Aufbau von Materialien nanogenau untersuchen

Ein neues Mikroskop am Paul Scherrer Institut zeigt den chemischen Aufbau vom
Materialien – auf einige Nanometer genau

Ein neues Mikroskop an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts wird es möglich machen, den Aufbau von Materialien mit bisher unerreichter Auflösung darzustellen. Dazu werden Forschende einzelne Bereiche in einem Material betrachten, die nur wenige Nanometer (millionstel Millimeter) gross sind, und für jeden dieser Bereiche bestimmen, welche chemischen Elemente darin enthalten sind.

So wird es möglich, eine beinahe nanometergenaue «chemische Landkarte» eines Materials zu erstellen. Die Anlage wird beispielsweise erlauben, in magnetischen Speichermaterialien oder in Halbleitern im Detail zu beobachten, wie technisch relevante Materialeigenschaften zustande kommen. Die Ergebnisse werden dazu beitragen, solche Materialien für zukünftige Anwendungen gezielt zu verbessern und so helfen, leistungsfähigere elektronische Geräte zu bauen wie PCs, Digitalkameras, MP3-Spieler oder andere Geräte, die viel Datenspeicherplatz benötigen. NanoXAS kombiniert zwei Techniken, von denen eine im Prinzip die Lage einzelner Atome bestimmen kann und die andere zeigt, welche chemischen Elemente im untersuchten Bereich vorhanden sind.

Zwei Methoden sehen mehr als eine
«Die zwei Methoden, die in dem neuen Mikroskop NanoXAS kombiniert werden, sind die Röntgenabsorptionsanalyse (XAS) und die Rastersondenmikroskopie», erklärt Jörg Raabe, Projektleiter für den Aufbau des Geräts. «Mit XAS kann man bestimmen, welche chemischen Elemente in einem Material enthalten sind – bei den besten Geräten sogar für Bereiche, die nur einige zehn Nanometer gross sind. Mit der Rastersondenmikroskopie, bei der man eine Oberfläche mit einer feinen Spitze abtastet, kann man im besten Fall die genaue Position von jedem einzelnen Atom bestimmen.» Die Kombination der beiden Methoden erlaubt es nun erstmals, gleichzeitig zu bestimmen, wo sich Atome befinden und zu welchen chemischen Elementen sie gehören. So bekommt man ein Abbild der Struktur mit atomarer Genauigkeit.

Einblicke in Materialien für die Elektronik
Untersuchungen mit NanoXAS werden beispielsweise ermöglichen, den Aufbau elektronischer Bauteile oder magnetischer Speichermedien auf der Ebene einzelner Atome zu erforschen. «Bei Halbleitermaterialien oder magnetischen Materialien für Speichermedien, die heute in vielen Geräten eingesetzt werden, weiss man oft nicht genau, wie sie funktionieren, weil die relevanten Strukturen zu klein sind, als dass man sie mit bisher verfügbaren Methoden ansehen könnte», erklärt Raabe. Hier wird NanoXAS Abhilfe schaffen. Es wird z.B. in Materialien, die in neuartigen Computer- Festplatten Verwendung finden könnten, für einzelne Atome die magnetische Ausrichtung zeigen oder die Verteilung von Dotierungsatomen in Halbleitern sichtbar machen. Dotierungsatome sind Atome anderer Elemente, die in sehr kleinen Mengen gezielt in Halbleitermaterialien eingebracht werden, um diese leitfähig zu machen. Dabei spielen Grenzflächen, an denen Bereiche aufeinandertreffen, die mit verschiedenen Atomen dotiert sind, eine besonders wichtige Rolle. Die neue Anlage könnte zeigen, wie genau die zusätzlichen Atome verteilt sind und so helfen, moderne Halbleiter zu verstehen. Die mit NanoXAS gewonnenen Einblicke werden nicht nur erlauben, die Eigenschaften heute verwendeter Materialien im Detail zu verstehen, sondern auch dazu beitragen, dass optimierte Materialien für elektronische Bauteile oder magnetische Speichermedien entwickelt werden können. So könnte das neue Mikroskop einen Beitrag dazu leisten, dass in Zukunft noch kleinere und schnellere elektronische Geräte verfügbar sein werden.

Licht mit besonderen Eigenschaften
NanoXAS nutzt für die Röntgenabsorptionsanalyse Röntgenlicht aus der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts. Das Röntgenlicht der SLS ist demjenigen, das in gewöhnlichen Röntgenquellen erzeugt wird, in vielerlei Hinsicht überlegen. Es ist deutlich intensiver und besser gebündelt und kann ausserdem auf verschiedene Weise an die Bedürfnisse des einzelnen Experiments angepasst werden: erst die einstellbare Energie («Farbe») des Lichts macht es möglich, die in einer Probe enthaltenen chemischen Elemente zu bestimmen. Die veränderbare Polarisation ermöglicht es, verschiedene magnetische Zustände in dem Material zu unterscheiden.

Internationale Kooperation
Das Mikroskop NanoXAS ist in einer Kooperation zwischen mehreren Institutionen in Deutschland und der Schweiz entstanden. Am Aufbau des eigentlichen Messplatzes sind neben dem PSI die Eidgenössische Materialprüfungsanstalt Empa und die Universität Basel beteiligt. Die Strahllinie, die das Röntgenlicht zum Messplatz leitet und für das Experiment aufbereitet, ist in Kooperation mit der Universität Erlangen/Nürnberg und der Freien Universität Berlin aufgebaut worden. Die Gesamtktosten des Projekts haben 2,1 Mio SFr betragen, von denen das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 700'000 SFr beigetragen hat. Finanziell wurde das Projekt auch vom Competence Centre for Materials Science and Technology (CCMX) des ETH-Rats unterstützt.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Ansprechpartner:
Dr. Jörg Raabe, Strahllinienverantwortlicher NanoXAS,
Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS,
Paul Scherrer Institut, Telefon: +41 (0)56 310 5193; E-Mail: joerg.raabe@psi.ch

Dr. Christoph Quitmann, Leiter des Labors für Kondensierte Materie,
Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS, Paul Scherrer Institut, Telefon: +41 (0)56 310 4560; christoph.quitmann@psi.ch

Prof. Dr. Hans Josef Hug, Head of Laboratory for Nanoscale Materials Science, Empa,
Telefon: +41 (0)44 823 4125, E-Mail: Hans-Josef.Hug@empa.ch;
Department Physik, Universität Basel, Telefon: +41 (0)61 267 3659

PSI-Forscherin Iris Schmid hantiert an der Messapparatur des Nanomikroskops NanoXAS		Einweihungsfeuerwerk zur Musik aus "Also sprach Zarathustra" von Richard Strauss

Gian-Luca Bona (Direktor der EMPA), Joël Mesot (Direktor des PSI), Karen Scrivener (Vorsitzende des CCMX) und Rainer Fink (Professor für Physikalische Chemie an der Universität Erlangen-Nürnberg) beim Zerschneiden des roten Bandes		Komplette NanoXAS-Apparatur

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Mädchen erleben Naturwissenschaft und Technik

Am Nationalen Tochtertag begleiten Mädchen der 5. bis 7. Schulklasse ihre Mutter oder ihren Vater zur Arbeit. Dabei können sie sich ein Bild machen über deren Tätigkeit am Arbeitsplatz, lernen die Arbeitskolleginnen und -kollegen kennen und erhalten so einen ersten Einblick in die Erwerbswelt.

Dass die Berufe auch in einem naturwissenschaftlichen Umfeld nicht ausschliesslich mit Männern besetzt sein müssen, erfahren die Mädchen am Paul Scherrer Institut in Villigen. Das grösste Forschungsinstitut der Schweiz hat zwar nur einen Frauenanteil von rund 23 %, lädt aber gerade deshalb junge Mädchen ein, die faszinierende Berufswelt der Forschung kennenzulernen und möglicherweise hier sogar die Berufung fürs Leben zu finden. Dazu hat das Komitee für Chancengleichheit am PSI ein Programm ausgearbeitet, das auch die letzten Berührungsängste gegenüber der vermeintlich schwierigen Materie wegfegt.

Die rund 50 Mädchen, die dieses Jahr am Nationalen Tochtertag teilnahmen, erlebten gestandene Berufsfrauen am Arbeitsplatz. Automatikerinnen, Elektronikerinnen, Konstrukteurinnen, Chemie- oder Physiklaborantinnen, aber auch Forscherinnen im Labor aus den Disziplinen Physik, Chemie und Biologie zeigten den Mädchen die Vielfalt der wissenschaftlichen Berufswelt. Diese waren von den spannenden Experimenten, die sie teils selbst durchführen durften, begeistert und bestürmten die Expertinnen mit Fragen. So war auch der 7. Tochtertag am Paul Scherrer Institut für die Teilnehmerinnen und für den Gastgeber eine gelungene Veranstaltung, die PSI-Direktor Professor Joël Mesot wie folgt kommentierte: «Es ist leider eine Tatsache, dass unser Land insgesamt einen Mangel an Naturwissenschaffenden und Ingenieuren zu beklagen hat. Für ein naturwissenschaftliches Studium braucht es hochbegabte junge Menschen, denn nicht alle haben das Talent für eine solche Laufbahn. Weibliche Talente unentdeckt zu lassen, können wir uns als Gesellschaft nicht leisten, wenn wir eine kritische Masse an Schweizer Forschenden und Ingenieuren haben wollen. Hier Berührungsängste abzubauen, dazu soll der Tochtertag, aber auch unser Schülerlabor iLab einen Beitrag leisten.»

Das Paul Scherrer Institut PSI ist ein Forschungszentrum für Natur- und Ingenieurwissenschaften. Am PSI betreiben wir Spitzenforschung in den Bereichen Struktur der Materie, Gesundheit sowie Energie und Umwelt. Durch Grundlagen- und angewandte Forschung arbeiten wir an nachhhaltigen Lösungen für zentrale Fragen aus Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft. Mit rund 1300 Vollzeitstellenaquivalenten sind wir das grösste schweizerische Forschungsinstitut. Wir entwickeln, bauen und betreiben komplexe Grossforschungsanlagen. Jährlich kommen rund 2000 Gastwissenschaftler aus der Schweiz, aber auch aus der ganzen Welt zu uns. Genauso wie die Forscherinnen und Forscher des PSI führen sie an unseren einzigartigen Anlagen Experimente durch, die so woanders nicht möglich sind.

Weitere Informationen bei:
Andrea Merki, Komitee für Chancengleichheit, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, andrea.merki@psi.ch, Tel. +41 (0)56 310 55 57

PSI-Forscherin Annette Foelske zeigt den Teilnehmerinnen des Tochtertages das Labor für Elektrochemie (Foto: PSI/Frank Reiser)		Die Jungforscherinnen lernen pH-Werte zu bestimmen (Foto: PSI/Frank Reiser)

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Chemie-Nobelpreisträger 2009 forscht am Paul Scherrer Institut

Das Paul Scherrer Institut gratuliert Professor Venkatraman Ramakrishnan zum Erhalt des diesjährigen Nobelpreises für Chemie. Ramakrishnan ist langjähriger Nutzer der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts und führt hier regelmässig Experimente zur Bestimmung der Struktur von Ribosomen durch, für die er nun den Nobelpreis erhalten hat.

Den Nobelpreis für Chemie erhält Venkatraman Ramakrishnan vom MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, Vereinigtes Königreich gemeinsam mit Thomas A. Steitz, Yale University New Haven, USA und Ada E. Yonath, Weizmann Institute of Science Rehovot, Israel für seine Arbeiten zur Bestimmung der Struktur und Funktion von Ribosomen – komplexen Molekülen, die dafür sorgen, dass der in der DNA gespeicherte Bauplan des Lebens in Proteine, also in die entsprechenden biologischen Bausteine, übersetzt wird.

Um die genaue dreidimensionale Anordnung der vielen tausend Atome zu bestimmen, aus denen ein solches Ribosom besteht, nutzen Forscher die Röntgenstrukturanalyse – ein Verfahren, bei dem man Röntgenlicht in einem Strahl auf eine kristallisierte Substanz richtet und anschliessend beobachtet, wie das Licht vom Kristallgitter gebeugt wird. Aus den Beugungsmustern lässt sich in einem aufwändigen Verfahren die exakte Struktur des Ribosoms bestimmen.

Das Paul Scherrer Institut betreibt an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS drei Messplätze, an denen der Aufbau biologischer Moleküle mit Röntgenlicht bestimmt wird und die zu den weltweit besten für diese Forschung gehören. Der sehr intensive und gebündelte Strahl, der an der SLS erzeugt wird, macht es zusammen mit ebenfalls am PSI entwickelten einzigartigen Röntgendetektoren möglich, die Strukturen der Ribosomen und ihrer Verbindungen mit anderen Molekülen aussergewöhnlich detailliert darzustellen.

Das Röntgenlicht, das in der Synchrotron Lichtquelle Schweiz entsteht, wird von Elektronen ausgesandt, die sich auf einer Kreisbahn mit rund 288 Metern mit fast Lichtgeschwindigkeit bewegen. Dieses Röntgenlicht ist gegenüber dem einer gewöhnlichen Röntgenröhre um ein vielfaches brillanter, was anspruchsvolle Experimente erlaubt. Die Möglichkeit, Experimentierzeit an der SLS zu beantragen, steht – wie an den anderen Grossanlagen des PSI – interessierten Forschenden aus aller Welt offen. Eine Kommission bestehend aus Forschenden verschiedener Länder wählt aus den eingereichten Anträgen die besten aus und weist ihnen Messzeit zu. So misst auch Venkatraman Ramakrishnan seit 2003 regelmässig am PSI. Auf diesen SLS-Messungen und auf Experimenten an anderen Synchrotronanlagen basieren auch drei wichtige Publikationen, die das Nobelpreiskomitee in seiner Begründung für die Vergabe des Preises anführt.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Weitere Informationen:
Professor Dr. Friso van der Veen, Paul Scherrer Institut, Bereichsleiter Synchrotronstrahlung und Nanotechnologie, Tel: +41 (0)56 310 5118, +41 (0)79 5936509, E-Mail: friso.vanderveen@psi.ch (deutsch, englisch)

Dr. Vincent Olieric, Paul Scherrer Institut, Wissenschaftler an der Proteinkristallographie-Strahllinie X06SA, Tel: +41 (0)56 310 5233, E-Mail: vincent.olieric@psi.ch (französisch, englisch)


Publikationen, die auf Messungen an der SLS beruhen und für die diesjährige Chemie-Nobelpreisvergabe wesentliche Ergebnisse enthalten:

Rebecca M Voorhees, Albert Weixlbaumer, David Loakes, Ann C Kelley & V Ramakrishnan;
Insights into substrate stabilization from snapshots of the peptidyl transferase center of the intact 70S ribosome; Nature Structural and Molecular Biology, Volume 16, Nummer 5, Mai 2009, S. 528ff.

Albert Weixlbaumer, Hong Jin, Cajetan Neubauer, Rebecca M. Voorhees, Sabine Petry,
Ann C. Kelley, Venki Ramakrishnan; Insights into Translational Termination from the Structure of RF2 Bound to the Ribosome; Science, Volume 322, 7. November 2008, S. 953ff.

Maria Selmer, Christine M. Dunham, Frank V. Murphy IV, Albert Weixlbaumer, Sabine Petry, Ann C. Kelley, John R. Weir, V. Ramakrishnan; Structure of the 70S Ribosome Complexed with mRNA and tRNA, Science, Volume 313 29. September 2006, S. 1935 ff

Innenansicht der Experimentierhalle an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (Foto: H.R. Bramaz/PSI)

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Ticket für die Reise durch die Zelle

Forscher entdecken Mechanismus für wesentliche Erkennungsvorgänge in lebenden Zellen

Eine lebende Zelle ist von einem dichten Geflecht von Polymerfasern durchzogen, die unter anderem dafür zuständig sind, verschiedene Zellbestandteile an ihre Bestimmungsorte in der Zelle zu ziehen: sie trennen bei der Zellteilung die für die beiden neuen Zellen gedachten Chromosomen voneinander, oder transportieren Zellorganellen und Bläschen mit Substanzen an ihren Bestimmungsort. Ein Forschungsteam um Michel Steinmetz (Paul Scherrer Institut, Villigen, Schweiz) und Anna Akhmanova (Erasmus Medical Center, Rotterdam, Niederlande) hat nun einen Mechanismus aufgeklärt, der dazu beiträgt, dass die Enden der Polymerfasern Chromosomen, Zellorganellen und andere Zellbestandteile spezifisch erkennen und sich mit ihnen verbinden können. Zuständig dafür sind spezielle Proteine, die wie Greifer wirken – sie docken mit dem einen Ende an der Faser an, mit dem anderen halten sie das spezifisch erkannte Zellbestandteil. Dabei sind die verschiedenen Greiferproteine sehr unterschiedlich und kompliziert aufgebaut – und haben doch alle gemeinsam, dass sie sich mit dem Faser-Ende verbinden können. Die Forscher konnten nun zeigen, dass es einen sehr kleinen Abschnitt gibt, der all diesen Proteinen gemeinsam ist und ihnen erlaubt sich an das Faser-Ende einzuhaken. Dieser Abschnitt funktioniert wie eine Fahrkarte – wer ihn hat, kann auf dem Faser-Ende mitfahren. Da solche Erkennungsprozesse an fast allen Vorgängen in der Zelle beteiligt sind, kann ihr detailliertes Verständnis helfen, neue Krebsmedikamente zu entwickeln, die in Krebszellen genau in diese Vorgänge eingreifen und so das Zellwachstum hemmen würden. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Cell.

Bewegliches Zellskelett

Drei Arten von Polymerfasern durchziehen die lebende Zelle und bilden gemeinsam das Zellskelett, zu dessen Aufgaben es gehört, die Zelle zu stabilisieren und in Form zu halten. Sie bilden aber kein steifes Gerüst, sondern reagieren flexibel auf äussere Einflüsse und sind aktiv an zahlreichen lebenswichtigen Vorgängen in der Zelle beteiligt. Eine Art von Polymerfasern sind die Mikrotubuli – Röhrchen mit einem Durchmesser von ca. 25 Nanometern.

Diese Mikrotubuliröhrchen können wachsen, indem sie „Bausteine“ aus der Zellflüssigkeit aufnehmen und an ihrem Ende anbauen oder schrumpfen, indem sie sich am Ende auftrennen und ihre „Bausteine“ an die Umgebung abgeben. So kann das Ende eines solchen Mikrotubulus in Bewegung bleiben und am Aufbau des Zellskelettes teilhaben. Dabei sind auch stets Proteine beteiligt, die sehr unterschiedlich aufgebaut sein können und doch eine ganz spezifische Eigenschaft gemeinsam haben: sie können an die wachsenden Enden der Mikrotubuli binden.

Vier Aminosäuren

Ein besonders Mitglied dieser Klasse ist das Protein EB1, das als einziges direkt an die Enden der Mikrotubuli andocken kann. Alle anderen Proteine können sich lediglich mit dem EB1 verbinden. Dabei war lange unklar, wie EB1 und die anderen Proteine zueinanderfinden. Diese Frage beantworten jetzt die Ergebnisse der Forscher von Paul Scherrer Institut und Erasmus Medical Center. Sie konnten zeigen, dass allen diesen Proteinen eine bestimmte Abfolge – Sequenz – von vier Aminosäuren gemeinsam ist. Diese Sequenz hat dabei eine typische Form, die exakt in einen Freiraum in der Struktur des EB1 passt. So können die Proteine unabhängig von ihrer übrigen Form exakt an das EB1 und somit indirekt an die Enden der Mikrotubuli andocken. In der üblichen Nomenklatur wird diese Sequenz mit SxIP abgekürzt, wobei S für die Aminosäure Serin, I für Isoleucin und P für Prolin steht; x steht für eine beliebige andere Aminosäure.

Neue Medikamente möglich

„Dadurch dass Mikrotubuli an fast allen Vorgängen in der Zelle beteiligt sind – bis hin zur Trennung der Chromosomen während der Zellteilung – sind sie auch ein zentraler Angriffspunkt für Medikamente, die das Wachstum von Krebszellen aufhalten. Unsere Ergebnisse können somit helfen, neue Medikamente zu entwickeln, die gezielt in die von Mikrotubuli bestimmten zelluläre Prozesse eingreifen.“ erklärt Michel Steinmetz, Leiter der Arbeitsgruppe Proteinwechselwirkungen am Paul Scherrer Institut und Initiator des Projekts eine mögliche Anwendung seiner Resultate.

Die Forschungs-Ergebnisse wurden erst durch eine Kombination von Methoden möglich – so wurde die dreidimensionale Struktur der beteiligten Proteine untersucht und deren Aminosäuresequenzen nach gemeinsamen Abschnitten abgesucht. Schliesslich konnte deutlich gezeigt werden, dass die Proteine nicht mehr über EB1 an die Mikrotubuli-Enden binden können sobald die SxIP-Sequenz beschädigt ist. Am Paul Scherrer Institut ist das Gesamtkonzept des Forschungsprojekts entwickelt und sind die strukturellen Untersuchungen mittels Röntgenkristallographie an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts durchgeführt worden.

Neben Forschern des Paul Scherrer Instituts und des Erasmus Medical Centers waren noch Wissenschaftler des Instituts für Molekulare Biologie der ETH Zürich und des Biochemischen Instituts der Universität Zürich an der Arbeit beteiligt.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Das Erasmus MC (University Medical Center Rotterdam) gehört zu den führenden Forschungszentren der Niederlande. Die Forschungsthemen reichen von biomedizinischer Grundlagenforschung, patientenbezogener Forschung und Epidemiologie bis zu den Gesundheitswissenschaften, Gesundheitspolitik und Management im Gesundheitswesen. Als grösstes universitätsmedizinisches Zentrum der Niederlande – mit 1800 Medizinstudierenden, 1500 Hochschullehrern und 10 000 Angestellten – bietet Erasmus MC medizinische Versorgung für 3 Millionen Menschen im Südwesten der Niederlande.

Weitere Informationen:

Dr. Michel Steinmetz, Paul Scherrer Institut, Forschungsgruppe Proteinwechselwirkungen,
Tel: +41 (0)56 310 4754, E-Mail: michel.steinmetz@psi.ch

Dr. Anna Akhmanova, Department of Cell Biology, Erasmus Medical Center, Rotterdam, Niederlande, Tel.: +31-10-7038134/7044249, E-Mail: a.akhmanova@erasmusmc.nl

Originalveröffentlichung:

An EB1-Binding Motif Acts as a Microtubule Tip Localization Signal
Srinivas Honnappa, Susana Montenegro Gouveia, Anke Weisbrich, Fred F. Damberger, Neel S. Bhavesh, Hatim Jawhari, Ilya Grigoriev, Frederik J.A. van Rijssel, Ruben M. Buey, Aleksandra Lawera, Ilian Jelesarov, Fritz K. Winkler, Kurt Wüthrich, Anna Akhmanova, and Michel O. Steinmetz
DOI 10.1016/j.cell.2009.04.065; Cell 138, 366–376, July 24, 2009

PSI-Forscher Michel Steinmetz rekonstruiert auf dem Computerbildschirm den atomaren Mechanismus wie Proteine an das Mikrotubli-Ende binden.		Michel Steinmetz im Biologielabor des Paul Scherrer Instituts.
Über die Aminosäurefolge SxIP (farbig) können Proteine genau an das Protein EB1 und damit an die Enden der Mikrotubuli andocken.
		Verschiedene Proteine (kräftig grün) können sich an den wachsenden Enden der Mikrotubuli (schwach grün) durch die Zelle bewegen.

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Treibstoff aus Sonnenenergie

Solarforscher Aldo Steinfeld vom Paul Scherrer Institut PSI und der ETH Zürich erhält Preis des amerikanischen Ingenieurverbandes für Arbeiten zu erneuerbaren Energien

Konzentrierte Sonnenenergie kann technisch nicht nur zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden, man kann mit ihrer Hilfe auch Brennstoffe wie Wasserstoff oder indirekt sogar flüssige Treibstoffe produzieren. Nun wurde einer der Pioniere auf diesem Gebiet, Professor Aldo Steinfeld vom Paul Scherrer Institut und der ETH Zürich, mit dem Yellott Award, dem Preis des amerikanischen Ingenieursverband ASME für Arbeiten zu erneuerbaren Energien ausgezeichnet.

Sonnenenergie ist im Wesentlichen uneingeschränkt vorhanden und ihre Verwendung ökologisch sinnvoll. Allerdings ist die auf die Erde treffende Solarstrahlung stark verdünnt, nicht dauernd verfügbar sowie ungleichmässig über die Erdoberfläche verteilt. Diese Nachteile können überwunden werden, wenn die Sonnenenergie konzentriert und in chemische Energieträger umgewandelt wird, und zwar in Form von solaren Brenn- und Treibstoffen, die über lange Zeit gespeichert und über weite Distanzen transportiert werden können.

