Inbetriebnahme der neuen «Extremely Brilliant Source» an der ESRF in Grenoble

Die Europäische Synchrotronstrahlungsanlage ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble  – ein hervorragendes Beispiel erfolgreicher europäischer Wissenschaftszusammenarbeit von 22 Ländern  – konnte im August 2020 die Eröffnung der «Extremely Brilliant Source» feiern, dem ersten Hochenergie-Synchrotron der vierten Generation. Nach einer nur 20-monatigen Umbauphase und einer Investition von 150  Millionen Euro steht der Forschungsgemeinschaft mit dieser neuen Infrastruktur ein aussergewöhnliches Instrument zur Verfügung. Es ermöglicht Anwendungen in bisher nicht zugänglichen Forschungsbereichen.

bild-1
Bild 1: Der neue ESRF-EBS-Speicherring basiert auf einem neuartigen Gitterdesign, das vom ESRF Accelerator & Source-Direktor Pantaleo Raimondi erfunden wurde.
Bild: © ESRF

Die Europäische Synchrotronstrahlungsanlage ESRF ist eine der weltweit leistungsstärksten Röntgenstrahlungsanlagen. Seit ihrer Gründung im Jahr 1988 hat die ESRF die Synchrotron-Forschung rund um den Globus vorangetrieben. Die extrem helle Synchrotronlichtquelle der ESRF eröffnet einzigartige Möglichkeiten zur Erforschung von Biomolekülen, Nanomaterialien, Katalysatoren, Fossilien oder wertvollen Kulturgütern.

Auch die Schweiz beteiligt sich mit einem Betrag von rund fünf Millionen Franken pro Jahr an der ESRF. Dadurch erhalten Schweizer Forschende für ihre jeweiligen Untersuchungen und Experimente Zugang zu den Strahllinien der ESRF. Verantwortlich für die Schweizer Beteiligung ist das SBFI.

bild-2
Bild 2: Ansicht des Synchrotronstrahls in der bisherigen Anlage (oben) und in der neuen EBS (unten). Brillanz und Kohärenz konnten in etwa um einen Faktor 100 gesteigert werden.
Bild: © ESRF

Technologische und wissenschaftliche Herausforderungen

Mit der Einhaltung des Budgets und der termingerechten Umsetzung des «Extremely Brilliant Source (EBS)»-Projekts haben die 22 ESRF-Partnerländer einen neuen Standard in der internationalen Zusammenarbeit gesetzt. Der Hauptbestandteil der EBS ist ein neuartiger Speicherring (Bild 1). In diesem zirkuliert ein bandartiger Elektronenstrahl von zwei Mikrometern Höhe und 20 Mikrometern Breite, ein Dreissigstel so breit wie der vorherige Strahl (Bild 2). Eine neue Anordnung von über 1000 innovativen Magneten im knapp 850 Meter langen Kreistunnel lenkt und fokussiert die Elektronen und ermöglicht so die Erzeugung von Synchrotronstrahlung, die 100-mal brillanter und kohärenter ist als zuvor.

bild-3
Bild 3: Scan des Lungenflügels eines 54-jährigen an Covid-19 gestorbenen Mannes zur Suche nach verschlossenen Gefässen. Die zelluläre Struktur wird stufenweise aufgelöst, einschliesslich einzelner roter Blutkörperchen (rote Pfeile).
Bild: © ESRF

Das so erzeugte Synchrotronlicht gelangt über optimierte Strahllinien zu den Experimentierstationen, wo die Proben bestrahlt und Bilder mit neuen leistungsstarken Detektoren aufgenommen werden können. Empfindlichkeit und Dynamik der Bildgebung im Nanomasstab erlauben es, sogar makromolekulare Prozesse und chemische Reaktionen zu filmen. Um die enorme Datenflut auszuschöpfen und zu analysieren sowie die Bilder und Filme abzuspeichern, braucht es Hochleistungscomputer. Bei allen Strahllinien und Experimentierstationen stehen automatisierte Fernbedienungsmöglichkeiten und intelligente Roboter zur Verfügung.

Eine neue Ära der Erforschung von Organsimen und Materialien
Bis dato unvorstellbar genaue Messungen und Beobachtungen sind mit der ESRF-EBS nun Realität geworden. So kann man einen 3D-Scan eines vollständigen menschlichen Organs mit Mikrometerauflösung durchführen, um zum Beispiel einen Infektionsprozess besser zu verstehen. Oder man kann das menschliche Gehirn auf Ebene der Synapse kartieren und so wichtige Erkenntnisse für neurodegenerative Erkrankungen gewinnen. Die Verfolgung von Lithium-Atomen während eines Batteriezyklus ermöglicht die Steigerung der Ladeeffizienz, die Beobachtung von Stickoxyden in Dieselmotoren die Optimierung der Verbrennungsprozesse.

Dank dieser und weiterer neuer Möglichkeiten wird die ESRF-EBS massgeblich zur Bewältigung globaler Herausforderungen und zum Verständnis der Komplexität von Materialien und lebender Materie auf nanometrischer Ebene beitragen. Sie wird helfen, weltweit drängende Fragen zu Gesundheit, Umwelt, Energie und neue industrielle Materialien anzugehen.

Beiträge zur Bekämpfung der Corona-Pandemie
Anfang April haben Forscherinnen und Forscher begonnen, die ESRF-EBS zu nutzen, um das Virus SARS-CoV-2 in fünf Projekten zu untersuchen. Dabei ist es gelungen, sowohl das Primärvirus als auch Mutationen davon bildlich zu erfassen. Andere Projekte nutzen die strukturbiologischen Strahllinien und ein Bioimaging-Strahlrohr, um die Auswirkungen des Virus auf die Organe nach der Infektion zu verstehen.

Die ESRF-EBS Synchrotron-Technik wird neuerdings auch dazu verwendet, um ganze menschliche Lungen abzubilden und somit die durch Covid-19 verursachten Schäden besser zu erkennen. Der gesamte Lungenflügel eines 54-jährigen an Covid-19 verstorbenen Mannes wurde gescannt, um nach verschlossenen Gefässen zu suchen (Bild 3). Die höchste Zoomeinstellung gibt eine etwa 100-fach höhere Auflösung als bei der klinischen Computertomographie. Diese Erkenntnisse tragen massgeblich zum Verständnis dieses neuartigen Virus und seinen Auswirkungen auf den Menschen bei.

Weitere Informationen

Martin Steinacher, SBFI
Wissenschaftlicher Berater
Ressort Internationale Forschungsorganisationen

www.sbfi.admin.ch/ifo_esrf_d

https://www.sbfi.admin.ch/content/sbfi/de/home/dienstleistungen/publikationen/publikationsdatenbank/s-n-2021-3/s-n-2021-3c.html