Überblick: SwissFEL – die neue Grossanlage des Paul Scherrer Instituts

Im Jahr 2016 soll am PSI die nächste Grossanlage in Betrieb gehen: der Röntgenlaser SwissFEL. Er wird sehr kurze Pulse von Röntgenlicht mit Lasereigenschaften erzeugen. Damit werden Forschende extrem schnelle Vorgänge wie die Entstehung neuer Moleküle bei chemischen Reaktionen verfolgen, die detaillierte Struktur lebenswichtiger Proteine bestimmen oder den genauen Aufbau von Materialien klären. Dabei werden die Forschenden Einblicke gewinnen, wie sie mit heute verfügbaren Methoden nicht möglich sind. Die Erkenntnisse werden unser Verständnis der Natur erweitern und zu praktischen Anwendungen führen wie etwa neuen Medikamenten, effizienteren Prozessen in der chemischen Industrie, neuen Materialien in der Elektronik oder alternativen Verfahren der Energieerzeugung.

Auch der SwissFEL wird für externe Forschende zugänglich sein, wobei die Bedürfnisse der Schweizer Hochschulen und Industrie bei der Planung besonders berücksichtigt werden. Weltweit sind bisher nur zwei vergleichbare Anlagen in Betrieb, zwei weitere sind im Bau.

Röntgenlaser

Die Anlage wird sich über eine Länge von 740 Metern erstrecken und aus vier Teilen bestehen: Injektor mit Elektronenquelle, Linearbeschleuniger, einer Anordnung von Undulatoren und Experimentiereinrichtungen.

Der SwissFEL ist ein Freie-Elektronen-Röntgenlaser (das „FEL“ im Namen steht für „Free Electron Laser“). Er wird extrem kurze und intensive Blitze aus Röntgenlicht in Laserqualität erzeugen – die Blitze werden 1 bis 60 Femtosekunden (1 Femtosekunde = 0,000 000 000 000 001 Sekunden) lang sein. Diese Eigenschaften werden neuartige Einblicke in das Innere von Materialien, die mit den Röntgenblitzen durchleuchtet werden, erlauben.

Die Erzeugung des Röntgenlichts beginnt im Inneren der Elektronenquelle: Mit einem Lichtblitz werden Elektronen aus einer Metallplatte freigesetzt und dann durch ein elektrisches Feld im Linearbeschleuniger auf die nötige hohe Geschwindigkeit gebracht. Dabei werden die Elektronen so schnell, als hätten sie eine Spannung von 6 Milliarden Volt durchlaufen. Damit sind sie schnell genug, um in Undulatoren – so nennen die Fachleute die verwendete Magnetanordnung – auf eine schlangenförmige Bahn geschickt zu werden. Dabei erzeugen die Elektronen die Röntgenlichtstrahlung, die sich gleichsam mit der Gewalt einer Lawine zu dem einzigartig intensiven Röntgenlicht des SwissFEL verstärkt. Dazu werden am SwissFEL auf 60 Metern 12 Undulatoren mit je 1060 Magneten hintereinander angeordnet. Die nötige hohe Genauigkeit beim Aufbau der Undulatoren zu erreichen, ist eine Höchstleistung der Ingenieurkunst.

Der Röntgenlichtstrahl wird nun zum Experimentierplatz weitergeleitet und steht dort Forschenden für ihre Experimente zur Verfügung.

Neue Erkenntnisse für Wissenschaft, Technik und Medizin

Am SwissFEL wird man beispielsweise Schritt für Schritt verfolgen können, wie sich in einer chemischen Reaktion die kleinsten Bausteine einer Substanz voneinander trennen und zu einer neuen Substanz zusammenfinden. Diese Vorgänge sind so schnell, dass sie bisher nicht unmittelbar beobachtet werden konnten. Erst die extrem kurzen Blitze des SwissFEL werden es möglich machen, die einzelnen Zwischenschritte mit „kurzer Belichtungszeit“ abzulichten. Ein genaues Verständnis dieser Abläufe dürfte helfen, Verfahren in der chemischen Industrie effizienter und damit kostengünstiger oder ressourcenschonender ablaufen zu lassen.