Sonnenlicht erfolgreich konzentrieren

Dazu werden durch hochkonzentriertes Sonnenlicht chemische Reaktionen angeregt, deren Produkte als Treibstoffe dienen können – im einfachsten Fall kann man etwa Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten und mit dem gewonnenen Wasserstoff in einer Brennstoffzelle elektrischen Strom erzeugen. Die Arbeit von Steinfeld und seinen Kollegen konzentriert sich darauf, thermochemische Hochtemperatur-Prozesse zu erforschen und besonders effiziente Solarreaktoren zu entwickeln, in denen die Vorgänge unter den extremen Bedingungen der hochkonzentrierten Sonneneinstrahlung stattfinden können. „Die Technologien zum Konzentrieren der Sonnenenergie werden bereits erfolgreich im Megawatt-Massstab in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt. Dabei heizt konzentriertes Sonnenlicht eine Flüssigkeit auf, die wiederum Dampf erhitzt, womit eine Turbine angetrieben und über den angeschlossenen Generator elektrischer Strom erzeugt wird. Man müsste also nur einen entsprechenden chemischen Reaktor in den Brennpunkt eines Solarturm-Kraftwerks einbauen, um unser Verfahren zu nutzen“ erklärt Steinfeld einen der praktischen Vorteile und das Potenzial seiner Technologie. Solarthermische Kraftwerke werden bereits in mehreren Ländern genutzt und sind in den letzten Wochen durch die Idee, in Afrika erzeugten Strom nach Europa zu transportieren, wieder ins öffentliche Bewusstsein gerückt.

Zink als Sonnenspeicher

Die Forschenden von Steinfelds Arbeitsgruppen am PSI und an der ETH arbeiten an verschiedenen chemischen Verfahren, um solare Treibstoffe herzustellen. Besonders attraktiv ist die am PSI entwickelte Methode, Zinkoxid mit Hilfe von konzentrierter Sonnenenergie in metallisches Zink und Sauerstoff aufzuspalten. Bringt man das Zink später mit Wasserdampf in Kontakt, entsteht dabei wieder Zinkoxid sowie Wasserstoff, der als Treibstoff genutzt werden kann. Der Vorteil dieses thermochemischen Kreisprozesses besteht darin, dass Sauerstoff und Wasserstoff in getrennten Reaktionen entstehen und man so nicht mit einem explosiven Gasgemisch hantieren muss. Ausserdem kann die zweite Reaktion erst an dem Ort stattfinden, an dem der Wasserstoff benötigt wird – man muss also kein Wasserstoffgas lagern oder transportieren.

Sonnenenergie tanken

Als weiteres Beispiel nennt Steinfeld die solare Produktion von Synthesegas – einer Mischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid - das mit bekannten chemischen Verfahren in flüssigen Treibstoff umgewandelt und somit an den vorhandenen Tankstellen wie gewöhnliches Benzin getankt werden kann. „Solare Brenn- und Treibstoffe machen es möglich, Kraftwerke, Fahrzeuge und Betriebe der chemischen Industrie mit umweltfreundlicher Energie zu versorgen und leisten damit einen Beitrag zur Lösung der Klimaproblematik.“ betont Steinfeld.

Um die neu entwickelten Solarreaktoren testen zu können, betreibt das Labor für Solartechnik am PSI einen Solarofen, in dem die Sonnenenergie an einem Punkt bis zu 5000-fach konzentriert werden kann und in dem Temperaturen von über 2000°C erreicht werden können.

Internationale Karriere

Der Preisträger Prof. Aldo Steinfeld arbeitet seit 1991 am Paul Scherrer Institut (Villigen), wo er seit 2005 das Labor für Solartechnik leitet. Seit 2007 ist er auch ordentlicher Professor für Erneuerbare Energieträger an der ETH Zürich. Er hat an der Universität von Minnesota in den USA promoviert und anschliessend am Weizmann-Institut in Israel gearbeitet. Am Paul Scherrer Institut hat er als einer der Pioniere auf dem Gebiet die Forschung zur Hochtemperatur-Solarchemie aufgebaut. Neben seiner Arbeit als Forscher und Hochschullehrer ist Steinfeld auch Herausgeber der Fachzeitschrift Journal of Solar Energy Engineering.

ASME (American Society of Mechanical Engineers) ist ein weltweit aktiver Ingenieurverband, der Yellott Award sein bedeutendster Preis auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien. Er wird alle zwei Jahre an Forschende verliehen, die sich um die Erforschung erneuerbarer Energien verdient gemacht haben – durch eigene wissenschaftliche Arbeit, durch Ausbildung und durch ihre Arbeit für die Forschergemeinschaft. Der Preis wurde Prof. Steinfeld am 22. Juli 2009 (Ortszeit) im Rahmen der internationalen Konferenz über nachhaltige Energien in San Francisco verliehen.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.


Kontakt:

Prof. Dr. Aldo Steinfeld
Am PSI: Labor für Solartechnik, 5232 Villigen PSI, Schweiz,
Telefon: +41 (0)56 310 31 24, E-Mail: aldo.steinfeld@psi.ch
An der ETH: Institut für Energietechnik, ML J 42.1, Sonneggstr. 3, 8092 Zürich, Schweiz,
Telefon: +41 (0)44 632 79 29, E-mail: aldo.steinfeld@eth.ch

Dr. Anton Meier, Paul Scherrer Institut, Labor für Solartechnik, 5232 Villigen PSI, Schweiz,
Telefon: +41 (0)56 310 27 88, E-Mail: anton.meier@psi.ch

Prof. Steinfeld neben dem PSI-Hochfluss-Solarsimulator zum Testen von Hochtemperatur-Solarreaktoren bei einer Strahlungsintensität von bis zu 5000 Sonnen.		Der PSI-Hochfluss-Solarsimulator		Der Solarofen des PSI kann die Strahlung der Sonne bis zu 5000-fach konzentrieren. Damit können Hochtemperatur-Solarreaktoren getestet werden.

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Neues Verfahren ermöglicht Steuerung von elektronischen Materialeigenschaften

Forschenden am Swiss Nanoscience Institute ist es erstmals gelungen, dünne Schichten mit steuerbaren elektronischen Eigenschaften herzustellen. Diese Entdeckung könnte für zukünftige Anwendungen in der Sensorik und der Computertechnologie von grosser Bedeutung sein. Die Arbeiten des internationalen Forscherteams der Universitäten Basel und Heidelberg sowie des Paul Scherrer Instituts werden im renommierten Wissenschaftsmagazin «Science» veröffentlicht.

Gewöhnlich ist der elektrische Widerstand eines Materials ebenso wie sein spezifisches Gewicht und seine Farbe eine nicht steuerbare Materialeigenschaft. Forschenden um die Physikerin Dr. Meike Stöhr ist es nun gelungen, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem zukünftig die elektronischen Eigenschaften an einer Oberfläche gezielt verändert werden können, darunter auch der Widerstand.

Das interdisziplinäre Team aus Physikern und Chemikern hat eine Substanz entwickelt, die durch Erhitzen auf einer Kupferoberfläche ein stabiles zweidimensionales Netzwerk mit Nanometer-kleinen Poren bildet. Durch die Wechselwirkung dieses Netzwerks mit dem an der Metalloberfläche vorhandenen Elektronengas kommt es zu zwei Effekten: Unterhalb des Netzwerks werden die Elektronen verdrängt, während sich in den Poren kleine «Elektronenseen» in sogenannten Quantentöpfen bilden.

Grosses Potenzial für die Materialforschung
Durch Veränderung sowohl des Porenabstands als auch des Porendurchmessers besteht die Möglichkeit, die Eigenschaften des Materials gezielt zu verändern. Eine weitere Möglichkeit zur Veränderung bietet sich durch das Befüllen der Poren mit Gast-Molekülen an. Dadurch würde ein direkter Zugriff auf die Eigenschaften ermöglicht, welche von den Elektronen bestimmt werden, wie z.B. die Leitfähigkeit, die Reflektivität oder die katalytischen Eigenschaften der Oberfläche. Auf diese Weise können Materialien mit neuen steuerbaren Eigenschaften entstehen.

Die zugrunde liegenden physikalischen Vorgänge können durch den Vergleich des Elektronengases mit Wasserwellen an folgendem Beispiel nachvollzogen werden: An einem auf der Oberfläche schwimmenden Hindernis werden Wasserwellen reflektiert. Für ein Hindernis in Form eines Bienenwaben-förmigen Netzes können sich in den einzelnen Waben stehende Wasserwellen ausbilden. So entsteht je nach Struktur und Grösse des Netzes ein charakteristisches Wellenmuster. Analog hierzu entstehen im oben beschriebenen neuen Material charakteristische Elektronenwellen aufgrund der Wechselwirkung des molekularen Netzwerks mit den Elektronen der Metalloberfläche.

Poren-Netzwerke sind Kandidaten für neue Metamaterialien. Dies sind Stoffe, die aufgrund ihrer speziellen periodischen Struktur optische bzw. elektronische Eigenschaften haben, die durch die Steuerung der Eigenschaften der einzelnen Komponenten gezielt verändert werden können. Im vorliegenden Fall sind es die elektronischen Eigenschaften der Oberfläche, welche durch die Grösse und die Eigenschaften der selbstorganisierten Nano-Poren bestimmt werden.

Die Universität Basel und das Paul Scherrer Institut sind Teil des langfristig angelegten und vom Kanton Aargau finanzierten Swiss Nanoscience Institute (SNI). Zum SNI gehören das 2001 gegründete Netzwerk des Nationalen Forschungsschwerpunkts Nanowissenschaften sowie das 2006 neu geschaffene, vom Kanton Aargau finanzierte Argovia-Netzwerk. Wichtiger Partner im vorliegenden Projekt war die Synchrotron Lichtquelle Schweiz des Paul Scherrer Instituts.

Kontakt:
Dr. Meike Stöhr, Swiss Nanoscience Institute,
Tel. +41 (0) 61 267 37 59, E-Mail: Meike.Stoehr@unibas.ch
Dr. Thomas Jung, Paul Scherrer Institut,
Tel. +41 (0) 56 310 45 18, E-Mail: Thomas.Jung@psi.ch

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Originalveröffentlichung:
Jorge Lobo-Checa, Manfred Matena, Kathrin Müller, Jan Hugo Dil, Fabian Meier, Lutz H. Gade, Thomas A. Jung, and Meike Stöhr
Band Formation from Coupled Quantum Dots Formed by a Nanoporous Network on a Copper Surface
Science 17 July 2009 [DOI: 10.1126/science.1175141]

Teamwork: PD Dr. Meike Stöhr and Manfred Matena während der Arbeit am Ultrahochvakuum-Experimentiersystem im Nanolab der Universität Basel. (Bild: Universität Basel)		Molekulares Netzwerk auf einer Metalloberfläche, aus dem ein elektronisches Metamaterial hervorgeht.

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Der Aargauer Regierungsrat auf Informationsbesuch
am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen AG

Auch in neuer Zusammensetzung ein Zeichen gesetzt


Der Aargauer Regierungsrat in corpore hat sich heute am PSI, dem grössten öffentlichen Forschungsinstitut der Schweiz, aus erster Hand über dessen zukünftige Forschungsschwerpunkte informieren lassen. PSI-Direktor Joël Mesot und sein Team führten die Gäste durch die einzigartigen Grossanlagen des Instituts und stellten unter anderem auch das neue Grossprojekt des PSI, den SwissFEL, vor.

Der vollzählige Aargauer Regierungsrat mit Landammann Roland Brogli, Landstatthalter Peter C. Beyeler, Regierungsrätin Susanne Hochuli, Regierungsrat Urs Hofmann und Regierungsrat Alex Hürzeler kam zusammen mit Staatsschreiber Peter Grünenfelder zu einem Besuch ans PSI. Seit April in neuer Zusammensetzung im Amt haben sie gleich zu Beginn ihrer Amtszeit das PSI besucht. Damit drückte der Aargauer Regierungsrat dem im Kanton beheimateten nationalen Forschungszentrum seine besondere Wertschätzung aus. Das PSI ist ein international anerkannter Standort für Spitzenforschung in den Natur- und Ingenieurwissenschaften und für herausragende technologische Entwicklungen bekannt. Es erschliesst dem Kanton Aargau und auch der Fachhochschule NW einen optimalen Zugang zu den beiden ETH in Zürich und Lausanne und zu den schweizerischen Universitäten. Erfreut zeigte sich Direktor Joël Mesot über die Stellung des PSI für den Forschungsstandort Aargau, die sich auch in der neuen, zehnjährigen Regierungsstrategie, dem Entwicklungsleitbild, wiederfindet.

Den Besuchern gegenüber erläuterte Direktor Mesot die zukünftigen Schwerpunkte des PSI. Dazu gehört die Forschung an neuen, weitgehend CO₂-freien Energietechnologien, zu deren Entwicklung auch das mit Finanzmitteln des Regierungsrats unterstützte und am PSI angesiedelte Kompetenzzentrum für Energie und Mobilität wesentlich beiträgt. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der physikalischen Grundlagenforschung und bei der Erforschung neuer Materialien. Dazu werden ebenfalls die am PSI entwickelten und international renommierten Grossanlagen eingesetzt. Das PSI wird auch in Zukunft der Forschung und Entwicklung zur Krebsbekämpfung hohe Priorität einräumen. Es ist mit seiner Forschung für frühzeitige Krebsdiagnosen als auch mit der Entwicklung von neuartigen Therapien von Krebstumoren, insbesondere der Protonentherapie, an vorderster Front dabei. Auch in diesem Bereich hat der Regierungsrat mit seiner finanziellen Unterstützung in den vergangenen Jahren wesentlich zum Erfolg beitragen können.

Der Regierungsrat würdigte das enorme Potenzial des PSI für den Wissenschafts- und Wirtschaftsraum Schweiz ebenso wie die Anziehungskraft, die der Kanton Aargau damit auch international für hochqualifizierte Arbeitsplätze und für Spitzentechnologie ausweisen kann. Er betonte gegenüber den PSI-Verantwortlichen die wichtige Rolle, die dem PSI und mit ihm auch den anderen Institutionen des ETH-Bereichs zukomme. Gerade in der heutigen Wirtschaftskrise könnten diese mit ihrem enormen Innovationspotential die Schweizer Industrie besonders erfolgreich unterstützen, so dass sie für die zukünftigen technologischen Herausforderungen eines globalen Markts gut positioniert sein wird.

Ein besonderes Interesse des Regierungsrats galt dem neuen PSI-Grossprojekt SwissFEL. Dabei handelt es sich um eine neuartige Röntgenlichtquelle – einen sogenannten Röntgenlaser –, mit dem in Würenlingen/Villigen in Zukunft interdisziplinäre Teams aus Biologie, Chemie, Physik, Materialwissenschaften und weiteren Fachgebieten vertiefte Einblicke in die atomaren und molekularen Strukturen von Materialien und in die darin ultraschnell ablaufenden physikalischen und chemischen Prozesse gewinnen können. Die geplante Anlage ist weltweit einzigartig und wird ein rund zehn Milliarden Mal brillanteres Licht erzeugen können als die bestehende Synchrotronlichtquelle SLS. Der SwissFEL wird zusammen mit der SLS und den Neutronen- und Myonenquellen das PSI auch in den kommenden 20 Jahren zu einem der anerkanntesten internationalen Forschungszentren machen.

Der Regierungsrat sprach sich gegenüber der PSI-Direktion für eine Fortsetzung der engen Zusammenarbeit aus, damit das renommierte, mit dem Kanton eng verbundene Forschungszentrum seine nationale und internationale Kompetenz und Ausstrahlung auch in Zukunft tatkräftig zeigen und die Interessen unserer Wirtschaft erfolgreich unterstützen kann.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Joël Mesot, Direktor des Paul Scherrer Instituts, 5232 Villigen PSI,
Telefon +41 (0)56 310 4029, joel.mesot@psi.ch

PSI-Stabschef Martin Jermann erläutert dem Aargauer Regierungsrat die neue Anlage zur Behandlung von Augentumoren mit Protonen (Optis 2). Rechts: PSI-Direktor Joël Mesot. (Foto PSI / F. Reiser)		PSI-Wissenschaftler Rafael Abela erläutert dem Aargauer Regierungsrat den SwissFEL – die geplante neue Grossanlage des Paul Scherrer Instituts. (Foto PSI / F. Reiser)		PSI-Wissenschaftler Rafael Abela erläutert Mitgliedern des Aargauer Regierungsrats die Funktionsweise der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. Links: PSI-Direktor Joël Mesot. (Foto PSI / F. Reiser)

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Innovative Ideen und kreatives strategisches Handeln

Das Paul Scherrer Institut präsentiert aktuelle Themen auf seiner Jahresmedienkonferenz


Das Paul Scherrer Institut PSI ist für seine Spitzenforschung bekannt. Wie diese Spitzenposition zustande kommt und wie man sie langfristig sichern kann, erfuhren Medienvertreter bei der Jahresmedienkonferenz am 23. Juni. So berichteten etwa zwei Forscher davon wie sie neue Materialien untersuchen. Solche, die langfristig beispielsweise dazu beitragen könnten, dass in Zukunft Daten in Computern oder MP3-Playern noch schneller und noch dichter gespeichert werden können. Oder solche von Supraleitern, die elektrischen Strom ohne Widerstand leiten können. Aber nicht nur die eigentliche Forschung erfordert innovative Ideen: auch kreatives strategisches Handeln ist wichtig, so dass beispielsweise stets genug begabte junge Forscher den Weg ans PSI finden. Dafür sollen insbesondere Kooperationen mit Hochschulen sorgen, von denen die «gemeinsame Professur» gerade besonders aktiv vorangetrieben werde betonte Joël Mesot, der Direktor des Instituts.

«Um dauerhaft international erfolgreich zu sein, braucht ein Institut wie das PSI engagierte politische Endscheidungsträger, exzellentes Personal, ehrgeizige wissenschaftliche Projekte und enge Beziehungen zu den Hochschulen» sagte Prof. Joël Mesot, Direktor des Paul Scherrer Instituts, in seiner Ansprache zu beginn der Medienkonferenz. Dabei sollen die Beziehungen zu den Hochschulen dazu beitragen, dass exzellente junge Forscher ihren Weg ans PSI finden. Und ein Mittel dazu ist die «gemeinsame Professur», bei der Forscher des PSI gleichzeitig Professoren an einer Schweizer Universität oder ETH sind. Dem PSI hilft diese Verbindung unter anderem, begabte Studenten für die Forschungsthemen des Instituts zu begeistern. Die Hochschulen wiederum erweitern ihren Lehrkörper um aktive Forschende mit spannenden Arbeitsthemen.

Beispiele für ehrgeizige wissenschaftliche Projekte stellten die beiden PSI-Forscher Christof Niedermayer und Frithjof Nolting vor. Niedermayer erforscht unter anderem Supraleiter. Diese Materialien können bei hinreichend tiefen Temperaturen Strom ganz ohne elektrischen Widerstand leiten. Im grossen Massstab technisch eingesetzt, könnten diese Materialien beispielsweise helfen, viel Energie zu sparen, die beim Stromtransport verlorengeht. Nolting forscht an magnetischen Materialien, wie sie in Zukunft die Datenspeicherung revolutionieren könnten und etwa schnellere und kleinere Speicher möglich machen würden.

Dabei betrieben beide nicht unmittelbar angewandte Forschung, sondern wollen im Rahmen der Grundlagenforschung den physikalischen Phänomenen in den untersuchten Materialien auf den Grund gehen. Diese zunächst zweckfreie Grundlagenforschung ist es aber, die wirklich innovative Technologien erst möglich macht. Und so braucht es engagierte politische Entscheidungsträger, die bereit sind, sich für die Belange der Grundlagenforschung als Voraussetzung für den technischen Fortschritt einzusetzen.

Möglich wird die Forschung von Nolting und Niedermayer erst durch die wissenschaftlichen Grossanlagen des Instituts, an denen Neutronen, Myonen und Synchrotronlicht einzigartige Einblicke in Vorgänge im Inneren der Materialien bieten. Die Grossanlagen SINQ (Neutronen), SμS (Myonen) und SLS (Synchrotronlicht) sind in der Schweiz einzigartig und stehen auch Forschern anderer Forschungszentren und der Universitäten offen.

Drei weitere ehrgeizige Forschungsprojekte des PSI nannte Joël Mesot in seiner Ansprache. Das neue Grossgerät des PSI: den SwissFEL (bis vor kurzem PSI-XFEL) – einen Röntgenlaser, dessen kurze und intensive Röntgenpulse es unter anderem möglich machen werden, verschiedene Stadien chemischer Reaktionen zu «fotografieren». 2016 soll der Laser in Betrieb gehen, der kürzlich aus der Planungs- in die Umsetzungsphase übergegangen ist. Weiter ist das PSI führend in der Entwicklung kompakter Beschleuniger für die Protonentherapie – eine besonders schonende Form der Strahlentherapie gegen Krebs, bei deren Anwendung und Entwicklung das PSI zu den Pionieren gehört. Schliesslich arbeiten PSI-Forscher zusammen mit der Firma Belenos an der Entwicklung eines «lokal CO₂-emissionsfreien Antriebsstrangs für einen Personenwagen», in dem unter anderem am PSI entwickelte Brennstoffzellentechnologie zum Einsatz kommen soll.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.


Weitere Informationen:

PD Dr. Christof Niedermayer, Labor für Neutronenstreuung, Paul Scherrer Institut,
5232 Villigen PSI, Schweiz, Telefon +41 (0)56 310 20 86, christof.niedermayer@psi.ch

Dr. Frithjof Nolting, Forschungsgruppe Mikroskopie und Magnetismus,
Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS), Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz, Telefon +41 (0)56 310 51 11, frithjof.nolting@psi.ch

Christof Niedermayer an seinem Messplatz in der Neutronenhalle SINQ. (Foto PSI)		Frithjof Nolting an der Strahllinie der SLS, mit der er magnetische Materialien untersucht. (Foto PSI)		Joël Mesot, Direktor des PSI erläutert die Strategie des Instituts. (Foto PSI)

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Supraleiter weisen Magneten den Weg
Forscher der Universität Freiburg (Schweiz) und des Paul Scherrer Instituts PSI entdecken neue Form der Koexistenz zwischen Supraleitung und Magnetismus.

Ferromagnetismus und Supraleitung vertragen sich eigentlich nicht. In herkömmlichen Materialien treten sie deshalb auch nicht gemeinsam auf. Eine Koexistenz lässt sich aber erzwingen, indem man abwechselnd dünne Schichten von Ferromagneten und Supraleitern anordnet. Forscher der Universität Freiburg (Schweiz) und des Paul Scherrer Instituts haben nun untersucht, was geschieht, wenn man dabei einen Hochtemperatur-Supraleiter verwendet. Ihr Ergebnis: der Hochtemperatur-Supraleiter "gibt den Ton an" und verändert den Zustand des Ferromagneten grundlegend. Über diese neue Variante im Wettstreit zwischen der Supraleitung und dem Ferromagnetismus berichten sie ab Montag, 16. Februar 2009 in der Online-Ausgabe des Wissenschafts-Journals Nature Materials.

Die "Kompromisszustände", die sich aus dem Wettstreit zwischen Supraleitung und Ferromagnetismus ergeben, haben oft Eigenschaften, die für zukünftige technische Anwendungen nützlich sein könnten – z.B. für Quantencomputer.


Wie dänische Bauklötze

Für ihre Untersuchungen haben die Forscher abwechselnd 10 Nanometer dünne Schichten aus dem Hochtemperatur-Supraleiter Y_0.6Pr_0.4Ba₂Cu₃O₇ und dem Ferromagneten La_2/3Ca_1/3MnO₃ angeordnet. "Dabei nutzten wir aus, dass sich diese Oxide, ähnlich wie die berühmten dänischen Bauklötze, sehr gut aufeinander stapeln und so zu Schichtstrukturen von sehr hoher Qualität kombinieren lassen." erläutert PSI-Forscher Christof Niedermayer die Wahl der verwendeten Materialien.


