Am PSI entsteht mit dem Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL eine neue Grossanlage zur Erforschung von dynamischen physikalischen, chemischen oder biochemischen Prozessen, die sich auf atomarer Ebene abspielen – eine von weltweit lediglich fünf Forschungsanlagen dieser Art. Der Bau schreitet planmässig voran und bereits sind zwei von drei Experimentierstationen definiert.

Hochzufrieden mit den Projektfortschritten: Rafael Abela, Projektleiter Photonics SwissFEL am PSI.

Aus der Vogelperspektive betrachtet lassen sich die Ausmasse der zukünftigen Grossanlage des Freie-Elektronen-Röntgenlasers Swiss- FEL gut abschätzen. Und auch erste Gebäudestrukturen lässt die rund 750 Meter lange Baustelle im Würenlinger Wald bei Villigen erkennen. So gesehen aus Webcam 1, einer von drei Kameras, die den Baufortschritt in Istzeit dokumentieren (www.psi.ch/swissfel-bauinfo/webcams). Am 3. Juli 2013 war der Spatenstich des SwissFEL. Bis Ende 2014 soll der Rohbau beendet sein. Die Nachbargemeinden wurden von Anfang an in die Planung eingebunden, auch um den SwissFEL so natürlich wie möglich in das Naherholungsgebiet einzubinden. So sind zum Beispiel zwei Wildübergänge eingeplant und dank einem Schutzwall bleibt der angrenzende Weg für Velofahrer und Spaziergänger erhalten. Für die interessierten Besucher gibt es neben Onlineinformationen, Broschüren und einem interaktiven Informationstisch auch eine Informationstafel vor Ort.

Der SwissFEL wird Ende 2016 in Betrieb gehen. Rafael Abela, Projektleiter Photonics SwissFEL am PSI, ist hochzufrieden mit den Baufortschritten, da der Zeitplan bisher eingehalten werden kann. Gebaut wird der SwissFEL in Etappen an drei neuralgischen Punkten: am knapp 700 Meter langen Baukörper selbst, am Beschleuniger als dem grössten und zentralen Anlagenteil sowie an den drei geplanten Experimentierstationen, jenen Zentren also, an denen später die Forschenden ihrer Arbeit nachgehen werden.

Stärkung des Forschungsstandorts Schweiz

Die wissenschaftliche Grossanlage SwissFEL wird den Forschungsstandort Schweiz langfristig stärken und wird «Forschenden wie Biologinnen und Chemikern sowie Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern zu neuen Erkenntnissen in der Grundlagenforschung verhelfen», sagt Rafael Abela. «Im Zentrum stehen dabei die Strukturbiologie und Proteinforschung, die Untersuchung von dynamischen Prozessen bei Molekülen oder zwischen einzelnen Atomen sowie bei Festkörpern und neuartigen Materialien.» Daraus resultierende neue wissenschaftliche Erkenntnisse an der Schnittstelle von Grundlagenforschung und angewandter Forschung sollen nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für die Schweizer Wirtschaft nutzbar gemacht werden. Erkenntnisse aus dem SwissFEL könnten für Unternehmen etwa in der Medikamentenforschung, in der Prozessoptimierung in der chemischen Industrie, im Einsatz neuer Materialien, in der Elektronik oder auch bei alternativen Verfahren der Energieerzeugung Anwendung finden.

Die Grossanlage ist nach Fertigstellung in der Lage, sehr kurze Pulse von Röntgenlicht mit Lasereigenschaften zu erzeugen. Dies ermöglicht es den Forschenden, extrem schnelle Vorgänge wie die Entstehung neuer Moleküle bei chemischen Reaktionen zu verfolgen, die exakte Struktur lebenswichtiger Proteine zu bestimmen oder auch den genauen Aufbau von Materialien zu untersuchen. «Man muss sich SwissFEL wie ein sehr grosses Mikroskop vorstellen», sagt Rafael Abela. «Heute wissen wir bei zahlreichen Prozessen lediglich, was am Anfang und am Ende steht – nicht aber, was dazwischen geschieht, wie beispielsweise eine chemische Reaktion auf atomarer Ebene exakt abläuft. Dies war bislang schlicht unsichtbar.» Ist der SwissFEL erst einmal in Betrieb, werden die Forschenden solch schnell ablaufende Prozesse im Detail verfolgen und analysieren können. Sie werden Schritt für Schritt erkennen können, wie sich bei einer chemischen Reaktion kleinste Bausteine einer Substanz voneinander trennen und zu einer neuen Struktur zusammenfinden.