Auch wird man am SwissFEL bestimmen können wie lebenswichtige biologische Moleküle im Detail aufgebaut sind. Solche Moleküle bestehen meist aus zehntausenden von Atomen und es ist entscheidend für ihre Funktion, dass die Atome richtig angeordnet sind. Heute können die Forschenden die Strukturen nur bestimmen, wenn sich viele Kopien eines solchen Moleküls in einer regelmässigen Kristallstruktur anordnen lassen. Das intensive Röntgenlicht des SwissFEL wird es möglich machen, auch die Strukturen anderer Moleküle aufzuklären. Diese Erkenntnisse könnten die Grundlage neuer Medikamente werden, in dem sie beispielsweise aufzeigen, wie man wichtige Lebensprozesse in krankheitserregenden Bakterien unterbindet.

Arbeitsplatz für Forschende aus Wissenschaft und Industrie

Wie die anderen Grossanlagen des Paul Scherrer Instituts wird auch der SwissFEL Forschenden von Forschungszentren und Universitäten sowie aus der Industrie – sowohl aus der Schweiz wie aus anderen Ländern – zur Verfügung stehen. Auch hier werden Forschende, die ihre wissenschaftlichen Resultate veröffentlichen, kostenlos Zugang zu den Messmöglichkeiten erhalten können – vorausgesetzt ihr Projekt kann die Auswahlkommission aufgrund seiner wissenschaftlichen Qualität überzeugen. Für Industriepartner werden auch hier individuelle Modelle für die Nutzung der Anlagen entwickelt werden.

Für die Industrie bietet der SwissFEL schon während der Entwicklung und beim Aufbau Möglichkeiten für Kooperationen. Der SwissFEL ist eine grosse technologische Herausforderung, die das PSI zusammen mit der Industrie meistern will. Dadurch soll sich auch ein Know-how-Transfer in die Industrie ergeben, der es den Unternehmen ermöglichen wird, neues Wissen für innovative Produkte zu nutzen.

Ab 2016 in Würenlingen betriebsbereit – Ort, Zeit und Geld

Der SwissFEL wird im Würenlinger Wald in der Nähe des gegenwärtigen PSI-Geländes im Kanton Aargau entstehen. Dieser Standort hat sich nach umfangreichen Abwägungen als der einzig geeignete erwiesen. Hier sind Temperaturschwankungen und Erschütterungen besonders gering, was für einen erfolgreichen Betrieb der hochpräzisen Anlagen entscheidend ist. Die Nähe zum jetzigen PSI-Gelände ermöglicht es, dank der kurzen Wege die vorhandene Infrastruktur des Instituts zu nutzen. Nach Fertigstellung werden grosse Teile des Gebäudes mit Erde und Kies abgedeckt, so dass ein natürlicher Lebensraum für bedrohte Pflanzen- und Tierarten entsteht.

Der SwissFEL soll im Jahr 2016 mit zunächst einem Messplatz in Betrieb gehen. Die Bauarbeiten für die Gebäude sollen in den Jahren 2013 und 2014 durchgeführt werden, die technischen Anlagen werden in den Jahren 2015 und 2016 installiert. Im August 2010 ist im Westteil des PSI-Geländes in der Nähe der vorhandenen Grossanlagen SLS und SINQ eine Testanlage in Betrieb gegangen, in der der erste Teil des SwissFEL-Beschleunigers nach und nach aufgebaut wird. Hier werden Komponenten getestet und verschiedene technische Lösungen erprobt. Sobald das endgültige Gebäude bereitsteht, wird die Testanlage Teil des endgültigen SwissFEL werden.

Die Kosten des SwissFEL betragen rund 275 Millionen Franken und werden zum grössten Teil vom Bund getragen. Der Kanton Aargau beteiligt sich mit 30 Millionen Franken aus seinem Swisslos-Fonds an der Finanzierung.

Weiterführende Informationen

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