Unerwartete Beeinflussung

Im Experiment waren anfangs alle ferromagnetischen Schichten gleich stark magnetisiert. Kühlten die Forscher ihre Probe aber so stark ab, dass die Supraleiterschichten ihren elektrischen Widerstand verloren, änderte sich die Magnetisierung schlagartig: nun war jede zweite Schicht fast doppelt so stark magnetisiert wie zuvor, die anderen so gut wie gar nicht mehr.
Die Forscher erklären sich diesen überraschenden Effekt damit, dass es in dem magnetischen Material mehrere mögliche Zustände gibt. Welcher tatsächlich angenommen wird, hängt sehr empfindlich von den äusseren Bedingungen ab – etwa von dem Übergang zur Supraleitung in den Nachbarschichten. Dass das den Effekt erklären könnte, zeigt sich auch darin, dass er von weiteren Faktoren abhängt wie den inneren Spannungen im Substrat, also der Unterlage, auf der die Schichten aufgetragen sind.
Diese Schichtsysteme untersuchten die Forscher an der Neutronenquelle SINQ des Paul Scherrer Instituts. Dabei nutzten sie aus, dass polarisierte Neutronen magnetische Strukturen im Inneren einer Probe mit atomarer Genauigkeit bestimmen können.


Anwendung?

Dünnschichtsysteme aus magnetischen Materialien haben dank ihrer ungewöhnlichen Eigenschaften die moderne Elektronik revolutioniert und so könnte auch dieser neue Effekt interessante Anwendungen finden. Welchen konkreten Nutzen diese Systeme haben, wird erst die Zukunft zeigen. "Unsere Arbeit zeigt aber zumindest, dass Schichtstrukturen aus Oxiden ein erstaunlich umfangreiches "Repertoire" an ungewöhnlichen Eigenschaften zu bieten haben." betont Prof. Christian Bernhard vom "Fribourg Center for Nanomaterials – FriMat" der Universität Freiburg.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

An der Universität Freiburg lernen, lehren und forschen rund 10’000 Studierende und über 200 Professorinnen und Professoren aus 100 Ländern. An der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät besteht eine lange Tradition in der Forschung an Nanomaterialien, die in der Gründung des FriMat und des Adolphe Merkle Instituts gemündet hat.


Kontakt:

Dr. Jochen Stahn, Laboratory for Neutron Scattering, ETH Zurich & Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Tel: +41 (0)56 310 2518
Fax: +41 (0)56 310 29 39
E-Mail: Jochen.Stahn@psi.ch

Prof. Dr. Christian Bernhard, Department of Physics and Fribourg Center for Nanomaterials – FriMat, University of Fribourg, Chemin du Musée 3, CH-1700 Fribourg
Tel: +41 (0)26 300 90 70
Fax: +41 (0)26 300 97 47
E-Mail: Christian.Bernhard@unifr.ch


Originalveröffentlichung:

Giant superconductivity-induced modulation of the ferromagnetic magnetization in a cuprate–manganite superlattice
J. Hoppler, J. Stahn, Ch. Niedermayer, V.K. Malik, H. Bouyanfif, A. J. Drew, M.
Rössle, A. Buzdin, G. Cristiani, H.U. Habermeier, B. Keimer & C. Bernhard
Nature Materials, doi: 10.1038/NMAT2383

Supraleitung dominiert Magnetismus: am Anfang des Experiments sind die ferromagnetischen Schichten (M) alle gleich stark magnetisiert (links). Wird das System soweit abgekühlt, dass die supraleitenden Schichten (S) ihren Widerstand verlieren, ändert sich die Magnetisierung schlagartig (rechts).		Justin Hoppler (Doktorand, Uni Freiburg und PSI) und Jochen Stahn (PSI) bereiten die Neutronenmessung an dem Dünnschichtsystem vor.

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Quand les supraconducteurs donnent le ton aux ferromagnétiques
Des chercheurs de l’Université de Fribourg et de l’Institut Paul Scherrer (PSI) ont découvert une nouvelle forme de coexistence entre la supraconductivité et le magnétisme qui à l’avenir pourrait s’avérer utile dans des applications techniques, par exemple dans le domaine des ordinateurs quantiques. Les résultats de la recherche sont publiés dans un article de l’édition online du journal scientifique «Nature Materials».

Le ferromagnétisme et la supraconductivité sont des phénomènes physiques opposés qui ne cohabitent pas bien ensemble. On peut cependant forcer leur coexistence en disposant en alternance de minces couches de ferromagnétiques et de supraconducteurs. Des chercheurs de l’Université de Fribourg et de l’Institut Paul Scherrer ont analysé ce qui se passe lorsque l’on utilise dans ce cadre un supraconducteur à haute température et sont parvenus à un résultat étonnant. Le supraconducteur à haute température «donne le ton» et modifie fondamentalement l’état du ferromagnétique. Ces «états de compromis» résultant de la compétition entre la supraconductivité et le ferromagnétisme présentent des caractéristiques qui pourraient à l’avenir s’avérer utiles dans des applications techniques, comme par exemple dans le domaine des ordinateurs quantiques. Pour faire part de leur découverte, les chercheurs viennent de publier un article dans l’édition online du journal scientifique «Nature Materials».


Influence inattendue

Pour effectuer leurs recherches, les scientifiques ont disposé en alternance des couches de 10 nanomètres d’épaisseur du supraconducteur Y_0.6Pr_0.4Ba₂Cu₃O₇ et du ferromagnétique La_2/3Ca_1/3MnO₃. Profitant du fait que ces oxydes s’empilent très bien les uns sur les autres, ils ont pu les combiner en structures de couches de très haute qualité.
Au début de l’expérience, toutes les couches ferromagnétiques sont aimantées de manière identique. En refroidissant l’échantillon, les chercheurs font en sorte que les couches supraconductrices perdent leur résistance électrique, avec pour conséquence une modification immédiate de la magnétisation : chaque deuxième couche est alors aimantée deux fois plus puissamment qu’auparavant, tandis que les autres ne le sont pratiquement plus. Les chercheurs expliquent ce phénomène surprenant par le fait qu’il existe plusieurs états possibles dans le matériel magnétique. Ce sont les conditions externes et différents facteurs qui influent très sensiblement sur ces états.


Quelle application pratique?

Les systèmes des couches fines dans les matériaux magnétiques ont, grâce à leurs propriétés inhabituelles, révolutionné l’électronique moderne. C’est ainsi que le nouveau phénomène pourrait permettre des applications intéressantes. Le travail démontre que les structures en couches d’oxydes offrent un important «répertoire» de caractéristiques inhabituelles.


L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite des centres de recherche et se met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Ses points forts sont la recherche sur les corps solides et la science des matériaux, les particules élémentaires, la biologie, la médecine, la recherche sur l’énergie et l’environnement. Avec ses 1300 collaborateurs et un budget d’environ 260 Mio. CHF, le PSI est le plus grand institut de recherche en Suisse.

L’Université de Fribourg Quelque 10’000 étudiant-e-s et plus de 200 professeur-e-s issus de près de 100 pays étudient, enseignent et font des recherches dans les cinq facultés de l’Université de Fribourg. La Faculté des sciences a une longue tradition d’excellence en recherche sur les nano-matériaux, Frimat ainsi que le récent institut Adolphe Merkle Institute en sont les fleurons.


Contacts:

Dr. Jochen Stahn, Laboratory for Neutron Scattering, ETH Zurich & Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Tel: +41 (0)56 310 2518
Fax: +41 (0)56 310 29 39
E-Mail: Jochen.Stahn@psi.ch

Prof. Dr. Christian Bernhard, Department of Physics and Fribourg Center for Nanomaterials – FriMat, University of Fribourg, Chemin du Musée 3, CH-1700 Fribourg
Tel: +41 (0)26 300 90 70
Fax: +41 (0)26 300 97 47
E-Mail: Christian.Bernhard@unifr.ch


Article original:

Giant superconductivity-induced modulation of the ferromagnetic magnetization in a cuprate–manganite superlattice
J. Hoppler, J. Stahn, Ch. Niedermayer, V.K. Malik, H. Bouyanfif, A. J. Drew, M.
Rössle, A. Buzdin, G. Cristiani, H.U. Habermeier, B. Keimer & C. Bernhard
Nature Materials, doi: 10.1038/NMAT2383

La supraconductivité domine le magnétisme: au début de l’expérience, les couches ferromagnétiques (M) sont magnétisées de manière identique (à gauche). Lorsque le système est à tel point refroidi que les couches supraconductrices (S) perdent leur résistance, la magnétisation se transforme de manière radicale (à droite).		Justin Hoppler (doctorant, Uni Fribourg et PSI) et Jochen Stahn (PSI) préparent le mesurage des neutrons dans le système de couches fines.

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In Zukunft kommt das Brennholz aus der Gasleitung
Forschende des Paul Scherrer Instituts erhalten die Auszeichnung Watt d’Or 2009 für ein Verfahren, mit dem man Erdgas aus Holz erzeugen kann.

Ein Verfahren, das Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI) zusammen mit Kollegen der TU Wien entwickelt haben, wandelt Holz in synthetisches Erdgas um, das in öffentliche Gasleitungen eingespeist werden kann. Dadurch wird die Energie aus Holz für die Stromerzeugung in Gaskraftwerken oder den Autoantrieb verfügbar. Zugleich wird damit eine sehr umweltfreundliche Energiequelle erschlossen, da die Holzvergasung CO₂-neutral.
In einer Testanlage im österreichischen Güssing wird das Verfahren im technischen Massstab erprobt. Im Dezember 2008 lieferte die Anlage erstmals Methan – den Grundbestandteil von Erdgas.
Am 8. Januar erhalten die beteiligten PSI-Forscher für ihre Arbeit die Auszeichnung Watt d’Or 2009 des Schweizerischen Bundesamts für Energie BFE in der Kategorie «Energietechnologien».

Umweltfreundliche Energie

Holz wird bis heute als Energieträger vor allem zum Heizen genutzt, obwohl der Bedarf an Heizenergie abnimmt und beim Verbrennen von Holz gesundheitsschädlicher Feinstaub entsteht. Gleichzeitig hat die Energiegewinnung aus Holz den Vorteil, CO₂-neutral zu sein, weil nachwachsende Bäume das entstehende CO₂ binden. Die Erzeugung von Gas aus Holz macht es möglich, die Vorteile der Energie aus Holz zu nutzen und die Nachteile zu vermeiden: man erhält einen CO₂-neutralen Energieträger, der sauber verbrennt und für unterschiedlichste Zwecke einsetzbar ist. Dabei steht in der Schweiz genug Energieholz zur Verfügung, um einige Prozent des Energiebedarfs zu decken.

Erdgas aus Holz

Ein von Forschenden des Paul Scherrer Instituts (PSI) und der TU Wien entwickeltes Verfahren erlaubt, Holzgas ohne zusätzlichen Aufwand für den Anwender überall da zu nutzen, wo eine übliche Gasversorgung vorhanden ist: im Haushalt, in Gaskraftwerken oder in Erdgasfahrzeugen. Das besondere an dem neuen Verfahren ist, dass es anders als bisher angewandte Methoden, Methan produziert, das ein Hauptbestandteil von Erdgas ist und damit problemlos in die Gasleitung eingespeist werden kann. Dafür sind zwei Stufen nötig: In der ersten wird aus Holz ein brennbares Gasgemisch erzeugt, das aber noch nicht für die Gasleitungen geeignet ist. Erst in der zweiten, von den Forschenden des Paul Scherrer Instituts entwickelten, Stufe wird dieses Gas mit Hilfe eines katalytischen Verfahrens in Methan umgewandelt.

Aus der Wissenschaft in die Anwendung

Das Verfahren zur Erzeugung von synthetischem Erdgas wird in einer Testanlage im österreichischen Güssing erprobt, die im Dezember 2008 erstmals Methan produziert hat. «Mit der neu errichteten Anlage in Güssing konnten wir zeigen, dass das im Labor entwickelte Verfahren der katalytischen Methanierung im technischen Massstab funktioniert.» erklärt Samuel Stucki, Leiter des Labors für Energie und Stoffkreisläufe am PSI. «Damit ist weltweit zum ersten Mal die Machbarkeit der Produktion von synthetischem Erdgas aus Holz nachgewiesen worden und die Technik ist für die industrielle Praxis umsetzbar.»
Für die technische Umsetzung des PSI-Verfahrens war das Winterthurer Unternehmen CTU Conzepte Technik Umwelt AG verantwortlich, das auch für die Einführung des Verfahrens auf dem Markt zuständig sein wird. Als weiterer Partner ist die österreichische Firma Repotec Umwelttechnik beteiligt.

Ausgezeichnete Forschung

Für ihre Arbeit erhalten die PSI-Forscher den Watt d’Or – Die Auszeichnung für Bestleistungen im Energiebereich – in der Kategorie «Energietechnologien». Die Auszeichnung wird am 8. Januar 2009 anlässlich der Neujahrsveranstaltung des Bundesamts für Energie BFE in fünf Kategorien verliehen.

Die Testanlage in Güssing wurde finanziell gefördert mit Mitteln der Swisselectric Research (Forschungsförderung der Organisation der schweizerischen Stromverbundunternehmen Swisselectric), der Europäischen Union (EU-Projekt Bio-SNG) und des österreichischen Staates.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Kontakt:

Dr. Samuel Stucki, Labor für Energie und Stoffkreisläufe, Paul Scherrer Institut, CH-5232 Villigen, Tel: +41 (0)56 310 41 54; E-Mail: samuel.stucki@psi.ch
Dr. Serge Biollaz, Labor für Energie und Stoffkreisläufe, Paul Scherrer Institut, CH-5232 Villigen, Tel: +41 (0)56 310 29 23; E-Mail: serge.biollaz@psi.ch
Alfred Waser, Technologietransfer, Leiter Umsetzungsprojekt "Methan aus Holz" Paul Scherrer Institut, CH-5232 Villigen, Tel: +41 (0)56 310 52 40; E-Mail: alfred.waser@psi.ch

Zusatzinformationen:

Demonstration der Produktion von synthetischem Erdgas aus Holz im Massstab 1 MW am Biomassekraftwerk Güssing (PDF)

Energiespiegel: Energieträger Holz (PDF)

Das Entwicklungsteam vor der Testanlage zur Erzeugung von Methan aus Holz in Güssing.		PSI-Forscher Samuel Stucki und Serge Biollaz mit der Laboranlage, an der das Verfahren zur Umwandlung von Holzgas in Methan entwickelt wurde.

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Dans l’avenir, le bois de chauffe sera distribué par les conduites de gaz
Des chercheurs de l‘Institut Paul Scherrer se sont vu décerner le Watt d’Or 2009 pour un procédé permettant de produire du gaz naturel à partir du bois.

Un procédé que les chercheurs de l’Institut Paul Scherrer (PSI) ont développé avec des collègues de la ­Technische Universität de Vienne, permet de transformer le bois en gaz naturel synthétique qui pourra être injecté dans le réseau public de distribution de gaz. Ainsi, l’énergie du bois sera disponible pour générer l’électricité dans les centrales thermiques ou comme carburant destiné aux véhicules. De même, une source d’énergie très écologique est mise en œuvre, la gazéification du bois ayant un bilan neutre en CO₂.
Le procédé a été expérimenté à l’échelle technique sur une installation pilote à Güssing en Autriche. C’est en décembre que l’installation a fourni pour la première fois du méthane, l’un des composants de base du gaz naturel.
Le 8 janvier, les chercheurs du PSI impliqués ont vu leur travail récompensé en recevant le Watt d’Or 2009 dans la catégorie «Technologies énergétiques» de l’Office Fédéral de l’énergie OFEN.

Energie écologique

Jusqu’à présent, le bois est une source d’énergie principalement utilisée pour le chauffage bien que les besoins en énergie de chauffage diminuent et que la combustion du bois génère de la poussière fine, dangereuse pour la santé. De même, la production d’énergie à partir du bois présente l’avantage d’avoir un bilan neutre en CO₂ les arbres, pendant leur croissance, fixant le CO₂. La production de gaz à partir du bois permet de profiter des avantages de l’énergie du bois et d‘éviter les inconvénients : on obtient une énergie ayant un bilan neutre en CO₂, une combustion propre et utilisable pour les objectifs les plus divers. La Suisse dispose de suffisamment de bois énergétique pour couvrir un certain pourcentage de ses besoins en énergie.

Du gaz naturel produit à partir du bois

Un procédé développé par les chercheurs de l’Institut Paul Scherrer (PSI) et de la Technische Universität de Vienne permet d’utiliser le gaz du bois sans coûts supplémentaires partout où un approvisionnement habituel en gaz existe: les foyers domestiques, les centrales thermiques au gaz ou les véhicules fonctionnant au gaz naturel. La particularité du procédé réside dans la production de méthane, composant principal du gaz naturel, à la différence des procédés préalablement utilisés et dans sa possibilité d’être injecté sans problème dans les conduites de gaz. Deux phases sont nécessaires: la première consiste à générer un mélange de gaz combustible qui pourtant ne convient pas aux conduites de gaz. Ce n’est que dans la deuxième phase, mise au point par les chercheurs de l’Institut Paul Scherrer que ce gaz est transformé en méthane à l’aide d’un procédé catalytique.

De la science à l’application

Le processus de production de gaz naturel de synthèse a été expérimenté dans une installation pilote à Güssing en Autriche, installation qui a produit pour la première fois du méthane en décembre 2008. «Grâce à l’installation récemment créée à Güssing, nous avons pu montrer que le procédé de méthanisation catalytique mis au point dans le laboratoire fonctionne au niveau technique» déclare Samuel Stucki, directeur du Laboratoire d’énergétique et des cycles de matières au PSI. «Ainsi, la faisabilité de la production de gaz naturel synthétique a été internationalement prouvée pour la première fois et cette technologie est applicable dans la pratique l’industrielle.»
CTU Conzepte Technik Umwelt AG, entreprise de Winterthur, est responsable de la réalisation technique du procédé du PSI mais aussi de sa commercialisation. Autre partenaire, la société autrichienne Repotec Umwelttechnik a également participé au projet.

Recherche distinguée

Les chercheurs du PSI ont obtenu pour leur travail le Watt d’Or une distinction pour des réalisations d’exception dans le domaine énergétique dans la catégorie «technologies énergétiques». Cette distinction fut accordée le 8 janvier 2009 lors de la manifestation du nouvel an de l’Office Fédéral de l’énergie OFEN.

L’installation pilote de Güssing a été subventionnée par des fonds de Swisselectric Research (Subvention de l'organisation des entreprises du réseau d'interconnexion suisse d'électricité Swisselectric), de l’Union européenne (Projet Bio-SNG) et de l’Etat autrichien.

L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté internationale des chercheurs. Les recherches phares de l’Institut sont la recherche dans le domaine des corps solides et de la science des matériaux, de la physique des particules élémentaires, de la biologie et de la médecine, de l’énergie et de l’environnement. Avec 1300 collaborateurs et un budget annuel d’environ 260 millions de CHF, le PSI est l’institut de recherche le plus important de Suisse.

Contact:

Dr. Samuel Stucki, Laboratoire d’énergétique et des cycles de matières, Paul Scherrer Institut, CH-5232 Villigen, Tél. : +41 (0)56 310 41 54; E-Mail: samuel.stucki@psi.ch
Dr. Serge Biollaz, Laboratoire d’énergétique et des cycles de matières, Paul Scherrer Institut, CH-5232 Villigen, Tél. : +41 (0)56 310 29 23; E-Mail: serge.biollaz@psi.ch
Alfred Waser, Transfert de technologie, Directeur du projet "Bois méthane" Paul Scherrer Institut, CH-5232 Villigen, Tél. : +41 (0)56 310 52 40; E-Mail: alfred.waser@psi.ch

Information complémentaire:

Démonstration de la production de 1 MW de gaz naturel de synthèse à partir du bois, à l’usine de biomasse de Güssing. (PDF)

Le point sur l'énergie: Le bois – un agent énergétique multiforme (PDF)

Le team de développement devant l'installation de Güssing qui transforme le bois en gaz naturel de synthèse.		Chercheurs Samuel Stucki et Serge Biollaz du PSI avec l'installation laboratoire qui a servi de développer le procédé de transformation catalytique du gaz de bois en méthane.

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Temperatur im Altai folgt Sonne mit Verzögerung
Neue Ergebnisse der Klimaforschung mit Eisbohrkernen aus dem sibirischen Altai

Ein Eiskern, der 2001 von einem schweizerisch-russischen Forschungsteam unter Leitung des Paul Scherrer Instituts (PSI) auf dem Belukha-Gletscher im sibirischen Altai gebohrt wurde, liefert neue Erkenntnisse zur Klimaforschung. Anhand von Sauerstoffisotopen im Eis wurden die Temperaturen der letzten 750 Jahre im Altai rekonstruiert. Die Forschenden fanden einen starken Zusammenhang zwischen den regionalen Temperaturen und der Sonnenaktivität in der Zeitperiode 1250-1850 und schliessen daraus, dass die Sonne eine wichtige Triebkraft für Temperaturschwankungen im Altai war. Besonders bemerkenswert ist die Feststellung, dass die rekonstruierten Temperaturen dem Strahlungsantrieb der Sonne mit einer Verzögerung von 10 bis 30 Jahren folgen, Der starke Temperaturanstieg im Altai zwischen 1850 und 2000 kann jedoch nicht mit der Sonnenaktivität erklärt werden, sondern mit der wachsenden Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphäre. Darüber berichten die Forschenden in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters.

Das Altai-Gebirge liegt an der Grenze zwischen Russland, Kasachstan, der Mongolei und China und gehört zu den Regionen der Erde mit einem besonders ausgeprägt kontinentalen Klima. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Margit Schwikowski (Paul Scherrer Institut) hat 2001 auf dem Belukha-Gletscher nahe des höchsten Gipfels des Altai einen 139 m langen Eiskern gebohrt. Dieser Bohrkern hat nun nach umfangreichen Laborarbeiten seine Geheimnisse preisgegeben.

Eiskern als Thermometer
Der Eiskern wurde im Kühlraum des PSI bei -20°C in 3600 Proben zersägt und mit einem Isotopenmassenspektrometer auf den Gehalt an Sauerstoffisotopen 16O und 18O untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis dieser stabilen Sauerstoffisotope über die letzten 130 Jahre gut dem in einer nahe gelegenen Messstation gemessenen Temperaturverlauf folgt. Daher kann dieser Parameter als ein Mass für die Temperatur in der Vergangenheit verwendet werden. Die tiefste Probe wurde auf das Jahr 1250 datiert, womit der Eiskern Klimainformationen über die letzten 750 Jahre enthält.

Sonnenaktivität beeinflusst Temperaturverlauf
Die Intensität der Sonnenstrahlung ist keine Konstante. Sie schwankt in Zyklen um einen Wert von 1365 Watt pro Quadratmeter. Der bekannteste Zyklus hat eine mittlere Dauer von 11 Jahren. Direkte Messungen der Sonnenaktivität sind erst seit 1978 möglich, aber bereits seit dem Jahr 1610 wird die Anzahl der Sonnenflecken – ein Mass für die Sonnenaktivität – mittels Teleskopen beobachtet. Für den Zeitraum davor liefern andere indirekte Methoden Hinweise auf die Sonnenaktivität: die Analyse der kosmogenen Radionuklide 10Be aus polaren Eiskernen und 14C aus Baumringen, deren Gehalt auch von der Sonnenaktivität abhängt.
Die regionalen Temperaturen im Altai zeigen in der Zeitperiode 1250-1850 eine hohe Korrelation mit der rekonstruierten Sonnenaktivität. Das bedeutet, dass die Änderungen in der Sonnenaktivität in dieser Zeit eine Haupttriebkraft für die Temperaturschwankungen waren.

Temperatur folgt der Sonne
Interessanterweise folgen die regionalen Temperaturen dem Strahlungsantrieb mit einer Verzögerung von 10 bis 30 Jahren. Die Studie der PSI-Forschenden ist die erste, in der eine solche Verzögerung über einen Zeitbereich von mehr als 500 Jahren beobachtet wurde. Da der Einfluss der Sonnenaktivität auf das Klima noch nicht endgültig geklärt ist, sind solche Beobachtungen ein wichtiger Beitrag zu deren Verständnis. Ein möglicher Mechanismus, der von verschiedenen Autoren diskutiert wurde und der diese Verzögerung von im Mittel 20 Jahren erklären könnte, ist der indirekte Einfluss der Sonne auf Temperaturänderungen über das System Ozean - Atmosphäre. Das Meerwasser erwärmt sich an Orten hoher Sonneneinstrahlung, d.h. in den Subtropen und Tropen, am stärksten. Die Wärmeenergie wird im Ozean von niederen zu höheren Breiten transportiert und dort wieder an die Atmosphäre abgegeben. Aufgrund der hohen Wärmekapazität der Ozeane und variabler Strömungsgeschwindigkeiten sind dies sehr verzögerte Prozesse. Änderungen der atmosphärischen Zirkulation im Nordatlantik, die für Temperaturschwankungen im Altai verantwortlich sind, könnten im Mittel schon 20 Jahre früher durch Einstrahlungsänderungen im tropischen Ozean initiiert worden sein.

