es jedoch mit sich, dass solche Anlagen gut und gerne eine ganze Schulturnhalle ausfüllen. Das dürfte ein Grund sein, warum es auf der Welt nur wenige Exemplare davon gibt. Zwei davon stehen am Fritz-Haber-Institut in Berlin und an der Radboud Universität in Nijmegen. Klar, dass es sich dabei um Maßanfertigungen in Eigenregie handelt. Aber nicht nur die Geräte haben die Teams der beiden Einrichtungen selbst entwickelt und entwickeln sie immer noch weiter. Sie tüfteln auch die Anleitungen aus, wie sie die Experimente in den Anlagen gestalten müssen, um deren Leistungsfähigkeit auszuschöpfen. „Wir bauen stets unser Knowhow bei der Entwicklung und der optimalen Nutzung von Freie-Elektronen-Infrarotlasern weiter auf“, sagt Britta Redlich, Professorin an der Radboud Universität. „Das Max Planck-Radboud University Center ermöglicht einen intensiven Austausch von Erfahrungen und neuen Ideen.“  

Da die Experimentiertechnik mit einem IR-FEL noch relativ jung ist, gibt es auch noch nicht viele Spezialistinnen und Spezialisten, die eine solche Maschine aufbauen und sinnvoll nutzen können. „Ein Schwerpunkt des neuen Max Planck-Radboud University Centers liegt daher neben der Entwicklung und Anwendung von Infrarot-Freie-Elektronen-Lasern darauf, junge Forscherinnen und Forscher mit dieser Technik vertraut zu machen“, sagt Gerard Meijer, Direktor am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft. Rund 20 Doktorand*innen und Postdoktorand*innen können über die erste Förderperiode von fünf Jahren als Mitarbeiter*innen des Centers selbst Kenntnisse und Fertigkeiten bei den entsprechenden Experimenten erwerben. Darüber hinaus wird es Konferenzen, Workshops und Schulungen geben, die das Wissen auch über das Center hinaustragen. So wollen die Kooperationspartner dafür sorgen, dass IR-FEL künftig tatsächlich in all den Wissenschaftszweigen Verwendung finden, in denen sie nützliche Einsichten liefern können.

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