Knifflige Aufgaben für Konstrukteure

Der SwissFEL stellt eine Röntgenlichtquelle dar, welche die modernsten Technologien aus den Gebieten Beschleunigungsphysik, optische Laser- und Magnettechnologien zu einer neuartigen Grossforschungsanlage kombiniert. Im Inneren werden extrem intensive und kurze Blitze von Röntgenlicht erzeugt. Dieses Röntgenlicht stammt von abstrahlenden Elektronen, die von starken Magneten, den sogenannten Undulatoren, auf eine enge, schlangenförmige Bahn gezwungen werden. Damit macht man sich die Eigenschaft zunutze, dass Elektronen, die ihre Bahn ändern müssen, elektromagnetische Strahlung aussenden; je nach Bewegung können das Radiowellen, sichtbares Licht oder eben Röntgenlicht sein. Das am SwissFEL erzeugte Röntgenlicht kann an den Experimentierplätzen der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zur Erforschung von dynamischen chemischen oder biochemischen Prozessen genutzt werden.

Die Planung und Konstruktion der hochkomplexen Anlage stellten die Entwickler am PSI vor knifflige Aufgaben. Teilweise mussten für SwissFEL von Grund auf neue Technologien entwickelt werden. «Wir wollten nicht die Technologie von ähnlichen Anlagen in den USA und Japan übernehmen, sondern auf deren Erfahrungen aufbauen», sagt Rafael Abela. Dies hat seinen Grund: Der SwissFEL wurde von Anfang an darauf ausgelegt, preiswerter und kompakter zu werden als bereits bestehende Röntgenlaser. «Unsere Grossanlage wird mit 700 Metern Länge auch deutlich kürzer», erklärt er. Und sie setzt zudem neue Massstäbe durch ein neuartiges Energiekonzept: SwissFEL wird der erste energieoptimierte Freie-Elektronen-Röntgenlaser sein. Das zeigt sich an einem reduzierten Stromverbrauch oder auch daran, dass die in Bau befindliche Anlage weltweit die einzige ihrer Art sein wird, die über eine Wärmerückgewinnungsanlage verfügt. Diese Abwärme wird dann in das Netz des PSI eingespeist werden.

Fotochemie und Materialforschung als Schwerpunkte

Ebenfalls klar war von Anfang an, dass man für die Zusammenarbeit, beispielsweise beim Bau der Beschleunigerkomponenten, in erster Linie auf Schweizer Unternehmen setzt. Die Präzisionsfertigung der Beschleunigungsmodule, deren Toleranzen sich im Tausendstelmillimeter-Bereich abspielen, wird bei TEL Mechatronics AG (ehem. Oerlikon Mechatronics) in Trübbach im St.Galler Rheintal durchgeführt. Für den Bau des mechanischen Teils der Undulatoren, jenen Bauelementen, in denen das Röntgenlicht erzeugt wird, zeichnet die MDC Max Daetwyler AG aus dem bernischen Bleienbach verantwortlich. «Wir wollen mit solchen Grossanlagen nicht nur den Forschungszentren und Universitäten neue Möglichkeiten eröffnen, sondern auch ganz bewusst einen Technologietransfer zur Schweizer Wirtschaft herstellen», sagt Rafael Abela.

Wenn die Hightech-Anlage wie geplant 2016 in Betrieb geht, wird sie drei verschiedene Experimentierstationen umfassen. Zwei davon sind bereits definiert. Eine wird unter anderem der Fotochemie gewidmet sein, mit der fundamentale katalytische Prozesse untersucht werden können. In diesem Bereich erhoffen sich die Forschenden am PSI auch Antworten auf Fragestellungen, die für erneuerbare Energien von Bedeutung sind. «Wenn wir beispielsweise eine Antwort finden können, warum fotoaktive Komplexe nur zu 20% aktiv sind, wird es vielleicht möglich sein, effektivere zu bauen», so Rafael Abela. An dieser Experimentierstation wird es möglich sein, chemische Prozesse zu untersuchen, die helfen können, effizientere Katalysatoren zu entwickeln. Weiter sollen in dieser Experimentierstation Pionierexperimente zur Erforschung von Proteinstrukturen durchgeführt werden, die komplementär zu den Untersuchungen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI sind. Eine zweite, bereits definierte Station wird sich schwerpunktmässig der Materialforschung widmen. Dabei geht es darum, die atomare Struktur von neuartigen Materialien zu erforschen, unter anderem von Werkstoffen, die der Speicherung von Informationen dienen können. Eine dritte Forschungsstation am SwissFEL, die sich noch im vorbereitenden Experimentierstadium befindet, hat unter anderem das Ziel, «die atomare Struktur von Membranproteinen zu erforschen», wie Rafael Abela erklärt. Solches Wissen könnte weitreichende Konsequenzen für die Medizinforschung haben, erhoffen sich die Forschenden doch neue Erkenntnisse über z.B. molekulare Prozesse bei Infektionskrankheiten oder auch bei Tumorerkrankungen.