Starker Temperaturanstieg im 20. Jahrhundert kann nicht mit der Sonne erklärt werden
„Unsere Studie unterscheidet zwischen vorindustrieller Zeit (1250-1850) und der Periode der letzten 150 Jahre“, betont Anja Eichler, Wissenschaftlerin am Paul Scherrer Institut, „Während Änderungen in der Sonnenaktivität ein Hauptgrund für Temperaturschwankungen in der vorindustriellen Zeit waren, zeigen die Temperaturen im Altai in den letzten 150 Jahren einen viel stärkeren Anstieg als die Sonnenaktivität. Dieser starke Anstieg korreliert mit der Zunahme des Treibhausgases CO₂ in dieser Zeit. Die Ergebnisse unserer regionalen Studie deuten darauf hin, dass Änderungen der Sonnenaktivität weniger als die Hälfte des Temperaturanstieges seit 1850 im Altai erklären. Dies ist in Übereinstimmung mit globaleren Studien, basierend auf rekonstruierten Temperaturen der nördlichen Hemisphäre.“, meint die Forscherin.

Die Arbeit ist in einer Kooperation des Paul Scherrer Instituts mit der Eawag - dem Wasserforschungs-Institut des ETH-Bereichs, dem Oeschger Centre for Climate Change Research und dem Departement für Chemie und Biochemie der Universität Bern sowie dem Institut für Wasser- und Umweltprobleme Barnaul (Russland) entstanden.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.


Kontakt:
PD Dr. Margit Schwikowski, Labor für Radio- und Umweltchemie des PSI, CH-5232 Villigen PSI; margit.schwikowski@psi.ch; Tel. 056 310 41 10
Dr. Anja Eichler, Labor für Radio- und Umweltchemie des PSI, CH-5232 Villigen PSI; anja.eichler@psi.ch; Tel. 056 310 2077

Originalveröffentlichung: A. Eichler, S. Olivier, K. Henderson, A. Laube, J. Beer, T. Papina, H.W. Gäggeler, and M. Schwikowski, Temperature response in the Altai region lags solar forcing, Geophysical Research Letters, doi:10.1029/2008GL035930, Im Druck (2008).

Klimaforschung im Altai: der Bergführer Beat Rufibach und PSI-Forscherin Margit Schwikowski nehmen den Eiskern aus dem Bohrer heraus. Aufnahme PSI/Susanne Olivier		Das Forscherteam im Altai. Im Hintergrund das Zelt, in dem die Eiskernbohrung durchgeführt wurde. Aufnahme PSI/Patrick Ginot

Vergleich der rekonstruierten Temperaturen im Altai (Abweichung vom Mittel), nachgewiesen aus den Sauerstoffisotopen im Eiskern (rot) mit der solaren Modulation als Mass für die Sonnenaktivität aus Messungen von 10Be in polaren Eisbohrkernen (blau) und 14C in Baumringen (grün). Ausserdem sind die atmosphärischen CO2 Konzentrationen (schwarz) gezeigt. Die solaren Modulationskurven wurden um 20 Jahre verschoben (mittlerer Wert für die Verzögerung der Temperatur gegenüber dem Strahlungsantrieb). Alle Kurven zeigen geglättete 10-Jahres-Mittelwerte. Der vertikale Strich trennt vorindustrielle Zeit (1250-1850) und die Periode der letzten 150 Jahre.

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Décalage observé entre les températures
De nouveaux résultats issus de la recherche en climatologie à partir de carottes de glace de l’Altaï en Sibérie

Une carotte de glace forée dans le glacier du Belukha dans l’Altaï, en Sibérie, par une équipe de recherche russo-suisse, sous la direction de l’Institut Paul Scherrer (PSI), vient enrichir les connaissances en matière de climatologie. Grâce à des isotopes de l’oxygène contenus dans la glace, les températures des 750 dernières années ont pu être reconstituées. Les chercheurs ont trouvé une corrélation très étroite entre les températures régionales et l’activité du soleil pendant la période de 1250 à 1850, et en concluent que le soleil était un paramètre important dans l’amplitude des oscillations de la température dans l’Altaï. Ce qui est particulièrement remarquable, c’est que les températures reconstituées suivent le cycle d’évolution de l’activité solaire avec un retard de 10 à 30 ans. Toutefois, la forte augmentation de la température dans l’Altaï entre 1850 et 2000 ne peut pas s’expliquer par l’activité solaire, mais par la concentration croissante en gaz à effet de serre dans l’atmosphère. C’est le thème développé par les chercheurs dans l’édition en ligne de la revue spécialisée Geophysical Research Letters.

La chaîne de l’Altaï se trouve à la frontière entre la Russie, le Kazakhstan, la Mongolie et la Chine et fait partie des régions de la terre qui bénéficient d’un climat continental particulièrement marqué. En 2001, une équipe de recherche internationale dirigée par Margit Schwikowski (Institut Paul Scherrer) a foré une carotte de glace de 139 m de long dans le glacier du Belukha, à proximité du plus haut sommet de l’Altaï. Après des travaux considérables menés en laboratoire, cette carotte de glace a maintenant livré ses secrets.

Une carotte de glace en guise de thermomètre
La carotte de glace a été sciée en 3 600 échantillons à -20°C dans la chambre froide du PSI. Sa teneur en isotopes d’oxygène 16O et 18O a été analysée à l’aide d’un spectromètre de masse isotopique. On a pu montrer que le rapport de ces isotopes stables de l’oxygène suivait l’évolution des températures mesurées dans une station de mesure située à proximité. C’est pourquoi ce paramètre peut servir de mesure pour les températures du passé. L’échantillon le plus profond a été daté de l’an 1250, indiquant que la carotte de glace contenait des informations climatiques des 750 dernières années.

L’activité solaire influence l’évolution des températures
L’intensité du rayonnement solaire n’est pas une constante. Elle varie de 1 367 watts par mètre carré lors d’un cycle. Le cycle le plus connu a une durée moyenne de 11 ans. Ce n’est que depuis 1978 que l’on peut procéder à des mesures directes de l’activité solaire. Cependant, dès 1610, le nombre de taches solaires, mesure de l’activité solaire, est observé par des télescopes. Pour la période précédente, on obtient des informations sur l’activité solaire par d’autres méthodes indirectes: l’analyse des radionucléides cosmogènes 10Be des carottes de glace polaire et du 14C des anneaux des arbres, dont la teneur dépend également de l’activité solaire.
Dans l’Altaï, au cours de la période de 1250 à 1850, les températures régionales montrent une forte corrélation avec l’activité solaire reconstituée. Cela signifie qu’à cette époque, les modifications de l’activité solaire constituaient une force motrice essentielle des fluctuations de température.

La température suit le soleil
Il est intéressant de noter que les températures régionales suivent le cycle d’évolution de l’activité solaire avec un décalage de 10 à 30 ans. L’étude réalisée par les chercheurs de PSI est la première au cours de laquelle un tel décalage a été observé pendant une période de plus de 500 ans. Étant donné que l’influence de l’activité solaire sur le climat n’a pas encore été définitivement élucidée, de telles observations contribuent grandement à leur compréhension. Selon différents auteurs, l’influence indirecte du soleil sur les modifications des températures par le système océan-atmosphère représente l’un des éventuels mécanismes et pourrait expliquer ce retard de 20 ans en moyenne. C’est dans des zones à fort rayonnement solaire, c-à-d. dans les régions sous-tropicales et tropicales, que l’eau de mer se réchauffe le plus. Dans l’océan, l’énergie thermique est transportée des basses latitudes vers les hautes latitudes, où elle est à nouveau libérée dans l’atmosphère. Compte tenu de la grande capacité thermique des océans et des vitesses variables des courants, il s’agit de processus très retardés. Les modifications de la circulation atmosphérique dans l’Atlantique nord, qui sont responsables des fluctuations de température dans l’Altaï, pourraient déjà avoir été initiées en moyenne 20 ans plus tôt dans l’océan tropical par des modifications du rayonnement.

La forte augmentation des températures au cours du 20e siècle ne peut pas s’expliquer par le soleil
« Notre étude fait la distinction entre la période pré-industrielle (1250-1850) et la période couvrant les 150 dernières années », souligne Anja Eichler, scientifique à l’Institut Paul Scherrer. Elle poursuit en déclarant: «Alors qu’au cours de la période pré-industrielle, les modifications de l’activité solaire étaient la cause principale des fluctuations des températures, les températures enregistrées dans l’Altaï au cours de 150 dernières années présentent une augmentation beaucoup plus importante que l’activité solaire. Cette forte augmentation est en corrélation avec l’augmentation du CO₂, un gaz à effet de serre, enregistrée à cette époque. Les résultats de nos études régionales indiquent que les modifications de l’activité solaire expliquent moins de la moitié de l’élévation des températures dans l’Altaï depuis 1850. Cette observation concorde avec des études plus globales, basées sur la reconstitution des températures dans l’hémisphère nord.»

Ce travail est le fruit d’une collaboration entre l’Institut Paul Scherrer et Eawag - L'Institut de Recherche de l'Eau du Domaine des EPF, le Oeschger Centre for Climate Change Research et le département de chimie et de biochimie de l’université de Berne, ainsi que l’Institut des problèmes de l’eau et de l’environnement de Barnaul (Russie).

L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté internationale des chercheurs. Les recherches phares de l’Institut sont la recherche dans le domaine des corps solides et de la science des matériaux, de la physique des particules élémentaires, de la biologie et de la médecine, de l’énergie et de l’environnement. Avec 1300 collaborateurs et un budget annuel d’environ 260 mio. de CHF, le PSI est l’institut de recherche le plus important de Suisse.

Contact:
PD Dr. Margit Schwikowski, Laboratoire de radiochimie et de chimie environnementale du PSI, CH-5232 Villigen PSI; margit.schwikowski@psi.ch; Tel. 056 310 41 10
Dr. Anja Eichler, Laboratoire de radiochimie et de chimie environnementale du PSI, CH-5232 Villigen PSI; anja.eichler@psi.ch; Tel. 056 310 2077

Publication originale: A. Eichler, S. Olivier, K. Henderson, A. Laube, J. Beer, T. Papina, H.W. Gäggeler, and M. Schwikowski, Temperature response in the Altai region lags solar forcing, Geophysical Research Letters, doi:10.1029/2008GL035930, sous presse (2008).

Recherche climatologique dans l’Altai: Beat Rufibach et Margit Schwikowski sortent une carotte glaciaire du foret. Photo PSI/Susanne Olivier.		L’équipe de chercheurs dans l’Altai. Au fond la tente dans laquelle le forage de glace était effectué. Photo PSI/Patrick Ginot.

Comparaison des températures reconstituées de l’Altaï (écart par rapport à la moyenne), mises en évidence par des isotopes de l’oxygène dans la carotte de glace (rouge), avec la modulation solaire comme mesure de l’activité solaire, à partir des mesures de 10Be dans des carottes de glace polaire (bleu) et du 14C des anneaux des arbres (vert). De plus, les concentrations atmosphériques en CO2 (noir) sont représentées. Les courbes de modulation solaires ont été décalées de 20 ans (valeur moyenne du décalage de la température par rapport au cycle d’évolution de l’activité solaire). Toutes les courbes montrent des valeurs moyennes pondérées sur 10 ans. Le trait vertical sépare la période pré-industrielle (1250-1850) des 150 dernières années.

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Moleküle bei der Arbeit fotografiert
Röntgenblitze am Paul Scherrer Institut zeigen, wie sich Moleküle während des Ablaufs einer chemischen Reaktion verändern

Forscher der ETH Lausanne (EPFL) und des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben als erste "live" verfolgen können, wie sich die Struktur eines komplexen Moleküls während einer chemischen Reaktion verändert. Darüber berichten sie heute in der neuesten Ausgabe von ScienceExpress – der Online-Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science. In ihrem Experiment haben die Forscher mit Röntgenpulsen, die nur wenige Femtosekunden lang waren, die Strukturen abgebildet, die das Molekül auf dem Weg vom Anfangs- zum Endzustand einer Reaktion durchläuft. Die Pulse wurden an der Synchrotronlichtquelle SLS des Paul Scherrer Instituts in Villigen erzeugt. Ähnliche Moleküle, wie die untersuchten, spielen in lebenden Organismen eine wichtige Rolle. So könnten diese Experimente helfen, wichtige Lebensprozesse zu verstehen.

Viele Vorgänge im Organismus wie zum Beispiel das Sehen oder der Sauerstofftransport im Blut beruhen darauf, dass komplexe Moleküle zerfallen, neu entstehen oder ihre Form verändern. Da zwischen Anfangs- und Endzustand nur Milliardstel Sekunden liegen, muss man den Prozess mit extrem kurzen "Belichtungszeiten" fotografieren, wenn man die einzelnen Zwischenstufen beobachten möchte. Während man schon länger einfache Informationen über die Zwischenzustände einer solchen Reaktion gewinnen konnte, haben die Forscher nun erstmals deren detaillierten Strukturen beobachtet.

Möglich wurde dies durch ein Verfahren, das von der Gruppe um Majed Chergui von der EPFL mit Forschern des Paul Scherrer Instituts entwickelt wurde: Sie regten die Veränderung des Moleküls mit einem Femtosekunden-Laserpuls an, der gewissermassen den Startschuss für die Reaktion darstellte und beobachteten dann einige Femtosekunden später die aktuelle Struktur des Moleküls mit einem ähnlich kurzen Röntgenpuls. Der Röntgenpuls wurde in der Synchrotron Lichtquelle Schweiz am Paul Scherrer Institut in Villigen – einem Elektronenbeschleuniger mit einem Umfang von 288 Metern – erzeugt. Die an in zahlreichen Laboren verfügbaren Femtosekundenlaser können diese detaillierte Strukturinformation nicht liefern. (1 Femtosekunde = 10^-15 Sekunden, d.h. 1 Femtosekunde verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zu 32 Millionen Jahren!)

In ihren Experimenten untersuchten die Forscher komplexe Moleküle, die um ein Metallatom herum aufgebaut sind und zwar unter natürlichen Bedingungen – d.h. in einer flüssigen Umgebung. Ähnliche Moleküle haben eine zunehmende Bedeutung in Anwendungen wie Datenspeicherung oder Photovoltaik. Sie ähneln in ihrem Aufbau aber auch Molekülen, die für das menschliche Leben unverzichtbar sind – etwa dem Hämoglobin, das für den Sauerstofftransport im Blut verantwortlich ist. So können diese Forschungsarbeiten zum Verständnis von grundlegenden Lebensprozessen beitragen.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Literatur:
Femtosecond XANES study of the light-induced spin crossover dynamics in an Iron(II)-complex; Ch. Bressler, C. Milne, V.-T. Pham, A. ElNahhas, R. M. van der Veen, W.,Gawelda, S. Johnson, P. Beaud, D. Grolimund, M. Kaiser, C. N. Borca, G., Ingold, R. Abela, and M. Chergui, Science Express web site, 11 December 2008

Ansprechpartner:
Professor Majed Chergui, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Laboratoire de Spectroscopie, majed.chergui@epfl.ch, Tel. 021/693.04.57, Mobil: 076/569.55.66
Dr. Rafael Abela, Paul Scherrer Institut, Labor für Synchrotronstrahlung I, rafel.abela@psi.ch, Tel : 056/3103271

Anfangs- (blau) und Endzustand (rot) des untersuchten Moleküls, bei dem es sich um Eisentrisbipyridin handelt.

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Das Lächeln des Buddha durchschauen
Neutronenforscher feiern heute am Paul Scherrer Institut die 20-jährige Mitgliedschaft der Schweiz beim Institut Laue-Langevin, Grenoble

Bei einem wissenschaftlichen Symposium am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen haben heute Vertreter von Forschung und Politik 20 Jahre Mitgliedschaft der Schweiz im Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble – Europas grösstem Neutronenforschungszentrum – gefeiert. Der Beitritt der Schweiz zu dem als deutsch-französische Kooperation gegründeten Institut sichert Schweizer Forschenden einen festen Anteil an der Messzeit des ILL. So reisen jedes Jahr zahlreiche Physiker, Chemiker, Biologen und Werkstoffwissenschaftler aus der Schweiz nach Grenoble, um dort neue Werkstoffe mit Neutronen zu untersuchen. Zusätzlich arbeitet die Schweiz bei der Entwicklung neuer Geräte für die Neutronenforschung mit dem ILL zusammen.

Dr. Paul-Erich Zinsli, stellvertretender Direktor im Staatssekretariat für Bildung und Forschung betonte in seinem Grusswort zu Beginn des Symposiums „die Bedeutung der internationalen Kooperationen für die Forschungslandschaft Schweiz“. Er sicherte eine fortgesetzte Bundesunterstützung für die Zusammenarbeit mit dem ILL zu, die er als eigentliche wissenschaftliche Erfolgsgeschichte bezeichnete.

Fotografie		Neutronenbild		Rötgenaufnahme

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Percer à jour le sourire du bouddha
Au Paul Scherrer Institut, les chercheurs en neutronique fêtent 20 années d’adhésion de la Suisse à l’Institut Laue-Langevin de Grenoble

C’est à l’occasion d’un symposium scientifique, organisé au Paul Scherrer Institut (PSI) à Villigen, que les représentants de la recherche et de la politique ont fêté aujourd’hui 20 années d’adhésion de la Suisse à l’Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble – le plus grand centre de recherche neutronique d’Europe. L’adhésion de la Suisse à l’institut, créé dans le cadre de la coopération franco-allemande, assure aux chercheurs suisses un accès assuré à du temps de mesure à l’ILL. Ainsi, chaque année, de nombreux physiciens, chimistes, biologistes et chercheurs en sciences des matériaux quittent la Suisse pour se rendre à Grenoble afin d’y examiner de nouveaux matériaux avec des neutrons. Par ailleurs, la Suisse travaille en collaboration avec l’ILL au développement de nouveaux instruments pour la recherche neutronique.

Dans son allocution de bienvenue prononcée au début du symposium, le Dr. Paul-Erich Zinsli, vice-directeur de l’Office fédéral de l’éducation et de la recherche, a souligné « l’importance de la coopération internationale pour le paysage scientifique suisse ». Il a promis la poursuite du soutien du Conseil fédéral en faveur de la collaboration avec l’ILL qu’il a qualifiée de véritable « success story » scientifique.

photographie		image neutronique		radiographie

Was beim Computer im Kopf vorgeht
Experimente am Paul Scherrer Institut zeigen Vorgänge in Datenlesern

Ein Forscherteam unter der Leitung von Alan Drew (Univ. Freiburg, Schweiz und Queen Mary College, London, England) und Elvezio Morenzoni (Paul Scherrer Institut, Villigen, Schweiz) hat als erstes im Detail die magnetischen Vorgänge in einem Lesekopf – ähnlich dem, der Daten von der Festplatte eines Computers liest – verfolgt. Darüber berichten die Wissenschaftler ab Montag, 24. November 2008 in der Online-Ausgabe der Zeitschrift Nature Materials.
In ihrem Experiment brachten die Forscher in das Bauteil gezielt Myonen ein – Elementarteilchen, die Magnetfelder an ihrem Aufenthaltsort anzeigen können indem sie selbst wie kleine Magnete wirken. Die Myonen für das Experiment werden am Teilchenbeschleuniger des PSI erzeugt und anschliessend für das Experiment stark abgebremst – mit einem Verfahren, das weltweit nur am PSI zur Verfügung steht. Auf lange Sicht werden solche Experimente helfen, die Vorgänge in den Leseköpfen von magnetischen Speichern genauer zu verstehen und so Ingenieuren zeigen, worauf sie bei der Optimierung der Köpfe achten müssen.

Dass Computer so viele Daten speichern können und MP3-Player in den letzten zehn Jahren so klein werden konnten, liegt zu einem grossen Teil an einem Effekt, den Physiker Riesenmagnetowiderstand nennen. Dank dieses Effekts, für dessen Entdeckung es 2007 den Nobelpreis für Physik gab, kann man elektronische Bauteile herstellen, deren elektrischer Widerstand sehr empfindlich auf äussere Magnetfelder reagiert. Nutzt man diesen Effekt in magnetischen Leseköpfen, kann man die magnetisch kodierten Daten sehr dicht packen und so die Festplatten sehr klein machen. Ohne diesen Effekt wäre es nicht möglich, in einem Gerät von der Grösse einer halben Zigarettenschachtel soviel Daten zu speichern wie auf über 100 CD.

Spintronik – Elektronik mit Spin

„Anders als in den meisten elektronischen Bauteilen, wird in den Leseköpfen nicht nur die elektrische Ladung der Elektronen, die den Strom transportieren, genutzt, sondern auch deren Spin – die Eigenrotation, die die Elektronen zu winzigen Magneten werden lässt. So gehören die Leseköpfe zu dem wachsenden Gebiet der Spintronik.“ erklärt der Initiator des Forschungsprojekts Alan Drew von der Universität Freiburg (Schweiz) und der Queen Mary, University of London. Das Fachwort für dieses Bauteil ist Spin Valve, was man mit „Spin-Ventil“ übersetzten könnte. So ein Ventil besteht aus mindestens drei Schichten: zwei magnetischen äusseren Schichten und einer unmagnetischen Zwischenschicht. Eine der magnetischen Schichten ist in eine feste Richtung magnetisiert, die Magnetisierung der anderen passt sich dem äusseren Magnetfeld an. Fliesst ein Strom zwischen beiden Magnetschichten, so erfährt er weniger Widerstand, wenn beide Schichten gleich magnetisiert sind, weil die erste Schicht den Elektronenspins eine Ausrichtung aufzwingt, die sie in der zweiten Schicht behalten können. Sind die Schichten verschieden magnetisiert, kommen die Elektronen mit der „falschen“ Spinausrichtung an der zweiten Schicht an. Behalten sie ihre Spinausrichtung, kommen sie kaum voran; klappt der Spin um so kostet das Energie – beides erscheint als zusätzlicher elektrischer Widerstand.

Instabile Teilchen berichten von Magnetfeldern

Das funktioniert aber nur so lange, wie nicht allzu viele Spins unterwegs von selbst umklappen, sie also nicht mir zufälliger Ausrichtung an der zweiten Schicht ankommen. Drew wollte wissen wie wichtig dieser Effekt für die Qualität von Leseköpfen ist und führte dafür mit Kollegen vom PSI eine Reihe von Experimenten durch. Dabei wollten sie beobachten, wie viele der Elektronenspins auf dem Weg durch die mittlere Schicht zufällig umklappen. Dabei nutzten sie aus, dass die Spins gemeinsam ein Magnetfeld erzeugen, das umso stärker ist, je einheitlicher sie geordnet sind. Als Sonden, die das Magnetfeld im Inneren messen sollten, nutzten sie Myonen – instabile Elementarteilchen, die den Elektronen ähneln, aber viel schwerer sind. Bringt man ein solches Myon in ein Magnetfeld so beginnt es zu rotieren und zwar umso schneller je stärker das Feld ist. Nach einigen Millionstel Sekunden zerfällt das Myon in mehrere Teilchen, von denen eines vorzugsweise in die Richtung des Myonenspins fliegt und in einem Detektor nachgewiesen werden kann. Beobachtet man für Millionen solcher Zerfälle diese Zerfallsrichtung, kann man die Rotationsgeschwindigkeit der Myonen und daraus das lokale Magnetfeld bestimmen.

Für ihre Experimente bauten die Forscher einen besonderen Lesekopf mit einer organischen Zwischenschicht – bestehend aus einem leitfähigen Kunststoff. „Solche Kunststoffe sind biegsam und leicht zu verarbeiten, so dass sie in der Zukunft die Elektronik revolutionieren könnten.“ erklärt Drew „Ausserdem haben sie unser Experiment erst möglich gemacht, weil die Spins in einem solchen organischen Leiter wesentlich langsamer umklappen als in einem herkömmlichen, so dass wir genug Zeit hatten, um das Magnetfeld zu beobachten“.

Nur in der Schweiz langsam genug

Was im Prinzip einfach klingt, erfordert einen immensen technischen Aufwand. „Solche Experimente kann man nur am PSI durchführen, denn nur wir können die sehr langsamen Myonen erzeugen, die in den dünnen Schichten unseres Lesekopfes steckenbleiben. Die Myonen an anderen Experimenten sind so schnell, dass sie einfach durch unsere Probe hindurchfliegen würden“ erklärt der Physiker Elvezio Morenzoni, der die Myonenanlage am Paul Scherrer Institut betreibt. Aber auch am PSI sind die Myonen zunächst sehr schnell. Sie entstehen am Protonenbeschleuniger des Paul Scherrer Instituts, wo zunächst ein Strahl von Protonen auf drei Viertel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird und dann auf eine „Kohlenstoffplatte“ prallt. Dabei entstehen Teilchen, die schliesslich zu Myonen zerfallen. Die Myonen bremst man zunächst in einem einzigartigen Verfahren in einer dünnen Schicht aus gefrorenem Edelgas, um sie anschliessend wieder auf die gewünschte niedrige Geschwindigkeit zu beschleunigen. Indem man diese Geschwindigkeit variiert, kann man sogar festlegen, in welcher Tiefe die Myonen in der Probe steckenbleiben sollen und so die Magnetfelder an verschiedenen Stellen bestimmen.


Ergebnis: Unordnung schadet

Diese Experimente haben gezeigt, dass tatsächlich das Mass, in dem die Elektronen ihre Spinausrichtung verlieren, auch darüber entscheidet, wie gut ein Lesekopf funktioniert, also wie stark der elektrische Widerstand vom Magnetfeld abhängt. Vor allem wurde aber deutlich, dass Myonenexperimente tatsächlich helfen können, die Vorgänge in spintronischen Bauteilen zu verstehen. „Wahrscheinlich wird die Industrie dies nie zu einer ihrer Standardmethoden für die Untersuchung von Bauteilen machen. Dazu ist das Verfahren zu aufwändig“ betont Morenzoni „Es wird aber sicher helfen, grundsätzliche Fragen zu verstehen und so der Industrie Hinweise geben, wie sie die Bauteile weiterentwickeln kann“.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Queen Mary ist eines der grössten Colleges der University of London mit ca. 15,000 Studierenden und Forschungsaktivitäten in 21 wissenschaftlichen Fakultäten und Instituten, die sich auf drei Gebiete verteilen: Natur- und Ingenieurwissenschaften; Geistes-, Sozial- und Rechtswissenschaften; Medizin und Zahnmedizin.

Die Universität Freiburg, Schweiz - Rund 10’000 Studierende und über 200 Professorinnen und Professoren aus 100 Ländern lernen, lehren und forschen an den fünf Fakultäten der Universität Freiburg. An der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät besteht eine lange Tradition in der Nanomaterial-Forschung, deren herausragende Vertreter das Freiburger Zentrum für Nanomaterialien (Frimat) und das Adolphe Merkle Institute sind.


Kontakt:

Alan Drew, Molecular & Materials Physics, Physics Department, Queen Mary, University of London, Tel: +44 (0)207 8827891, A.J.Drew@qmul.ac.uk [Englisch]

Elvezio Morenzoni, Labor für Myonspin-Spektroskopie, Paul Scherrer Institut, Villigen, Schweiz, Tel: +41 (0)56-310 3670, elvezio.morenzoni@psi.ch [Deutsch, Italienisch, Französisch, Englisch]

Originalveröffentlichung:

Direct measurement of the electronic spin diffusion length in a fully functional organic spin valve by low-energy muon spin rotation
A. J. Drew, J. Hoppler, L. Schulz, F. L. Pratt, P. Desai, P. Shakya, T. Kreouzis,W. P. Gillin, A. Suter, N. A. Morley, V. K. Malik, A. Dubroka, K.W. Kim, H. Bouyanfif, F. Bourqui, C. Bernhard, R. Scheuermann, G. J. Nieuwenhuys, T. Prokscha and E. Morenzoni
Nature Materials, doi: 10.1038/NMAT2333



Alan Drew und Elvezio Morenzoni am Myonenexperiment des PSI

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Ce qui se passe dans la tête (de lecture) d’un ordinateur
Des expériences menées à l’Institut Paul Scherrer montrent les processus intervenant dans les têtes de lecture

Une équipe de chercheurs, sous la direction d’Alan Drew (Univ. de Fribourg, Suisse et Queen Mary College, London, Angleterre) et d’Elvezio Morenzoni (Institut Paul Scherrer, Villigen, Suisse), a été la première à étudier en détail les processus magnétiques intervenant dans une tête de lecture (comparable à celle qui lit les données du disque dur d’un ordinateur). Les scientifiques en parlent à partir du 23 novembre 2008 dans l’édition en ligne de la revue Nature Materials.
Dans le cadre de leur expérience, les chercheurs ont implanté de manière ciblée des muons (des particules élémentaires qui agissent elles-mêmes comme de petits aimants et qui peuvent ainsi détecter des champs magnétiques) dans le composant. Les muons utilisés pour l’expérience sont produits par l’accélérateur de particules du PSI et sont ensuite fortement freinés en vue de l’expérience, et ce par un procédé unique au monde, qui n’existe qu’au PSI. À long terme, de telles expériences aideront à comprendre plus précisément les processus intervenant dans les têtes de lecture et par conséquent, à indiquer aux ingénieurs les points cruciaux dont ils doivent particulièrement tenir compte lors de l’optimisation de ces têtes.

Au cours des dernières années, c’est en grande partie grâce à un effet appelé magnétorésistance géante par les physiciens que les ordinateurs et les lecteurs MP3 ont pu devenir si petits et si performants. En se fondant sur cet effet, dont la découverte a été récompensée en 2007 par le prix Nobel de physique, on peut fabriquer des composants électroniques dont la résistance électrique réagit de manière très sensible à des champs magnétiques externes. L’utilisation de cet effet dans des têtes de lecture magnétiques permet d’augmenter la densité de stockage des données à codage magnétique et de réduire ainsi fortement la taille du disque dur. Sans cet effet, il ne serait pas possible de stocker dans un appareil de la taille d’un demi-paquet de cigarettes autant de données que sur plus de 100 CD.

La spintronique – électronique de spin

« À la différence de la plupart des composants électroniques, dans les têtes de lecture on n’utilise pas uniquement la charge électrique des électrons qui constituent le courant électrique, mais également leur spin – la rotation des électrons sur eux-mêmes qui leur permet de se transformer en minuscules aimants. Les têtes de lecture font ainsi partie du domaine émergent de la spintronique » explique l’initiateur du projet de recherche, Alan Drew, de l’université de Fribourg (Suisse) et de Queen Mary, University of London. Le terme technique utilisé pour ces composants est « Spin Valve », ce que l’on pourrait traduire par « valve à spin ». Une telle valve est composée au minimum de trois couches : deux couches magnétiques externes, séparées par une couche non magnétique. L’une des couches magnétisables est magnétisée dans une direction définie, la magnétisation des autres s’adapte au champ magnétique externe. Si un courant électrique passe entre les deux couches, une résistance plus faible est engendrée lorsque les deux couches sont aimantées de façon parallèle, car la première couche impose aux spins des électrons une orientation qu’ils peuvent conserver dans la deuxième couche. Si l’aimantation des couches est différente, les électrons atteignent la deuxième couche avec des spins « mal » orientés. S’ils conservent l’orientation de leur spin, ils n’avancent guère ; si le spin se renverse, cela entraîne une dépense d’énergie – dans les deux cas, cela se manifeste sous forme d’une résistance électrique supplémentaire.

Des particules instables fournissent des informations sur les champs magnétiques

Mais cela ne fonctionne que tant qu’il n’y a pas trop de spins qui se renversent d’eux-mêmes sur le parcours pour permettre aux spins à orientation aléatoire d’atteindre la deuxième couche. Drew a cherché à connaître l’importance de cet effet pour la qualité des têtes de lecture et il a, dans ce but, réalisé une série d’expériences avec des collègues du PSI. Ils voulaient observer combien de ces spins d’électrons se renversaient de manière aléatoire en traversant la couche intermédiaire. Ils ont alors profité du fait que les spins génèrent conjointement un champ magnétique qui sera d’autant plus fort qu’ils sont ordonnés de manière homogène. Ils ont utilisé des muons – des particules élémentaires instables, qui ressemblent aux électrons, mais qui sont beaucoup plus lourds – pour servir de sondes destinées à mesurer des champs magnétiques à l’intérieur de la couche. Si on introduit un tel muon dans un champ magnétique, il commence à entrer en rotation, et ce d’autant plus vite que le champ est fort. Après quelques millionièmes de secondes, le muon se décompose en plusieurs particules, dont une vole dans la direction définie par le spin du muon et peut être ainsi repérée par un détecteur. En observant la direction prise dans des milliers de cas, on peut en déduire la vitesse de rotation des muons et, par conséquent, quantifier le champ magnétique local.

Pour leurs expériences, les chercheurs ont construit une tête de lecture particulière avec une couche intermédiaire organique, composée d’une matière synthétique conductrice. « Il s’agit de matières synthétiques flexibles et faciles à travailler, de sorte qu’elles pourraient à l’avenir révolutionner l’électronique » a expliqué Drew. « De plus, elles nous ont permis de mener à bien notre expérience, car dans un tel corps conducteur organique, les spins se renversent beaucoup moins vite que dans un environnement classique, de sorte que nous avons eu suffisamment de temps pour observer le champ magnétique ».

Il n’y a qu’en Suisse qu’ils sont suffisamment lents

Ce qui dans le principe semble simple, nécessite en réalité d’immenses moyens. « De telles expériences ne peuvent être menées qu’au PSI, car nous sommes les seuls à pouvoir produire les muons extrêmement lents qui restent coincés dans les couches minces de notre tête de lecture. Les muons utilisés pour d’autres expériences sont tellement rapides qu’ils ne feraient que traverser notre échantillon » explique le physicien Elvezio Morenzoni, qui s’occupe de l’installation concernant les muons à l’institut Paul Scherrer. Mais au PSI aussi, les muons sont initialement très rapides. Ils sont produits par l’accélérateur de protons de l’institut Paul Scherrer, dans lequel on commence par accélérer un faisceau de protons aux trois quarts de la vitesse de la lumière, qui va ensuite entrer en collision avec une « plaque de carbone », ce qui va générer des particules qui vont finalement se décomposer en muons. Puis on freine les muons par une méthode unique dans une couche mince composée d’un gaz inerte gelé, pour les accélérer à nouveau à la vitesse inférieure souhaitée. En variant cette vitesse, on peut même définir à quelle profondeur les muons restent coincés dans l’échantillon et obtenir ainsi les champs magnétiques à diverses profondeurs.

Résultat : le désordre nuit

Ces premières expériences ont montré que la qualité de fonctionnement d’une tête de lecture dépendait également de la proportion dans laquelle les électrons perdaient leur orientation de spin, c’est-à-dire dans quelle mesure la résistance dépendait du champ magnétique. Mais cela a avant tout permis de montrer que les expériences relatives aux muons pouvaient aider à comprendre les processus dans les composants spintroniques. « Cela ne deviendra probablement jamais une méthode standard pour l’examen de composants industriels, la méthode étant trop élaborée » souligne Morenzoni « mais elle contribuera certainement à appréhender des problèmes fondamentaux et à apporter ainsi des informations à l’industrie sur la manière de poursuivre le développement des composants ».

L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté internationale des chercheurs. Les recherches phares de l’Institut sont la recherche dans le domaine des corps solides et de la science des matériaux, de la physique des particules élémentaires, de la biologie et de la médecine, de l’énergie et de l’environnement. Avec 1300 collaborateurs et un budget annuel d’environ 260 mio. de CHF, le PSI est l’institut de recherche le plus important de Suisse.

Quelque 10’000 étudiant-e-s et plus de 200 professeur-e-s issus de près de 100 pays étudient, enseignent et font des recherches dans les cinq facultés de l’Université de Fribourg. La Faculté des Sciences a quant à elle une longue tradition d’excellence en recherche sur les nano-matériaux dont le Fribourg Center for Nanomaterials (Frimat) ainsi que l’Adolphe Merkle Institute, créés récemment, en sont les fleurons.

Contacts:

Alan Drew, Molecular & Materials Physics, Physics Department, Queen Mary, University of London, Tel: +44 (0)207 8827891, A.J.Drew@qmul.ac.uk [anglais]

Elvezio Morenzoni, Labor für Myonspin-Spektroskopie, Paul Scherrer Institut, Villigen, Schweiz, Tel: +41 (0)56-310 3670, elvezio.morenzoni@psi.ch [allemand, italien, français, anglais]

Publication originale:

Direct measurement of the electronic spin diffusion length in a fully functional organic spin valve by low-energy muon spin rotation
A. J. Drew, J. Hoppler, L. Schulz, F. L. Pratt, P. Desai, P. Shakya, T. Kreouzis,W. P. Gillin, A. Suter, N. A. Morley, V. K. Malik, A. Dubroka, K.W. Kim, H. Bouyanfif, F. Bourqui, C. Bernhard, R. Scheuermann, G. J. Nieuwenhuys, T. Prokscha and E. Morenzoni
Nature Materials, doi: 10.1038/NMAT2333



Alan Drew et Elvezio Morenzoni dans le cadre de l’expérience relative aux muons menée au PSI

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Bereits Tradition:
Der 6. Nationale Tochtertag am Paul Scherrer Institut

Sie sind lebhaft, sie sind lässig und sie wollen alles ganz genau wissen: Die 57 Mädchen, die am Nationalen Tochtertag  ihre Eltern oder Göttis ans PSI begleitet haben. Vater oder Mutter einmal bei der Arbeit über die Schulter zu schauen, war der eine Aspekt dieses besonderen Tages. Darüber hinaus gab es für die Mädchen die Möglichkeit, sich über ausgewählte technische Berufe zu informieren, in denen Jugendliche am Paul Scherrer Institut ausgebildet werden. Als Chemielaborantin selbst experimentieren, als Polymechanikerin bohren, feilen und schrauben, als Elektronikerin löten, als Physiklaborantin Versuche mit Licht durchführen oder als Logistikerin die Lagerorganisation kennenlernen – das war die Bandbreite der Tagesausflüge in die Welt der Technik, die den jungen Frauen angeboten wurde. Das PSI möchte damit beim Nachwuchs schon frühzeitig das Interesse an technisch-naturwissenschaftlichen Berufen wecken und insbesondere Mädchen eine Alternative zu den sonst typischen Berufswünschen aufzeigen. Abschluss des ereignisreichen Tages war der Besuch im Schülerlabor des PSI, dem iLab, wo die Besucherinnen Experimente zum Thema Schall durchführten – ganz wie richtige Physikerinnen.

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Saubere Dieselverbrennung für sauberere Meeresluft

Gemeinsam mit der Industrie forscht man am Paul Scherrer Institut an neuen Schiffsmotoren

Was bei Dieselfahrzeugen zu Land schon lange die Norm ist, soll nun auch auf den Meeren umgesetzt werden: Nicht nur Lastwagen und Dieselautos fahren stickoxidreduziert, sondern auch Schiffe. Während dieses Ergebnis bei Fahrzeugen hauptsächlich durch den Einbau von Katalysatoren erreicht wird, ist das Ziel bei Schiffen eine innermotorische Lösung: Durch die Verbesserung des Verbrennungsprozesses soll der Stickoxidausstoss reduziert werden ohne eine zusätzliche externe Abgasnachbehandlung.

Für die Wirtschaft sind Schiffe äusserst effiziente Verkehrsmittel: 85 – 90% des Transportvolumens des Welthandels werden mit Schiffen abgewickelt. In den letzten vier Jahrzehnten hat sich das Volumen der Handelsschifffahrt vervierfacht. Während alle Welt über zu hohen CO₂-Ausstoss debattiert, ist dies bei Schiffen kein Thema, sie sind die effizienteste Möglichkeit für den Transport. Schiffsdieselmotoren zeichnen für 5 % des weltweiten Erdöl-basierten CO₂-Ausstosses verantwortlich; sie verursachen aber auch 13% des globalen Erdöl-basierten Stickoxidausstosses. Und das ist zu viel, befand die Internationale Seeschifffahrts-Organisation (IMO) der Vereinten Nationen. Ab 2016 sollen daher die Grenzwerte so festgelegt werden, dass die Schiffsmotoren nicht mehr Stickoxide ausstossen als die heutigen Lastwagen in den USA.

Neue Infrastrukturen für neue Lösungen
Um dieses Ziel zu erreichen, müssen neue Lösungsansätze erforscht und entwickelt werden. Dazu nimmt heute ein Prüfstand für Schiffsdieselmotoren am PSI seinen Betrieb auf. Da ein gängiger 2-Takt 12-Zylinder-Schiffsantriebsmotor viel zu gross für die notwendigen spezifischen Forschungsuntersuchungen ist, kommissionierte man die kleinste Motorengrösse, mit der eine relevante Forschung noch möglich ist: einen 4-Takt 1.2 Megawatt 6-Zylinder-Vollmotor. Für den Prüfstand musste eigens eine neue Halle gebaut werden, die dank eines zinslosen Darlehens durch den Kanton Aargau zügig realisiert werden konnte. Dazu meinte Regierungsrat Rainer Huber bei der Einweihungsfeier des Prüfstands: «Der Kanton Aargau profitiert als Standortkanton von der weltweiten Ausstrahlung des Paul Scherrer Instituts und von seiner Wirkung als Innovationszentrum und als attraktiver Ausbildungsort und Arbeitgeber. Auf der anderen Seite schätzt das PSI ganz offensichtlich auch die Qualitäten des Standorts Aargau. Für diese partnerschaftliche Zusammenarbeit sind wir dankbar.»

Wie die Schweiz aufs Meer kommt
Die Schweiz besitzt zwar kein Meer dafür aber reichlich Know-how für Schiffsantriebe. Der Schiffsmotorenhersteller Wärtsilä unterhält in Winterthur ein grosses Forschungs- und Ausbildungszentrum. Am Kompetenzzentrum für Energie und Mobilität am Paul Scherrer Institut sowie an der ETH Zürich gibt es das Know-how für Verbrennungstechnik. ABB Turbosystems beteiligt sich an der Forschung mit neuster Turboladertechnik. Die Firma Kistler sorgt für die Auswertungstechnik und Hug Engineering stellt das Katalysator-System. Kurz, der Werkplatz Schweiz bringt seine Expertise ein. Im Rahmen des Projektes werden zunächst die Bedingungen für einen verbesserten, weil schadstoffärmeren Betrieb der Schiffsmotoren mit Diesel erforscht. Eingebunden ist das Projekt in ein EU-weites Forschungskonsortium, das sich der Entwicklung von Schiffsmotoren mit reduzierter Abgasemission und verbessertem Wirkungsgrad widmet.

Regierungsrat Rainer Huber spricht das Grusswort des Kantons Aargau.		In der neuen Experimentierhalle.
Regierungsrat Rainer Huber und Philipp Dietrich, Leiter des CCEM-CH eröffnen den neuen Prüfstand für Schiffsdieselmotoren.		Der neue Schiffsdieselmotor, ein 4-Takt 1.2 Megawatt 6-Zylinder-Vollmotor.

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Röntgenbilder mit Durchblick

Der Nationale Latsis-Preis 2008 geht an Franz Pfeiffer. Der Physiker hat einen Weg gefunden, die in der Spitzenforschung angewandten Verfahren der Röntgentechnik auch für gewöhnliche Röntgengeräte nutzbar zu machen. Der mit 100'000 Franken dotierte Preis wird jährlich vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) im Auftrag der Latsis-Stiftung vergeben.

Es ist eine Weile her, dass sich mit der Röntgentechnologie grosse wissenschaftliche Stricke zerreissen liessen. Über hundert Jahre sind vergangen, seit Wilhelm Röntgen den Nobelpreis für die Entdeckung einer neuen Art von Strahlung bekam, mit der man gewissermassen in den Körper hineinsehen konnte. Unterdessen gehört die Technik zu den unspektakulären Alltagswerkzeugen der Medizinerinnen und Mediziner – die Effizienz der Methode schien ausgereizt zu sein.

Doch der 35-jährige Franz Pfeiffer, Forschungsleiter am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen, hat einen Weg gefunden, ganz normale Röntgengeräte so «aufzutunen», dass die vertraute weichgezeichnete Bildästhetik der Röntgenaufnahme bald der Vergangenheit angehören könnte. Die frisierten Apparate liefern gestochen scharfe und ausserordentlich kontrastreiche Aufnahmen, auf denen sich nicht nur Knochen, sondern auch Weichteile abzeichnen.

Weichteilkrebse im Frühstadium erkennen
Damit macht die Röntgentechnik eine Schwäche wett, die ihren Anwendungsbereich seit den Anfängen beschränkt. Weil Röntgenstrahlen von dichten Materialien stark absorbiert werden, zeichnen sich die Knochen auf der Röntgenfotografie deutlich vom umliegenden Gewebe ab. Der Rest des Körpers hingegen - Muskeln, Fettgewebe, Organe - ist auf dem Röntgenschirm oft nur als verschwommene Wolke zu sehen.

Die Methode, die Franz Pfeiffer zusammen mit seinem Institutskollegen Christian David am PSI entwickelte, arbeitet prinzipiell anders. Der Physiker vergleicht das klassische Röntgen mit einem Schattenriss - man strahlt das abzubildende Objekt an und zeichnet den Schatten nach. Bei der Phasenkontrastbildgebung hingegen interessiert weniger die Intensität der austretenden Strahlung als die Art, wie ihre Welle im Körperinnern verschoben wird. Aus dieser Phasenverschiebung lässt sich eine Menge zusätzlicher Informationen gewinnen. Auch Weichteile mit unterschiedlicher Zusammensetzung zeichnen sich deutlich ab. Das nährt die Hoffnung, dass bei Röntgenuntersuchungen künftig auch Weichteilkrebse schon im Frühstadium erkannt werden können.

Perfektionierung der Phasenkontrastbildung
Seit letztem Jahr hat Franz Pfeiffer, der seit 2003 am PSI arbeitet, eine Assistenzprofessur an der ETH Lausanne inne. Dort wird er ein Labor aufbauen, um die Phasenkontrastbildgebung zu perfektionieren, und sich dafür einsetzen, dass sie auch im bestehenden Zentrum für biomedizinische Bildverfahren einen gebührenden Platz erhält. Pfeiffer wird aber weiter auch am PSI forschen. Dort nutzt er dieselbe Methode normalerweise an der hochbrillanten Synchrotron-Röntgenquelle.

Die Röntgenrevolution für den medizinischen Hausgebrauch hat Pfeiffer gewissermassen nebenbei entwickelt. Das Synchrotron liefert intensive und zudem sauberere Strahlung als ein Röntgengerät im Spital. Mit dieser Strahlenquelle hatten die Forscher die phasensensitive Röntgentechnik bereits seit einigen Jahren im Griff; man nutzt sie beispielsweise für Untersuchungen von Strukturen im Nanometerbereich im Innern von Halbleiterelementen oder Zellen. An der schlechteren Qualität der Röntgenquellen in der Radiologie haben sich Forschungsgruppen weltweit seit Jahren die Zähne ausgebissen. Franz Pfeiffer ist es nun gelungen, den röntgentechnischen Quantensprung auch in die Arztpraxen zu bringen.

Der mit 100'000 Franken dotierte Nationale Latsis-Preis ist eine der wichtigsten wissenschaftlichen Auszeichnungen der Schweiz. Im Auftrag der Genfer Latsis-Stiftung unterstützt der Schweizerische Nationalfonds damit junge Forschende im Alter bis zu 40 Jahren für besondere wissenschaftliche Leistungen in der Schweiz.

Die Preisverleihung findet am 15. Januar 2009 im Berner Rathaus statt.

Der Text enthält PSI-spezifische zusätzliche Informationen zur offiziellen Medienmitteilung des Schweizerischen Nationalfonds. Die originale MM des SNF sowie ein Fotoporträt von Franz Pfeiffer in hoher Auflösung kann heruntergeladen werden unter: www.snf.ch > Medien > Medienmitteilungen.

Kontakt:
Prof. Dr. Franz Pfeiffer, Paul Scherrer Institut CH-5232 Villigen PSI
Tel. +41 56 310 52 62 (Büro), Tel. +41 56 310 31 78 (Sekreatariat)
Fax +41 56 310 31 71, E-Mail: franz.pfeiffer@psi.ch

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Den Puls der Forschung gespürt

Sie waren faszinierend, sie waren erlebnisreich und sie lockten 12 000 Besucher an: die Tage der offenen Tür am Paul Scherrer Institut in Villigen.

Auch das Wetter zeigte sich am Wochenende des 25. und 26. Oktober von seiner besten Seite. Bei strahlendem Sonnenschein nahmen über 12 000 Besucherinnen und Besucher die Gelegenheit wahr, sich vor Ort über die Forschungsthemen des Paul Scherrer Instituts PSI zu informieren. An 20 Stationen gaben Physiker, Biologinnen, Mediziner, Chemikerinnen, Ingenieure und Technikerinnen Auskunft über ihre Arbeit. Über 500 Mitarbeitende des PSI standen Red und Antwort bei der Diskussion über Energiequellen, Klimasignale, Luftverschmutzung, Krebsbehandlung, Beschleunigeranlagen, Opalinuston, Detektoren, Bildgebungsverfahren, Proteinstrukturen, Solartechnik, Präzisionsschweissen, Vakuumexperimente und vieles andere mehr. Die Besucher schätzten die Möglichkeit, sich direkt an einen Experten wenden zu können und Fragen, die sie schon immer einmal stellen wollten, ausführlich mit einem Fachmann zu diskutieren – und die Fachleute freuten sich über das grosse Interesse an ihrem Forschungsthema.

It’s showtime

An fünf Showstationen konnten sich die Zuschauer unter anderem darüber informieren, wie Schweizer Museen die Neutronen des PSI nutzen, um den Geheimnissen ihrer Kunstobjekte auf die Spur zu kommen. In einem kurzen Theaterstück wurde erklärt, wie man an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz des PSI brillantes Licht erzeugt. Das Spezialthema gab einen Ausblick auf das Zukunftsprojekt des PSI: Wie man mit einem speziellen Röntgenlaser noch brillanteres Licht erzeugen will, um damit sogar Filme drehen zu können, bei denen man sieht, was während einer chemischen Reaktion mit einzelnen Atomen passiert.

Für die iPod-Generation

Grossen Anklang fand das Schülerlabor. Mit dem "iLab" möchte das PSI einen Beitrag leisten, um junge Menschen vermehrt für eine wissenschaftlich-technische Karriere zu begeistern. Dieses Ziel hatten sich auch die Lernenden mit ihrer Berufsschau gesetzt. Sie demonstrierten den Jugendlichen mit ihrem raffinierten Projekt "iLukas", einem elektronischen "Hau den Lukas", wie abwechslungsreich, spannend und herausfordernd eine Ausbildung am PSI als Automatiker, Elektroniker, Laborantin, Logistiker oder Polymechanikerin ist.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Showtime in der SLS.		Hau den iLukas.
Die Herstellung von Proteinkristallen ist aufwändig und langwierig.		Feinste Nähte beim Präzisionsschweissen werden mit dem Mikroskop überprüft.
		Wo Museen die Geheimnisse ihrer Kunstobjekte durchleuchten lassen.
Grosser Andrang auch bei der Physikantenshow.		Gantry 2: Neue Möglichkeiten bei der Krebsbehandlung.

Supraleitung und Magnetismus

Von Rivalen zu Partnern

Die wilde Quantenwelt produziert Zustände, die in der klassischen Physiklehre nicht vorgesehen sind. Ein erstaunlicher neuartiger Zustand wird in der heutigen Ausgabe des Magazins «Science» von einem internationalen Wissenschaftlerteam um den Physiker Michel Kenzelmann vom Paul Scherrer Institut vorgestellt.

Die Experimente wurden an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle (SINQ) des Paul Scherrer Instituts PSI durchgeführt. Mit dem Neutronenstrahl der SINQ ist es möglich auf mikroskopischer Ebene die inneren Eigenschaften von Materialien zu untersuchen, ohne sie dabei zu zerstören. Mit dieser Methode lassen sich Vorgänge beobachten, die sonst mit keiner anderen Technik zu sehen sind.

In Zer-Kobalt-Indium verbrüdern sich Supraleitung und Magnetismus

Dem Forscherteam gelang eine überraschende Entdeckung. Sie stellten fest, dass das untersuchte Material sich magnetisch ordnet, aber nur solange es supraleitend ist. Dieses Ergebnis ist verblüffend, da diese beiden Phänomene normalerweise miteinander konkurrieren und sich in einem Material gegenseitig zu verdrängen suchen, hier aber offenbar nur gemeinsam existieren können.

Wechselwirkung zwischen Magnetismus und Supraleitung

In elektrischen Leitern wird Strom von Elektronen transportiert. Dabei kommt es zu einem Verlust von Energie, sobald die Elektronen mit den positiven Kristallionen des Leiters zusammenstossen und dadurch von ihrer optimalen Bahn abgelenkt werden. Der verlustfreie Transport von Strom in Supraleitern beruht darauf, dass sich die Elektronen bei tiefen Temperaturen zu sogenannten "Cooper-Paaren" zusammenschliessen. Diese Elektronenpaare haben ganz andere Eigenschaften als einzelne Elektronen und verhalten sich völlig anders; sie gehen in einen neuen Quantenzustand über. Dieser Zustand erlaubt den Cooper-Paaren, sich gegenseitig "abzusprechen" um Zusammenstösse zu vermeiden. Dadurch ist ein verlustfreier Stromtransport möglich.

Elektronen besitzen ein magnetisches Moment, das man sich wie eine Art Kompassnadel vorstellen muss. In einem Cooper-Paar zeigen die "Kompassnadeln" der beiden Elektronen generell immer in die exakt gegenüberliegende Richtung und heben ihren Magnetismus dadurch auf. Wird in diesem supraleitenden Zustand ein Magnetfeld angelegt geraten die magnetischen Momente des Elektronenpaars in Bedrängnis. Dies geschieht einerseits dadurch, dass das Magnetfeld Ströme induziert, die die Cooper-Paare aufbrechen und andererseits auch weil das Magnetfeld seine magnetische Ordnung auf die magnetischen Momente des Cooper-Paares überträgt. Gelingt dies dem Magnetfeld löst sich das Cooper-Paar auf und der elektrische Leiter verliert seinen supraleitenden Zustand. Auf diese Art rivalisieren magnetische Ordnung und Supraleitung in vielen Materialien um die Vorherrschaft.

Laut Kenzelmann, Wissenschaftler am PSI und Professor an der ETH Zürich, schliessen magnetische Ordnung und Supraleitung sich zwar nicht immer gegenseitig aus, dulden sich aber höchstens. «Supraleitung und magnetische Ordnung verhalten sich in allen bisher bekannten Materialen wie zwei Rivalen, die um dasselbe Revier kämpfen und den jeweils anderen auszuschalten suchen.»

Supraleitung induziert magnetische Ordnung

In ihrem Experiment kühlten die Forscher einen Einkristall bestehend aus den Elementen Zer, Kobalt und Indium (CeCoIn₅) auf auf minus 273,1 Grad Celsius ab. Bei derartig tiefen Temperaturen hören alle atomaren Bewegungen des Kristalls auf und die durchfliessenden Elektronen können sich zu sich zu Cooper-Paaren zusammenschliessen. Dadurch wird der supraleitende, elektrisch widerstandsfreie Zustand erreicht, der es ermöglicht, den Strom verlustfrei zu transportieren. Anschliessend wurde das Material magnetischen Feldern ausgesetzt.

Dabei haben die Forscher festgestellt, dass bei hohen magnetischen Feldern ein neuartiger supraleitender Zustand auftritt, der von magnetischer Ordnung begleitet und nicht zerstört wird. Zwar hat man die Koexistenz von magnetischer Ordnung und Supraleitung schon in anderen Fällen beobachtet. Der neue Aspekt in dieser Cer-Verbindung ist jedoch die Tatsache, dass die magnetische Ordnung nur während der supraleitenden Phase auftritt und zusammen mit dieser bei noch höheren magnetischen Feldern im Wesentlichen wieder spurlos verschwindet. Diese Beobachtung legt nahe, dass hier überraschenderweise der Magnetismus von der Supraleitung begünstigt und stabilisiert wird.

«Unsere Ergebnisse zeigen ganz eindeutig, dass die Supraleitung für das Entstehen dieses Magnetismus entscheidend ist. Die Studie wird helfen genauer zu verstehen, wie sich die Elektronenpaare in magnetischen Supraleitern überhaupt bilden. Wir hoffen, dass dieses Wissen dann zukünftig für technologische Anwendungen genutzt werden kann», erklärt Kenzelmann.

Literaturhinweis:
M. Kenzelmann et al.;Coupled Superconducting and Magnetic Order in CeCoIn₅;
Science, Vol 321, 12 Sept. 2008

Für weitere Auskünfte:
Prof. Dr. Michel Kenzelmann, Labor für Methoden und Entwicklung, PSI,
Telefon +41 (0)56 310 53 81, michel.kenzelmann@psi.ch

		Die Supraleitung in der Q Phase in CeCoIn5 ist direkt gekoppelt zu magnetischer Ordnung. Diese beiden Ordnungen können in dieser Phase nur zusammen aber nicht für sich alleine existieren.
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ETH-Forschende bestimmen die atomare Struktur der «Fettsäure-Fabriken» von Säugetieren

Ansatzpunkt für Entwicklung neuer Medikamente

Zürich, 4. September 2008. Die Fettsäure-Synthase ist eine der komplexesten molekularen Maschinen der menschlichen Zelle. Sie bietet aussichtsreiche Ansatzpunkte für die Therapie von Krebs und Krankheiten, die durch Übergewicht begünstigt werden. Forschende der ETH Zürich haben nun die atomare Struktur einer Fettsäure-Synthase bestimmt.

Die Herstellung von Fettsäuren, die als Energiespeicher, Botenstoffe und Bestandteil der Zellhülle dienen, ist eine zentrale Aufgabe der Zelle und seit Jahrzehnten Gegenstand intensiver Forschung. Bisher wurde dieser Vorgang zumeist anhand der einfachen Systeme von Bakterien untersucht, in denen jeweils ein Enzym für einen Herstellungsschritt verantwortlich ist. Bei Tier und Mensch hingegen wird die Fettsäure-Herstellung in einer molekularen Fabrik, der «Fettsäure-Synthase», ausgeführt, die alle benötigten Enzyme in einem multifunktionalen Protein vereint.

Die atomare Struktur der «Fettsäure-Fabriken» ist das Ergebnis jahrelanger Forschung an der ETH Zürich
Wie in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins «Science» veröffentlicht, haben Forschende der ETH Zürich mit Unterstützung des Nationalen Forschungsschwerpunkts zur Strukturbiologie des Schweizer Nationalfonds die atomare Struktur der Fettsäure-Synthase von Säugetieren mit Hilfe von Messungen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz des Paul Scherrer Institutes bestimmt. Dieses Ergebnis krönt die langjährigen Bemühungen zur Strukturaufklärung der Fettsäure-Synthasen eines Teams von ETH-Forschenden, Timm Maier, Marc Leibundgut und Simon Jenni aus dem Labor von Prof. N. Ban, und gleichzeitig bietet es neue Ansatzpunkte für weitere Untersuchungen. Das Arbeitsgebiet wurde 2001 an der ETH begründet. Die ersten Veröffentlichungen zur Architektur der Fettsäure-Synthasen erschienen 2006 in «Science». Letztes Jahr folgten im gleichen Wissenschaftsmagazin die Strukturen von zwei Pilz-Fettsäure-Synthasen und der Mechanismus dieser Multi-Enzyme. Die neueste Veröffentlichung beschreibt die atomare Struktur der Fettsäure-Synthase von Säugern und zeigt die Eigenarten der katalytischen Zentren sowie den Weg der Substratweitergabe in dieser dynamischen molekularen Maschine auf.

Ansatzpunkt für die Entwicklung neuer Medikamente
Das Interesse an der Fettsäure-Synthase beruht nicht nur auf ihrer grundlegenden Rolle im Zellstoffwechsel, sondern auch darauf, dass sie ein vielversprechender Angriffspunkt für neue Medikamente ist. Obwohl ein Grossteil der gespeicherten Fettsäuren mit der Nahrung aufgenommen und nicht im Körper hergestellt wird, werden Fettsäure-Synthase Hemmer zur Gewichtsreduktion eingesetzt. Sie besitzen Potenzial zur Behandlung von Krankheiten, die durch Übergewicht begünstigt werden, wie Herz-Kreislauferkrankungen und Diabetes. Da Tumorzellen einen erhöhten Umsatz an Fettsäuren aufweisen, wirken Inhibitoren der Fettsäure-Synthase auch krebshemmend und sind vielversprechende Ausgangsverbindungen für neue Medikamente zur Tumortherapie.

Multi-Enzyme: Die vielseitigsten organischen Chemiker
Nahe Verwandte der Fettsäure-Synthase von Säugern, die Polyketid-Synthasen, werden biotechnologisch zur Hestellung komplexer Naturstoffe von grösster medizinischer Bedeutung eingesetzt, wie zum Beispiel Antibiotika, Krebstherapeutika oder Immunsystem-Hemmer. Die Struktur der Fettsäure-Synthase deckt nun auf, wie verschiedene Formen von Polyketid-Synthasen durch das Einfügen und Austauschen funktioneller Einheiten entstanden sind. Diese Ergebnisse erlauben ein vereinfachtes Design neuer, verbesserter Produktionssysteme für zahlreiche Wirkstoffe. Dazu gehören insbesondere neuartige Antibiotika, deren Verfügbarkeit von herausragendem Interesse für den Kampf gegen die zunehmende Antibiotika-Resistenz von Krankheitserregern ist.

Ansprechpartner:
Clemens Schulze-Briese
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz
E-Mail: clemens.schulze@psi.ch; Telefon: +41 (0)56 310 45 33

ETH Life: http://www.ethlife.ethz.ch/archive_articles/080905_Ban_Paper_Synthase/index
Science: http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/321/5894/1315

Darstellung der zyklischen Fettsäure-Herstellung durch die Fettsäure-Synthase der Säugetiere.
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20 Jahre Wissen schaffen – heute für morgen

Das Paul Scherrer Institut feiert mit einem Festakt sein Jubiläum

Bundespräsident Pascal Couchepin hielt die Festansprache

Mehr als 200 geladene Gäste aus dem In- und Ausland kamen zur Feier an das idyllisch an der Aare gelegene PSI. Der Festakt ist der Höhepunkt einer Jubiläums-Veranstaltungsreihe, die sich durch das ganze Jahr 2008 zieht.
Der Gastgeber verstand es überzeugend darzulegen, dass er einen entscheidenden Beitrag zur Exzellenz des Forschungsstandorts Schweiz leistet, und dass man auch in Zukunft noch viel von ihm erwarten darf.

Repräsentanten aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik gratulierten zum Geburtstag. Unter ihnen Jasmin Staiblin, ABB, Paul Herrling, Novartis, in seiner Funktion als Vizepräsident des ETH-Rates, Dieter Imboden, Schweizerischer Nationalfonds, Massimo Altarelli, DESY sowie Ehrengast Bundespräsident Pascal Couchepin, der die Glückwünsche des Bundesrates überbrachte. Martin Jermann, Doyen des PSI, liess die Gründertage des Paul Scherrer Instituts noch einmal aufleben und berichtete über die Herausforderungen, die das Institut in den darauf folgenden Jahren zu überwinden hatte. Joël Mesot, seit gut drei Wochen neuer Direktor des PSI, nahm den Faden seines Vorredners auf und stellte fest: «Das Paul Scherrer Institut ist ein gutes Beispiel dafür, wie eine Forschungseinrichtung durch Wandlungsfähigkeit am Puls der Zeit bleiben kann und die eigene Zukunft sichert.» Zumindest einen statischen Faktor für Erfolg betonte Mesot dann aber doch: «Das wichtigste Kapital des PSI ist die herausragende Qualifikation, Erfahrung und Motivation unserer Mitarbeitenden.»

Heute für die Zukunft forschen

Protonenbeschleuniger, Spallations-Neutronenquelle SINQ und die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS, das sind Grossanlagen des Paul Scherrer Instituts, die weltweit zu den besten ihrer Art zählen. Gastredner Massimo Altarelli ging in seinem Vortrag auf das neue Grossprojekt des PSI ein, mit dem das Institut seine wissenschaftliche Zukunft verbindet. Der PSI-XFEL, ein sogenannter Freie-Elektronen-Laser, wird Experimente ermöglichen, die bis jetzt so nicht möglich sind. Mithilfe von ultrahellem Röntgenlicht, das zudem in einem feinen Strahl wie bei einem Laser gebündelt sein muss, wollen die Forscher Molekülen dabei zusehen wie sie chemische Verbindungen eingehen. Dieses Wissen können sich die Wissenschaftler dann für neue Anwendungen, z.B. in der Medizin, in der Umweltforschung oder in der Elektronik zu Nutze machen. Zurzeit läuft eine Pilotphase, in der das PSI die technische Machbarkeit nachweisen muss. Im Jahr 2010 beginnt die nächste Phase. Bis dahin muss das ganze Projekt soweit aufgegleist sein, dass die Forscher den Bund davon überzeugen können, das Gesamtprojekt zu finanzieren. Wenn dies gelingt, dann wird das PSI auch in den nächsten 20 Jahren zur Weltspitze gehören.

Ein Geschenk für die Bevölkerung

Geburtstagskinder erhalten für gewöhnlich Geschenke. Das PSI hat vom Kanton Aargau für sein Engagement in der Behandlung von Krebserkrankungen mit der am PSI entwickelten Protonenbestrahlungstherapie einen Förderbetrag von 20 Millionen Franken erhalten. «Das hilft uns einerseits, mehr Patienten als bisher zu behandeln und andererseits, die Protonenbestrahlung weiterzuentwickeln», meint dazu Martin Jermann, der das Projekt über lange Jahre federführend begleitet hat. Aber das PSI geht auch den umgekehrten Weg und macht der Bevölkerung in seinem Jubiläumsjahr eine Reihe von Geschenken. So wurde im April das Schülerlabor iLab eröffnet. Hier können Schulklassen für einen ganzen Tag kostenlos ans PSI kommen und selbst Experimente durchführen, die auf den gleichen Prinzipien basieren, wie die, die an den Grossgeräten des PSI durchgeführt werden. Als Nächstes wurde das Besucherzentrum des PSI generalüberholt. Ein zeitgemässes Design und ein neues Highlight, das interaktive Multimedia-Exponat «Zukunftsplanet Erde» erwartet nun die Besucher des «psi forum». Mitte August startete dann die PSI-Roadshow. Mit dem PSI-Wissenschaftszelt sind die Forscher in drei Städten in der Nachbarschaft des PSI zu Gast. In der ersten Woche war Baden Gastgeber für «Am Puls der Forschung». Letzte Woche gaben die PSI-Forscher in Aarau Einblick in ihre aktuellen Forschungsprojekte. Und da viele Mitarbeitende des PSI auch im nahe gelegenen Ausland zu Hause sind, geht das PSI konsequenterweise in dieser Woche nach Waldshut. Jeweils mittwochs bis sonntags gibt es jeden Abend drei verschiedene Vorträge zu einem übergeordneten PSI-Forschungsthema. Allgemein verständlich, spannend und unterhaltsam, das ist der Anspruch, den die Redner dabei an ihre Präsentationen haben. Und natürlich dürfen die Zuhörer fragen, was sie schon immer einmal wissen wollten.
Im Oktober schliesst die Veranstaltungsreihe dann mit zwei Tagen der offenen Tür ab. Konnte der heutige Festakt aus räumlichen Gründen nur mit geladenen Gästen begangen werden, möchte das Paul Scherrer Institut am 25. und 26. Oktober sein Jubiläum mit der gesamten Bevölkerung feiern und sich für 20 Jahre Unterstützung bedanken.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Pascal Couchepin hält die Festansprache.		Im Auditorium des PSI.
Vor der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS.		Pascal Couchepin und Joël Mesot in der SINQ-Halle.

20 années de recherche – aujourd’hui pour demain

L’institut Paul Scherrer célèbre son anniversaire en organisant une cérémonie

Le Président de la Confédération, Pascal Couchepin, a prononcé une allocution à cette occasion

Plus de 200 invités suisses et étrangers sont venus au PSI, idéalement situé au bord de l’Aar, pour participer à la fête. La cérémonie est l’apogée d’une série de manifestations organisées tout au long de l’année 2008 à l’occasion de cet anniversaire.
L’hôte a su se montrer convaincant en exposant sa contribution déterminante à l’excellence de la recherche suisse et en faisant savoir qu’à l’avenir aussi, on pouvait encore en attendre beaucoup.

Des représentants du domaine des sciences, de l’économie et de la politique sont venus présenter leurs vœux à cette occasion. Parmi eux, il y avait Jasmin Staiblin, ABB, Paul Herrling, Novartis, dans sa fonction en tant que vice-président du conseil de l’ETH, Dieter Imboden, Fonds national suisse, Massimo Altarelli, DESY, ainsi que Pascal Couchepin, Président de la confédération, qui était l’invité d’honneur et qui a transmis les vœux du Conseil Fédéral. Martin Jermann, doyen du PSI, a rappelé les débuts de l’Institut Paul Scherrer et a exposé les défis que l’Institut a par la suite été appelé à relever. Joël Mesot, qui est le nouveau directeur de PSI depuis trois bonnes semaines, a repris le fil conducteur de l’orateur qui l’a précédé et a fait la constatation suivante: «L’Institut Paul Scherrer illustre bien combien un institut de recherche peut rester à la pointe de la recherche par son aptitude aux changements et ainsi assurer son propre avenir.» Mais Joël Mesot a tout de même souligné au moins un facteur constant de réussite: «Le capital essentiel du PSI est l’excellente qualification, expérience et motivation de nos collaborateurs.»

Chercher aujourd’hui pour demain

L’accélérateur de protons, la source de neutrons de spalliation SINQ et la Source de Lumière synchroton suisse SLS, sont autant d’installations de grande envergure construites par l’Institut Paul Scherrer qui font partie des meilleures de leur genre à travers le monde. Dans son exposé, Massimo Altarelli, un conférencier invité, a abordé le nouveau grand projet de PSI qui rattache l’institut à son avenir scientifique. Le PSI-XFEL, un laser à électrons libres, permettra de mener des expériences qui étaient jusqu’à présent impossibles à réaliser. À l’aide de rayons X d’une brillance exceptionnelle, qui doivent de plus être focalisés en un faisceau fin de type laser, les chercheurs vont pouvoir analyser le comportement de molécules lors de réactions chimiques. Les scientifiques pourront ensuite tirer profit de ces connaissances pour de nouvelles applications, par ex. en médecine, dans la recherche environnementale ou en électronique. Le projet se trouve actuellement en phase pilote au cours de laquelle le PSI doit en démontrer la faisabilité technique. La phase suivante débutera en 2010. D’ici là, l’ensemble du projet devra être suffisamment avancé pour que les chercheurs puissent convaincre la Confédération de financer la totalité du projet. En cas de succès, le PSI sera assuré de continuer à faire partie de l’élite mondiale au cours des 20 prochaines années.

Un cadeau à la population

En général, les enfants qui fêtent leur anniversaire reçoivent des cadeaux. Le PSI a reçu une aide financière d’un montant de 20 millions de francs du canton d’Argovie pour son engagement dans le traitement des cancers par la radiothérapie par faisceaux de protons, mise au point au PSI. Martin Jermann, qui a accompagné ce projet de manière compétente pendant plusieurs années, a fait la déclaration suivante: «Cela nous aide d’une part à traiter plus de patients qu’avant et d’autre part, à poursuivre le développement de la protonthérapie». En retour, le PSI a également offert une série de cadeaux à la population pendant l’année de son anniversaire. En avril, le PSI a ouvert le laboratoire pour écoliers iLab. Des groupes d’écoliers peuvent, gratuitement, venir passer toute une journée au PSI et y réaliser eux-mêmes des expériences comme celles réalisées avec les grands instruments du PSI. De plus, le centre pour les visiteurs du PSI a été entièrement réaménagé. Un design contemporain et un nouveau point fort, l’exposition multimédia interactive «La future planète terre», attendent désormais les visiteurs du «forum psi». À la mi-août, c’est le PSI-Roadshow qui a débuté. Avec le chapiteau scientifique PSI, les chercheurs sont les invités de trois villes situées à proximité. La première semaine, Baden recevait« Au cœur de la recherche ». La semaine passée, les chercheurs du PSI présentaient leurs projets de recherche actuels à Aarau. Et comme bon nombre de collaborateurs du PSI viennent également des pays voisins, le PSI se présentera, par conséquent, cette semaine à Waldshut, proche de la Forêt Noir. Du mercredi au dimanche, chaque soir, il y a trois conférences différentes portant chacune sur un sujet de recherche majeur. La priorité des conférenciers est alors de faire des exposés passionnants et divertissants, compréhensibles par tous. Et bien évidemment, le public peut poser toutes les questions lui permettant d’assouvir sa soif de connaissances.
La série de manifestations se terminera en octobre par deux journées de portes ouvertes. Par manque de place, la présente cérémonie n’a pu avoir lieu qu’avec des personnes invitées, c’est pourquoi l’Institut Paul Scherrer souhaite fêter son anniversaire les 25 et 26 octobre avec l’ensemble de la population et la remercier de ses 20 années de soutien.

L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté internationale des chercheurs. Les recherches phares de l’Institut sont  la recherche dans le domaine des corps solides et de la science des matériaux, de la physique des particules élémentaires, de la biologie et de la médecine, de l’énergie et de l’environnement. Avec 1300 collaborateurs et un budget annuel d’environ 260 mio. de CHF, le PSI est l’institut de recherche le plus important de Suisse.

Pascal Couchepin lors de son discours.		Dans l'auditoire du PSI.
Devant la Source de Lumière Suisse (SLS).		Pascal Couchepin avec Joël Mesot dans le hall de la SINQ.
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Professor Dr. Joël Mesot neuer Direktor des Paul Scherrer Instituts in Villigen AG

Berufen wurde er vom Bundesrat schon im vergangenen Dezember. Offizieller Amtsantritt war Freitag, der 1. August. Aber Bundesfeiertag ist eben Bundesfeiertag, und so hat Joël Mesot seine Amtsgeschäfte tatsächlich erst heute Morgen übernommen, unterstützt durch zahlreiche Anrufe und E-Mails aus dem In- und Ausland, in denen ihm Glück und Erfolg für die Führung des Paul Scherrer Instituts (PSI) gewünscht wurde.

Das PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörper¬forschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist das Paul Scherrer Institut das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Derzeit geniesst das Institut weltweit einen exzellenten Ruf. Seine aktuellen Grossanlagen (Synchrotronlichtquelle, Protonenbeschleuniger, Neutronen- und Myonenquelle) gehören zu den besten ihrer Art. Damit es mit dem Ruf auch in Zukunft so bleibt, braucht es Visionen und ab und an ein ausgezeichnetes neues Grossprojekt. An einem solchen Vorhaben tüfteln die Forscherinnen und Forscher des PSI derzeit: Das PSI-XFEL-Projekt. Mit diesem ehrgeizigen Projekt, einem freie Elektronenlaser, werden völlig neuartige Experimente möglich sein. So ist Joël Mesot überzeugt: "Mit dem PSI-XFEL werden wir für die nächsten 15 bis 20 Jahre auf diesem Gebiet an der Spitze der Forschung bleiben und somit weiterhin einen bedeutenden Beitrag leisten, sowohl für die technologische Entwicklung unserer Gesellschaft als auch für die Vermehrung des Wissens in der Grundlagenforschung" und ergänzt an anderer Stelle "Damit sind wir für den stets wachsenden Wettbewerb in der Forschungsgemeinschaft gut gerüstet."

Mesot wurde 1964 in Genf geboren und ist Bürger von Fiaugères/Fribourg. Er ist verheiratet und hat zwei Kinder. Der studierte Festkörperphysiker hat seinen Forschungsschwerpunkt auf Materialien mit neuen elektronischen Eigenschaften gesetzt. Für seine Untersuchungen von Hochtemperatur-Supraleitern mittels Neutronenstreuung und Photoelektronen-Spektroskopie geniesst Mesot unter Physikern hohe internationale Anerkennung. Die ETH Zürich hat ihn 2002 für seine Forschung zur Hochtemperatur-Supraleitung mit dem Latsis-Preis geehrt. Am PSI hat sich Mesot bei der Weiterentwicklung der Instrumentierung an der Spallations-Neutronenquelle SINQ ausgezeichnet. Seit 1999 hat Mesot am Labor für Neutronenstreuung in verschiedenen Funktionen Führungsqualitäten bewiesen: Zunächst als Leiter der Spektroskopie-Gruppe, danach seit 2004 als Leiter des Labors. Seit 2007 führte Mesot zudem die Forschungskommission des PSI und wirkt als Titularprofessor an der ETH Zürich. Im April dieses Jahres wurde Joël Mesot zum ordentlichen Professor für Physik auf den ersten gemeinsamen Lehrstuhl der Hochschulen ETH Zürich und EPF Lausanne berufen.

Der neue Direktor ist sich darüber im Klaren, dass seine zukünftige Tätigkeit ihm nicht mehr viel Zeit zum Forschen lassen wird. Dennoch hofft er, sich zu ungefähr 20 Prozent seiner Zeit doch noch wissenschaftlicher Arbeit widmen zu können. "Dies ist für mich auch deshalb wichtig, um nicht ganz den direkten Kontakt zu den Forschenden zu verlieren", meint Mesot.

Joël Mesot tritt sein neues Amt nicht in irgendeinem Jahr an: 2008 markiert das 20-jährige Bestehen des Paul Scherrer Instituts, und auf der Grundlage dieser reichhaltigen Erfahrungsjahre sieht er das PSI auch in seinem Jubiläumsjahr im Spitzenfeld von Forschung und Entwicklung.

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Der Yamazaki Preis 2008 geht an Elvezio Morenzoni vom Paul Scherrer Institut

Der erst kürzlich berufene Leiter des Labors für Myonspin-Spektroskopie am Paul Scherrer Institut (PSI) PD Dr. Elvezio Morenzoni wurde von der internationalen Gesellschaft für Myonen-Spektroskopie (ISMS) mit dem "Yamazaki Preis" ausgezeichnet. Die Auszeichnung erhielt Morenzoni im Juli in Tsukuba (Japan) anlässlich einer internationalen Konferenz für Myonenspin-Spektroskopie. In seiner Laudatio erklärte Prof. Dr. Jochen Litterst von der Technischen Universität Braunschweig und amtierender Präsident der ISMS, dass der Preis aufgrund "herausragender Leistungen bei der Entwicklung der Spektroskopie mit niederenergetischen Myonen" vergeben wurde.

Elvezio Morenzoni leitete die Entwicklung eines weltweit einzigartigen Instrumentes zur Nutzung niederenergetischer Myonen am PSI (LEM). Das Gerät erlaubt erstmals den kontrollierten oberflächennahen Einbau von Myonen in unterschiedliche Tiefen der zu untersuchenden Proben zwischen wenigen bis zu einigen hundert Nanometern. Hiermit eröffnen sich eine Fülle neuer Anwendungsmöglichkeiten insbesondere beim Studium sehr dünner Proben, von Vielfachschichtsystemen und Oberflächen.
Bei der Preisübergabe betonte Dr. Morenzoni, dass er diese Auszeichnung nicht nur für sich selbst sondern auch stellvertretend "für alle Personen entgegen nähme, die am Aufbau des LEM Experimentes am PSI mitgearbeitet hätten".

Der Yamazaki Preis ist die höchste wissenschaftliche Auszeichnung auf dem Gebiet der Myonen-Spektroskopie. Er wird alle drei Jahre für herausragende Arbeiten aus diesem Forschungsfeld vergeben. Die Preisträger müssen entweder einen wesentlichen wissenschaftlichen Beitrag auf dem Gebiet erbracht oder nachhaltigen Einfluss auf die methodische Entwicklung der Myonen-Spektroskopie haben. Der Preis ist nach Toshimitsu Yamazaki, einem der Pioniere der Myonen-Spektroskopie der Universität Tokio benannt und soll einen wichtigen Beitrag leisten, um der Methode eine erhöhte Sichtbarkeit innerhalb der Wissenschaftsgemeinde zu verleihen.

		Der Yamazaki Preis 2008 geht an Elvezio Morenzoni vom Paul Scherrer Institut
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Röntgenmikroskopie mit Superauflösung deckt die versteckten Geheimnisse in der Nanowelt auf

Ein neuartiges Röntgenmikroskop mit Superauflösung, das von einem Forscherteam des Paul Scherrer Instituts (PSI) und der ETH Lausanne (EPFL) in der Schweiz entwickelt wurde, kombiniert die hohe Durchdringungsleistung von Röntgenstrahlen mit einer hohen bildlichen Auflösung und ermöglicht es somit erstmals, Licht auf die detaillierten inneren Strukturen von Halbleiterbauelemen­ten oder Zellen zu werfen.

Die ersten Bilder in Superauflösung aus diesem neuartigen Mikroskop werden am 18. Juli 2008 in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Franz Pfeiffer, EPFL-Professor und Leiter des Forscherteams, erläutert: «Seit vielen Jahren arbeiten Forscher an Konzepten für ein Mikroskop mit Superauflösung mittels Elektronen und Röntgenstrahlen. Nur der Bau eines speziellen Instruments im Wert von mehreren Millionen Schweizer Franken an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz des PSI ermöglichte uns die Stabilität zu erreichen, die für die Implementierung unserer neuen Methode in der Praxis erforderlich ist.»

Das neue Instrument setzt zudem den Megapixel-Detektor PILATUS ein, dessen grosser Bruder ebenfalls am PSI entwickelt wurde und in Kürze am Large Hadron Collider des CERN zum Einsatz kommen wird. PILATUS begeistert die Synchroton-Fachwelt durch seine Fähigkeit, Millionen einzelner Röntgenstrahlphotonen präzise zu zählen. Diese spezielle Eigenschaft ermöglicht die Aufzeichnung von detaillierten Beugungsbildern der Probe, während sie im Fokus des Strahls mit dem Rasterscan-Verfahren untersucht wird. Herkömmliche Transmissions-Rasterelektronenmikroskope messen im Gegensatz dazu nur die gesamte, von der Probe absorbierte Intensität.

Die Beugungsdaten werden anschliessend mit einem Algorithmus verarbeitet, der von dem Schweizer Team entwickelt wurde. PSI-Forscher Pierre Thibault, der Erstautor des Science-Artikels, erklärt: «Wir haben einen Bildrekonstruktionsalgorithmus entwickelt, der die zigtausend Beugungsbilder bearbeitet und sie zu einem superaufgelösten Röntgentransmissionsmikroskopiebild zusammenfügt. Damit die Bilder von höchster Genauigkeit sind, berücksichtigt der Algorithmus nicht nur die Daten der Probe, sondern auch die exakte Form des Lichtstrahls der auf die Probe trifft.»

Herkömmliche Elektronenrastermikroskope liefern hochauflösende Bilder von der Oberflächenstruktur eines Untersuchungegenstands. Das neue Mikroskop mit Superauflösung des Schweizer Teams kann jedoch tief in Halbleiterstrukturen oder biologische Proben hineinsehen. Dadurch können bei Halbleitern winzige Mängel, die bereits im Nanobereich liegen, entdeckt werden, obwohl diese defekten Strukturen tief im Innern des Bauteils versteckt sind. Die Analyse solcher Mängel, bei der der Untersuchungsgegenstand übrigens nicht zerstört wird sondern intakt bleibt, wird einen Beitrag zur Verbesserung der Qualität von Halbleitern leisten, wo Strukturgrössen unter hundert Nanometern zum Einsatz kommen. Ein weiteres, sehr vielversprechendes Anwendungsgebiet für die neue Technik sind die Lebenswissenschaften, wo die Durchdringungskraft der Röntgenstrahlen zur Abbildung von detailierten Strukturen im Inneren von Zellen bzw. Zellbestandteilen eingesetzt werden kann.

Schliesslich lässt sich das neuartige Mikroskopieverfahren auch auf Elektronen- oder Lichtstrahlen übertragen und kann zur Konzeption neuer und besserer Licht- und Elektronenmikroskope herangezogen werden.

Fachliteratur:
High-Resolution Scanning X-Ray Diffraction Microscopy, Pierre Thibault, Martin Dierolf, Andreas Menzel, Oliver Bunk, Christian David, und Franz Pfeiffer, Science, Vol 321 (2008).

Ansprechpartner:
Dr. Pierre Thibault, Forschungsassistent
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz,
E-Mail: pierre.thibault@psi.ch; Telefon: +41 79 629 7063 [Englisch, Französisch]

Prof. Dr. Franz Pfeiffer, Leiter der Forschungsgruppe
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz,
E-Mail: franz.pfeiffer@epfl.ch; Telefon: +41 76 320 1045 [Englisch, Deutsch]

				Bei dem abgebildeten Gegenstand handelt es sich um unter der Oberfläche liegende Nanostrukturen. Die rechts sichtbaren Rillen sind von aussen nicht erkennbar, da sie komplett von einer Goldschicht überdeckt sind.
Linkes Photo: konventionelle Rasterelektronenmikroskopaufnahme. Rechtes Photo: der gleiche Gegenstand mit dem neuen Röntgenmikroskop mit Superauflösung aufgenommen.
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La microscopie à rayons X super-résolvante dévoile les secrets cachés du nanomonde

Un nouveau microscope à rayons X super-résolvant mis au point en Suisse par une équipe de chercheurs de l’institut Paul Scherrer (PSI) et de l’EPFL, associe la forte capacité de pénétration des rayons X à la haute résolution spatiale, permettant ainsi pour la première fois d’expliquer en détail la composition interne de dispositifs semi-conducteurs et de structures cellulaires.

Les premières images à haute résolution issues de ce microscope novateur seront publiées en ligne le 18 juillet 2008 dans la revue Science.

Selon le professeur Franz Pfeiffer de l’EPFL et directeur de l’équipe de recherche, «les chercheurs ont travaillé pendant de nombreuses années sur de tels concepts de microscopie super-résolvante pour les électrons et les rayons X. Seule la construction d’un instrument dédié de plusieurs millions de francs suisses au Swiss Light Source du PSI nous a permis d’atteindre la stabilité nécessaire à la mise en pratique de notre nouvelle méthode.»

Ce nouvel instrument utilise un détecteur Megapixel Pilatus (dont le grand frère détecte les collisions de particules au Large Hadron Collider du CERN), qui a enthousiasmé la communauté des utilisateurs de synchrotron par sa capacité à compter des millions de photons X individuels sur une large surface. Cette caractéristique essentielle permet d’enregistrer des motifs de diffraction détaillés en balayant l’échantillon sous le point focal du faisceau, contrairement aux microscopes à rayons X (ou électroniques) conventionnels à balayage ne mesurant que l’intensité totale transmise.

Ces figures de diffraction sont ensuite exploitées au moyen d’un algorithme élaboré par l’équipe suisse. Pierre Thibault, chercheur d'origine québécoise maintenant au PSI et premier auteur sur la publication, explique la chose suivante: «Nous avons mis au point un algorithme de reconstruction d’images qui traite plusieurs dizaines de milliers de figures de diffraction et les combine en une unique micrographie à rayons X à haute résolution. Afin d’obtenir des images de la plus haute précision, l’algorithme reconstruit non seulement l’échantillon, mais également la  structure exacte du faisceau de rayons X incident.» Pierre Thibault a obtenu son doctorat en physique à l'université Cornell sous la supervision de Veit Elser. Il est maintenant chercheur post-doctoral dans l'équipe de Franz Pfeiffer au PSI.

Les microscopes électroniques conventionnels à balayage peuvent enregistrer des images haute-résolutions, mais généralement que de la surface de l’échantillon, et les échantillons doivent être analysés sous vide. Le nouveau microscope super-résolvant mis au point par l’équipe suisse n'est pas limité par ces exigences, ce qui signifie que les scientifiques seront désormais capables d’examiner des semi-conducteurs ou des échantillons biologiques en profondeur, et ce sans les altérer. Il peut être utilisé pour caractériser, de manière non destructive, des défauts nanométriques enfouis dans des dispositifs semi-conducteurs, contribuant ainsi à améliorer la production et les performances de futurs dispositifs semi-conducteurs aux dimensions inférieures à la centaine de nanomètres. Une autre application très prometteuse est la microscopie haute-résolution dans le domaine des sciences de la vie, où la capacité de pénétration des rayons X peut être utilisée pour l’étude des cellules ou des structures subcellulaires. Finalement, l’approche peut également être étendue aux faisceaux d’électrons ou aux lasers dans le domaine du visible et aider à la conception de nouveaux microscopes optiques et électroniques plus performants.

Référence:
High-Resolution Scanning X-Ray Diffraction Microscopy, by P. Thibault et al., Science, Vol 321 (2008).

Contacts:
Dr. Pierre Thibault, chercheur postdoctoral, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Suisse
Email: pierre.thibault@psi.ch; téléphone: +41 79 629 7063 [anglais, français]

Prof. Dr. Franz Pfeiffer, directeur de l’équipe de recherche
Paul Scherrer Institut & EPFL, 5232 Villigen PSI, Suisse
Email: franz.pfeiffer@epfl.ch; téléphone: +41 76 320 1045 [anglais, allemand]

				Le spécimen-test est une nanostructure enfouie sous une couche d'or. L'image de droite montre l'intérieur de la structure, complètement invisible dans l'image de gauche.
gauche: Image conventionnelle par microscopie électronique à balayage (MEB). droite: image de la même région obtenue grâce à la nouvelle méthode de microscopie à rayons X super-résolvante.
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Super-Resolution X-ray Microscopy unveils the buried secrets of the nanoworld

A novel super-resolution X-ray microscope developed by a team of researchers from the Paul Scherrer Institut (PSI) and EPFL in Switzerland combines the high penetration power of x-rays with high spatial resolution, making it possible for the first time to shed light on the detailed interior composition of semiconductor devices and cellular structures.

The first super-resolution images from this novel microscope will be published online July 18, 2008 in the journal Science.

“Researchers have been working on such super-resolution microscopy concepts for electrons and x-rays for many years,” says EPFL Professor and team leader Franz Pfeiffer. “Only the construction of a dedicated multi-million Swiss-franc instrument at PSI's Swiss Light Source allowed us to achieve the stability that is necessary to implement our novel method in practice.”

The new instrument uses a Megapixel Pilatus detector (whose big brother will be detecting collisions from CERN's Large Hadron Collider), which has excited the synchrotron community for its ability to count millions of single x-ray photons over a large area. This key feature makes it possible to record detailed diffraction patterns while the sample is raster-scanned through the focal spot of the beam. In contrast, conventional x-ray (or electron) scanning microscopes measure only the total transmitted intensity.

These diffraction data are then treated with an algorithm conceived by the Swiss team. “We developed an image reconstruction algorithm that deals with the several tens of thousands of diffraction images and combines them into one super-resolution x-ray micrograph,” explains PSI researcher Pierre Thibault, first author on the publication. “In order to achieve images of the highest precision, the algorithm not only reconstruct the sample but also the exact shape of the light probe resulting from the x-ray beam.”

Conventional electron scanning microscopes can provide high-resolution images, but usually only for the surface of the specimen, and the samples must be kept in vacuum.  The Swiss team's new super-resolution microscope bypasses these requirements, meaning that scientists will now be able to look deeply into semiconductors or biological samples without altering them. It can be used to non-destructively characterize nanometer defects in buried semiconductor devices and to help improve the production and performance of future semiconductor devices with sub-hundred-nanometer features. A further very promising application of the technique is in high-resolution life science microscopy, where the penetration power of X-rays can be used to investigate embedded cells or sub-cellular structures. Finally, the approach can also be transferred to electron or visible laser light, and help in the design of new and better light and electron microscopes.

Reference:
High-Resolution Scanning X-Ray Diffraction Microscopy, by P. Thibault et al., Science, Vol 321 (2008).

Contacts:
Dr. Pierre Thibault, Postdoctoral Researcher
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Switzerland,
Email: pierre.thibault@psi.ch; phone: +41 79 629 7063 [English, French]

Prof. Dr. Franz Pfeiffer, Research Group Leader
Paul Scherrer Institut & EPFL, 5232 Villigen PSI, Switzerland
Email: franz.pfeiffer@epfl.ch; phone: +41 76 320 1045 [English, German]

				Fig. 3| Twenty-five out of typically ten-thousand coherent x-ray diffraction images used for reconstructing one single super-resolution x-ray micrograph.
Left panel: Conventional Scanning Electron Micrograph (SEM) image of the sample. Right panel: The novel super-resolution X-ray microscopy method visualizes details and line defects in the buried nanostructure.
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Vitamin B12 ist das Trojanische Pferd der Krebsforscher am schweizerischen Zentrum für radiopharmazeutische Wissenschaft

Erste Klinische Studie soll Mitte Juni beginnen

Zellen, die darauf programmiert sind sich rasch zu vermehren, haben einen hohen Bedarf an Vitamin B12. Dies trifft insbesondere auf Krebszellen zu. Krebsforschern ist dieser Umstand wohl bekannt und so hat es in der Vergangenheit schon mehrere Ansätze gegeben, sich diesen Umstand zu nutze zu machen. Die grundlegende Idee ist, Vitamin B12 radioaktiv zu markieren. In die menschliche Blutbahn gebracht, wird es von körpereigenen Transportersystemen zum Tumor gebracht, dringt dort ein und verrät somit -über seine diagnostische Strahlung - den Medizinern die Existenz und die Lage des Tumors. Bisher scheiterten diese Versuche jedoch stets an der komplexen Gesamtsituation. So wird das B12, die Mediziner verwenden den Fachbegriff "Cobalamin", von den Transportersystemen nicht nur zu den Tumorzellen geschleust, sondern auch zu gesunden Zellen, die natürlich ebenfalls das Vitamin benötigen.

Ein Beispiel für das Scheitern eines im Prinzip klugen Ansatzes ist die Studie der Mayo Klinik in Rochester, USA aus dem Jahr 2000. Die Verbindungsneigung von Vitamin B12 zu seinem Haupttransportersystem "Transcobalamin II", einem Protein, wurde von den Forschern genutzt, um in einer grösseren Patientenstudie mittels radioaktivem Vitamin B12 primäre Tumore und Metastasen abzubilden. Leider war aber auch in vielen normalen Organen eine hohe Anreicherung der Radioaktivität zu erkennen, sodass die Studie nicht weitergeführt wurde.

Die Forscher am Zentrum für radiopharmazeutische Wissenschaft, einer Einrichtung, die gemeinsam vom Paul Scherrer Institut in Villigen, der ETH Zürich und dem Universitätsspital Zürich betrieben wird, haben sich für einen anderen Ansatz entschieden. Dabei machten sie sich das Wissen zu Nutze, dass Cobalamin neben seinem Haupttransportersystem "Transcobalamin II" noch einen weiteren Chauffeur durch die Blutbahn benutzt, das Protein "Transcobalamin I". So lehrt denn auch die Fachliteratur, dass Transcobalamin II hauptsächlich dem Transport von Vitamin B12 zu den Zellen (und damit zu allen möglichen Organen) dient, während Transcobalamin I hauptsächlich dem Transport von "überschüssigem" Vitamin B12 zur Leber dient.

In Versuchen fanden die Forscher um Robert Waibel ebenfalls heraus, dass bestimmte Tumore solch einen aggressiven Hunger nach Cobalamin zeigen, dass sie sogar in der Lage sind Vitamin B12 über das Transportprotein Transcobalamin I in ihre Zellen aufzunehmen und nicht auf ein vorbeifahrendes Transcobalamin II warten müssen. Die Wissenschaftler haben daher in einem ersten Schritt das Vitamin B12 radioaktiv markiert und in einem zweiten Schritt so manipuliert, dass es zwar noch vollwertig die Eigenschaften des Vitamins hat aber andererseits seine molekulare Struktur so verändert ist, dass es nur noch von Transcobalamin I transportiert werden kann, jedoch nicht mehr von Transcobalamin II. In anschliessend durchgeführten Tierversuchen zeigte sich, dass tatsächlich einerseits die Aufnahme im Normalgewebe drastisch reduziert wurde, aber andererseits die Anreicherung im Tumorgewebe hoch genug war, um den Tumor in bildgebenden Verfahren sichtbar zu machen.

In einem nächsten Schritt möchten die Forscher im Rahmen einer klinischen Studie am Universitätsspital Zürich klären, ob sich die bis anhin in Tierexperimenten gezeigten Ergebnisse auch auf Menschen übertragen lassen. Sollten die Bemühungen auch hier von Erfolg beschieden sein, könnte das modifizierte B12 nicht nur zum Aufspüren von bestimmten Tumoren benützt werden sondern auch zu deren gezielter Zerstörung.

Bemerkenswert an dieser vorläufigen Erfolgsgeschichte sind nicht nur die Ergebnisse sondern auch der konsequent interdisziplinäre Ansatz der Forscher, sowie die Zusammenarbeit von Grundlagenforschung, Industrie und Spital: Am Institut für Anorganische Chemie der Universität Zürich wurde die gezielte Veränderung am Vitamin B12 Molekül synthetisiert. Die Forscher des Paul Scherrer Instituts markierten die veränderten Moleküle mit dem Radionuklid 99mTc und führten dann langwierige und eingehende Test zur Bestimmung der pharmakologischen Eigenschaften des Moleküls durch. Dabei kamen auch die in der Schweiz einzigartigen Grossforschungseinrichtungen des PSI, vom Hochenergie-Zyklotron bis zu den abgeschirmten Laborarbeitsplätzen (sogenannten Hotzellen) zum Einsatz. Der industrielle Partner, die Solidago AG aus Bern, lieferte das hochgereinigte B12-Ausgangsmolekül, die biologischen Testsysteme und finanzielle Unterstützung. Und aufgrund der Zusammenarbeit mit dem Universitätsspital Zürich (Onkologie und Pathologie) konnte der mögliche Mechanismus der gezielten Tumoraufnahme gefunden werden. Schliesslich wurde in aufwendiger Arbeit am Paul Scherrer Institut und am Universitätsspital Zürich (Onkologie, Nuklearmedizin) die für klinische Versuche nötige pharmazeutische Präparation hergestellt, mit allen Dokumenten, die zur Bewilligung einer ersten Studie am Menschen durch die Behörden (SwissMedic und BAG) erforderlich sind.


Fachliteratur:
Robert Waibel, Treichler H., Schaefer N. G. et al.; New Derivates of Vitamin B12 Show Preferential Targeting of Tumors; Cancer Res 2008; 68(8):2904–11

Fachlicher Kontakt:
Professor August P. Schubiger, Zentrum für radiopharmazeutische Wissenschaft,
Telefon ETH Zürich: +41 44 633 74 91; Telefon PSI: +41 56 310 28 13,
E-Mail: august.schubiger@pharma.ethz.ch

		Kombinierte Single-Photon-Emmissionscomputertomographie/CT Aufnahme von Mäusen mit Tumoren. Den Tieren wird zu Beginn der SPECT/CT Szintigrafie das mit Technetium markierte Vitamin B12 als Radiopharmakon in die Vene verabreicht. Das verwendete Radionuklid emittiert Gammastrahlung. Mehrere Gamma-Kameras rotieren um den Körper und detektieren die Strahlung aus unterschiedlichen Raumrichtungen. Gleichzeitig wird mittels Röntgenstrahlung auch noch eine CT-Aufnahme des Skeletts zur besseren, räumlichen Lokalisation gemacht. Auf den Bildern (A und C) erkennt man, das das neu entwickelte Radiopharmakon sich vor allem im Tumor anreichert, während sich eine Vorgängerversion des markierten Vitamin B12 (B und D) auch stark in Drüsengeweben, Magen, Leber und Niere anreicherte.
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Paul Scherrer Institut-Technologie an Bord eines neuen Navigationssatelliten

Erste Ergebnisse werden schon im Juni erwartet

Diese Artikel wurde von PSI-Gastschreiber Leonid Leiva verfasst
Am vergangenen 27. April 2008 wurde GIOVE-B, der zweite Testsatellit des europäischen Navigationssystems GALILEO, auf seinen Orbit gebracht. Durch den Van-Allen-Gürtel und rund 23 200 km über der Erdoberfläche zieht GIOVE-B seine Kreise durch eine Region der irdischen Magnetosphäre, die permanent unter Beschuss durch einen intensiven Schauer hochenergetischer Strahlung steht. Ein am Paul Scherrer Institut (PSI) entwickeltes und getestetes System zur Strahlungsüberwachung sammelt wertvolle Daten über das Weltraumwetter und sorgt zugleich für den sicheren Betrieb der Bordinstrumente.

Weltraumsatelliten leben gefährlich. Oberhalb der Erdatmosphäre fehlt ihnen der Schutzschild, der uns Erdbewohner vor dem kontinuierlichen Bombardement der kosmischen Strahlung bewahrt. Der Arbeitsplatz von GIOVE-B ist eine stürmische Region der Erdmagnetosphäre, der so genannte Van-Allen-Gürtel, in dem jeder Quadratzentimeter zuweilen von Millionen hochenergetischer Elektronen und Protonen in der Sekunde durchquert werden kann. Die Intensität dieser Teilchenflüsse kann durch besondere Ereignisse wie solare Ausbrüche oder gar Atomwaffentests in der Atmosphäre sogar noch um Grössenordnungen zunehmen. Der ungeheuerliche Teilchenstrom, der hauptsächlich aus beschleunigter und durch die irdische Magnetosphäre eingefangener Strahlung besteht, stellt eine ernste Gefahr für die empfindliche Elektronik an Bord des Satelliten dar. Beim Aufprall auf die elektronischen Geräte geben die hochenergetischen Teilchen ihre Energie ab. Dies löst eine Reihe von Störungen aus, die von der Umkehrung von logischer Information (so genannter Bit-Flip) bis hin zu irreversiblen Schäden oder gar kompletter Zerstörung der Instrumente reichen. Unter dem Beschuss von geladenen Partikeln wird zudem die Effizienz der Solarpaneele des Satelliten beeinträchtigt und deren Lebensdauer verkürzt. Daten über dieses urgewaltige Weltraumwetter einzusammeln, das ist die Aufgabe des Detektors der Europäischen Raumfahrtorganisation (ESA), der den Namen Standard Radiation Environment Monitor (SREM) trägt.

Bei der Entwicklung des SREM kooperierten Forscher der Proton Irradiation Facility (PIF) am Paul Scherrer Institut mit dem Zürcher Raumfahrtunternehmen Oerlikon Space. Die Forscher am PSI waren für Konzept und Entwicklungsarbeit zuständig. Auf der Grundlage eines am PSI entwickelten Modells konnte das Unternehmen Oerlikon Space erfolgreich zehn Detektoren produzieren. Jeder einzelne dieser zehn Detektoren musste dann wiederum am Paul Scherrer Institut einer ausführlichen und aufwendigen Kalibrierung unterzogen werden. Darauf basierend wurden in einem weiteren Schritt, ebenfalls unter der Leitung der PSI Physiker Wojtek Hajdas und Nick Schlumpf, Modellvorhersagen entwickelt, mit denen das zukünftige Messverhalten der Strahlungsdetektoren im Weltraum simuliert wurde, so dass die gewonnenen Daten später korrekt ausgewertet werden können.
Zurzeit laufen die Messungen an Bord von GIOVE-B. Die ersten Daten über Intensität und Energiespektren der Strahlung werden bereits Anfang Juni am PSI erwartet.

GIOVE-B erweitert die Liste der ESA-Satelliten, die mit einem solchen Strahlungsmonitor ausgestattet sind. Bisher gehörten die Raumtrabanten PROBA1, INTEGRAL und ROSETTA dazu. Alle vier Satelliten sind mit genau baugleichen Detektoren bestückt, fliegen aber durch unterschiedliche Regionen des Strahlungsgürtels. Dies ermöglicht eine Kartierung der Teilchenströmung über weite Teile des Van-Allen-Gürtels. Weltraumforscher können anhand dieser Daten ihre theoretischen Modelle verfeinern. So kann beispielsweise der Zusammenhang zwischen den jeweils lokalen Magnetfeldern und den darin eingefangenen Teilchen mit Messgrössen wie Teilchenfluss, Energiespektren und Einfallsrichtung der Strahlen (Anisotropie) besser verstanden werden.
Weitgehend ungeklärt ist zudem die Verbindung zwischen dem Van-Allen-Gürtel und der erdnäheren Ionosphäre. Ereignisse in dem einen haben Auswirkungen auf die andere und umgekehrt. Wie und wieso sind Fragen, die noch erforscht werden müssen. Auch hierzu sollen die Daten des PSI-Detektors im GIOVE-B einen Beitrag liefern. Sichtbar sind die Konsequenzen der Verbindung: Die Verteilung der Strahlung im Van-Allen-Gürtel beeinflusst den Zustand der Ionosphäre. Mit der Konsequenz, dass ein von einem Satelliten zur Erde gesendetes Signal verändert wird. So kann dieses abgeschwächt und verzögert werden. Die Möglichkeit eine solche Signalverzögerung präzise bestimmen zu können ist aber eine Voraussetzung dafür, dass das Navigationssystem GALILEO seine angestrebten neuen Massstäbe in punkto Genauigkeit erzielen kann.

Trotz ihres bisherigen Erfolgs weisen die Detektoren noch Verbesserungspotenzial auf. Mit einer Leistung von knapp 2 Watt und 2,5 Kilo Gewicht sind die Geräte für zukünftige Anwendungen noch nicht sparsam und leicht genug. Mit einer an der Swiss Light Source des Paul Scherrer Instituts bewährten Technologie liesse sich der Leistungsverbrauch auf ein Fünftel, das Gewicht sogar auf ein Achtel reduzieren. Dazu sind allerdings Anpassungen der an der SLS für Röntgenstrahlung verwendeten Instrumente notwendig, damit sie auch Protonen und Elektronen messen können. „Die neuen Miniaturdetektoren werden noch dieses Jahr auf dem Reissbrett existieren“, versichert Hajdas. Interesse haben die ESA sowie schweizerische Hersteller von Telekommunikationssatelliten bereits kundgetan.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörper¬forschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Fachliche Kontaktperson:
Dr Wojtek Hajdas, Department Particles and Matter,
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen Switzerland
tel. +41 (0)56 310 4212 (dir.), fax. +41 (0)56 310 2646, E-Mail: wojtek.hajdas@psi.ch

Der Giove B Satellit des ESA Navigationssystems GALLILEO (Quelle: ESA/GALILEO)		SREM Detektor zur Messung von Protonen und Elektronen im Weltraum
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Die Belenos Clean Power AG und das Paul Scherrer Institut beschliessen die Schweizer Brennstoffzelle

Die Vision einer lokal emissionsfreien Energiekette geht in die operative Phase

«Bei der Diskussion um eine Reduktion des CO₂-Ausstosses denkt man in der Schweiz oft zunächst einmal nur an Einsparungs­möglichkeiten beim Stromverbrauch. Tatsache ist jedoch, dass schweizerischer Strom schon heute weitgehend CO₂-frei produziert wird, da er auf Wasserkraft und Kernkraft beruht und nicht auf fossilen Energieträgern wie Kohle, Öl oder Gas. Das grösste Reduk­tionspotenzial der CO₂-Emissionen in der Schweiz liegt hingegen im Wärmeverbrauch bei Gebäuden und im Individualverkehr; dort müssen wir mit technologischen Innovationen und Massnahmen Veränderungen erzielen», erläuterte Martin Jermann, Direktor a. i. des Paul Scherrer Instituts bei der Begrüssung der Teilnehmenden an der Medienkonferenz.

Ein nachhaltiger, sauberer Energieverbrauch und eine individuelle Mobilität mit sauberer, CO₂-freier Energie, das ist die Vision der Belenos Clean Power AG. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen Anstrengungen unternommen werden, die die ganze Kette von der nachhaltigen Primärenergie – der Sonne – über die saubere Energie für Haushalte, Fabriken u. ä., bis zum effizienten, emissionsfreien Auto-Antrieb umfassen. Die Sonnenenergie wird über Photovoltaikzellen in Strom umgewandelt. Dieser deckt einerseits direkt den lokalen Strombedarf. Mit dem übrig bleibenden Strom wird für die Mobilität zum Beispiel Wasser mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt, die ebenfalls lokal in Tanks gespeichert werden. Die beiden Gase können vom Auto der Zukunft sehr schnell getankt werden. Im Brennstoffzellenstapel des Autos reagieren Wasserstoff und Sauerstoff und verbinden sich über eine Membran zu Wasser. Bei diesem Vorgang wird Energie in Form von Elektrizität frei. Diese treibt über einen elektrischen Antrieb das Fahrzeug an. Als «Abfallprodukt» fällt lediglich Wasserdampf an.

Das Paul Scherrer Institut (PSI) und die Belenos Clean Power AG arbeiten im Joint Venture «Schweizer Brennstoffzelle» zusammen. Das Ziel der Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen ist die Realisierung eines lokal emissionsfreien Antriebsstranges für einen leichten Personenwagen für mindestens 4 Personen. Der Antrieb des Fahrzeugs soll die gleiche Lebensdauer wie das Auto selbst haben. Auch die Fahrleistung und der Gesamtpreis (Fahrzeugkauf plus Betriebskosten) sollen mit einem Personenwagen der Kompaktklasse konkurrieren können. Andere Entwicklungen der Belenos Clean Power AG sind ebenfalls geplant.

Das Paul Scherrer Institut konnte schon im Jahr 2002 mit einem umgerüsteten Volkswagen, dem VW Bora HY.Power, nachweisen, dass ein Brennstoffzellenantrieb auch in der Praxis funktioniert und erweckte damit am Genfer Autosalon nachhaltiges Interesse.
Im Jahre 2004 wurde das Nachfolge-Modell HY-Light, diesmal in Zusammenarbeit mit Michelin, am «Challenge Bibendum» dem weltweit grössten Wettbewerb für zukunftsweisende Antriebssysteme in Shanghai vorgestellt.

Die Aufgabe der Forscher ist indessen noch immer nicht gelöst. Sowohl die Kosten als auch die Lebensdauer der Brennstoffzelle weisen noch viel Optimierungspotential auf. «Eine Optimierung ist nötig, um die Lebensdauer der Brennstoffzelle und ihren Preis für den Konsumenten stark zu verbessern, damit sie vergleichbar sind mit Lebensdauer und Kosten eines normalen Autos oder Kompaktautos. Das heisst das ganze System muss noch viel preiswerter und effizienter werden und dies in einem überschaubaren Zeitrahmen, das ist das Ziel der Kooperation zwischen Belenos und Paul Scherrer Institut», konstatierte Belenos Chairman Nicolas Hayek.

Das Paul Scherrer Institut bietet mit seinen Grossforschungsanlagen und seinem technischen Know-how eine weltweit einzigartige Kombination verschiedener Messverfahren an einem einzigen Ort an, mit denen die Funktionsweise der Brennstoffzellen im Detail analysiert und somit verbessert werden kann. So kann mit der Neutronenradiographie an der Spallations-Neutronenquelle (SINQ) der Wassergehalt quantitativ im Betrieb bestimmt werden. Dies ist eine wichtige Grösse, um die lokalen Betriebsbedingungen
zu optimieren und die Lebensdauer zu optimieren. Mit Strahllinien der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) kann die Materialbeschaffenheit und die Funktionsweise im Mikrobereich der Membran-Elektroden-Einheit untersucht werden. Aufgrund der Messergebnisse können die Reaktionsabläufe besser verstanden werden. Mit solchen Erkenntnissen kann das Brennstoffzellendesign wesentlich verbessert und die Entwicklung wieder einen Schritt weiter gebracht werden.

version francaise

Fachliche Kontaktperson:
Dr. Philipp Dietrich, Leiter Kompetenzzentrum für Energie und Mobilität,
Telefon 056 310 4573, E-Mail: philipp.dietrich@psi.ch

Nicolas Hayek und Martin Jermann unterzeichnen den Vertrag über die Entwicklung der schweizer Brennstoffzelle.		Martin Jermann enthüllt die Brennstoffzelle.
Philipp Dietrich, Nicolas Hayek und Martin Jermann vor der Brennstoffzelle.		Nicolas Hayek im Gespräch mit Marco Stampanoni über die Brennstoffzellenforschung an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz.
Nicolas Hayek im Gespräch mit Marco Stampanoni über die Brennstoffzellenforschung an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz.
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Botschafter der Europäischen Union und der Beitrittskandidaten der EU informierten sich über Forschung mit Grossgeräten.

Europa zu Gast am Paul Scherrer Institut

Unter der Schirmherrschaft der Slowenischen Ratspräsidentschaft informierte sich heute eine Gruppe von europäischen Diplomaten über die Forschungsanlagen des Paul Scherrer Instituts (PSI). Die Kombination von Grossforschungsgeräten, von denen jedes Einzelne an sich schon einzigartig ist, wie die Spallations-Neutronenquelle (SINQ), die Myonenanlage (MueSR) und die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) ermöglicht es Forschenden aus der ganzen Welt, hier Experimente durchzuführen, wie z. B. die Untersuchung von neuen Supraleitern oder Brennstoffzellen, die in dieser Komposition woanders nicht möglich sind. Das PSI setzt etwa 70% seines Budgets für die Aufgaben des Benutzerlabors ein. Dabei forschen über 1700 Gastwissenschaftler aus der ganzen Welt an den verschiedenen Instrumenten. Die Botschafter trafen während ihres Rundgangs auch auf ihre jeweiligen Landsleute, die ihnen aus eigener Sicht über ihre Arbeiten am PSI berichteten. Energie- und Klimafragen gehören zu den Themen, welche Slowenien auf die Traktandenliste seiner Ratspräsidentschaft gesetzt hat. Das PSI als grösstes Energieforschungsinstitut der Schweiz forscht an der Nutzung von Effizienzpotenzialen und der Reduktion von Emissionen in den Bereichen Elektrizitätserzeugung und Mobilität sowie an der Substitution von fossilen durch CO₂-arme Energieträger wie Methan, erzeugt aus Holzabfällen (Biomasse), Strom aus sicherer Kernenergie und solarem Wasserstoff. Darüber hinaus betreibt das PSI Energiesystem-Analysen, mit denen die Forscher Politik und Wirtschaft Anstösse geben möchten, in welche Richtung sich eine nachhaltige, effiziente und umweltschonende Energieversorgung bewegen könnte. Das PSI arbeitet eng mit der ETH Zürich, der EPF Lausanne, der EMPA sowie mit den Fachhochschulen und der Industrie innerhalb des Kompetenzzentrums Energie und Mobilität, CCEM, aber auch international vernetzt zusammen. Dementsprechend interessiert waren auch die Nachfragen der hochrangigen Gäste, nicht nur an die Wissenschaftler des PSI, sondern auch an ETH-Ratspräsident Fritz Schiesser, der auf Wunsch der Organisatoren über das Spektrum der wissenschaftlichen Zusammenarbeit des gesamten ETH-Bereichs, insbesondere mit den neuen EU-Mitgliedstaaten, berichtete.


Die europäischen Diplomaten in der SLS:

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Das PSI lud zur Jahresmedienkonferenz

Das PSI feiert dieses Jahr seinen 20. Geburtstag. Seit seiner Gründung 1988 haben sich die Forschungsschwerpunkte des PSI deutlich verändert.

Aus den beiden Vorgängerinstituten EIR und SIN, welche primär auf Kernenergieforschung und Grundlagenforschung in Kern- und Teilchenphysik ausgerichtet waren, ist ein Forschungszentrum entstanden, welches sich mit wissenschaftlichen Fragestellungen in Physik, Materialwissenschaften, Chemie, Biologie und Medizin, sowie ganzheitlich mit zukünftiger Energietechnik und ihren Umweltauswirkungen beschäftigt.

Link zur vollständigen Medienmitteilung

Eros Pedroni erläutert die Vorteile der Gantry 2, dem neuen PSI Gerät zur Krebsbehandlung durch Protonenstrahlen.		Eros Pedroni erläutert Gantry 2, die neue PSI Maschine zur Behandlung von Krebserkrankungen mit Protonenstrahlen.		Albin Wrulich demonstriert die Funktionsweise des PSI Zukunftsprojekts XFEL am Model.
Albin Wrulich Das Modell des XFEL: links am Bildrand die Aare, rechts im Bild die runde Form der SLS. In fertigem Zustand wird die Anlage unterirdisch unter landwirtschaflich genützten Feldern verlaufen. Marco Pedrozzi erklärt den Teststand des XFEL. Marco Pedrozzi erklärt den Teststand des XFEL.

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Das Paul Scherrer Institut öffnete am 13. April seine Pforten und lud zum KLIMAsonntag ein

Den Zukunftsplaneten Erde entdecken – das neue visionäre Multimedia-Exponat am PSI

Dei strahlendem Sonnenschein nutzten mehr als 1300 Besucher die Gelegenheit sich am PSI in Villigen über das Thema Klimawandel und die Folgen zu informieren. Anreiz dazu gaben vier Erlebniswelten:

Das Besucherzentrum "psi forum" wurde in den vergangenen Monaten komplett umgestaltet und präsentierte sich nun erstmals der breiten Öffentlichkeit. Highlight für die Besucher war das neue interaktive Multimedia-Exponat "Zukunftsplanet Erde". Dabei führen drei verschiedene virtuelle Persönlichkeiten das Publikum durch die Problematik der Klimaveränderung. Der Klimaretter ist besorgt um die schmelzenden Polkappen, die Mobilitätskritikerin träumt vom abgasfreien Auto und der Technikfreak ist begeistert von Sparlampen. Ebenfalls von hohem Besucherinteresse war die Frage nach der zukünftigen Schneesicherheit in der Schweiz oder wie unsere Energieversorgung aussehen wird, wenn die Erdölvorräte in 30 Jahren so gut wie erschöpft sein werden.

Nach Antworten auf diese und weitere Fragen zum Klimawandel suchen auch die Forscher des PSI. In vier Vorträgen berichteten die Wissenschaftler, in einer für ein Laienpublikum verständlichen Weise, über Ihre Arbeit. Die anschliessenden regen Fragen der Zuhörer dokumentierten einmal mehr das grosse Interesse der Allgemeinheit daran, dass Forschung, Industrie und Politik Lösungen ausarbeiten.

Die junge Generation für eine wissenschaftlich-technische Karriere zu begeistern, ist das Ziel des PSI Schülerlabors. Im iLab, dem Schülerlabor für die iPod-Generation, ermöglichte der Projektleiter Fritz Gassmann den Besuchern anhand von eindruckvollen Physik-Experimenten Forschungsatmosphäre zu schnuppern.

Klimafreundliche Gastronomie anzubieten, hatten sich die Betreiber des PSI Personalrestaurants auf ihre Fahnen geschrieben. Die Gäste wurden erstmals über die Menge von CO₂ informiert, die emittiert wird damit sie ihr jeweiliges Menü verzehren können. So schlug ein Pangasiusfilet aus Vietnam zusammen mit kalifornischem grünen Spargel und indischem Basmatireis mit 9kg CO₂ pro Portion zu Buche, Zürcher Geschnetzeltes mit Rösti aus regionalen Rohprodukten immerhin noch mit 3kg. Die mit Abstand niedrigste CO₂ Emission von 0,3kg wies das vegetarische Menü, Tortellini mit Frischkäse an Steinpilzsosse, ebenfalls mit heimischen Rohprodukten hergestellt, auf. Die hungrigen Besucher beeinflusste dies bei Ihrer Wahl jedoch nicht. Tagesieger wurde der Klassiker Zürcher Geschnetzeltes, für den sich mehr als die Hälfte der Konsumenten entschied. Fisch- und Vegi-Menü waren gleich beliebt.

Auch nach dem KLlMAsonntag steht das PSI interessierten Besuchern offen: Das psi forum können Einzelpersonen aber auch Gruppen besuchen (www.psiforum.ch). Schulklassen können sich zum kostenfreien Besuch des iLab anmelden (http://ilab.web.psi.ch). Die Vorträge zum KLIMAsonntag werden auf Nachfrage zugeschickt (medien@psi.ch).

Wie funktioniert ein Solarspiegel?		Wachsende Kristalle im psi-forum.	Das neue interaktive Multimedia-Exponat "Zukunftsplanet Erde".
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Neue Verantwortliche für Kommunikation am PSI

Die Stelle der Kommunikationsleitung am Paul Scherrer Institut (PSI) ist seit Anfang des Monats wieder besetzt. Dagmar Baroke hat die Nachfolge von Beat Gerber angetreten, der schon im letzten Jahr in den Präsidialstab der ETH Zürich wechselte. Die 44-Jährige ist Magistra Artium in Politologie und Internationalem Recht. Am Schweizerischen Public Relations Institut absolvierte sie den Nachdiplomkurs Corporate Communications. Sie arbeitete lange Jahre für das deutsche Bundesforschungsministerium und später bei der Geschäftsstelle der Helmholtzgemeinschaft deutscher Forschungszentren. Zuletzt koordinierte sie die Öffentlichkeitsarbeit am Basler Friedrich Miescher Institut, das zur Novartis Forschungsstiftung gehört.

«Dagmar Baroke kommuniziert seit über 15 Jahren im naturwissenschaftlichen Forschungsumfeld. Mit ihr haben wir eine Kommunikationsleiterin gefunden, die um die besonderen Belange von Grossforschungseinrichtungen weiss. Die Beiträge unserer Forschenden zur Lösung grosser und drängender Fragen von Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft für die Bürgerinnen und Bürger, Politikerinnen und Politiker und Medienschaffenden nachvollziehbar zu kommunizieren ist eine wichtige Aufgabe des PSI. Frau Baroke wird uns mit ihrem Team darin unterstützen. Die Direktion des PSI freut sich darauf, mit ihr zusammenzuarbeiten.», meint Martin Jermann, Direktor a.i. PSI.

Dagmar Baroke ist ab sofort wie folgt zu kontaktieren:
dagmar.baroke@psi.ch
Telefon 056 310 29 16
Telefax 056 310 27 17

Dagmar Baroke, neue Abteilungsleiterin Kommunikation. Mit Klick auf das Bild erscheint die hoch aufgelöste Version (ca. 2 MB).

Eröffnung Schülerlabor iLab am Paul Scherrer Institut

Experimentieren begeistert

Ab heute hat die Schweiz ein einzigartiges Schülerlabor für Naturwissenschaften und Technik. Regierungsrat Rainer Huber vom Bildungsdepartement des Kantons Aargau und PSI-Direktor a.i., Martin Jermann, eröffneten das iLab vor geladenen Gästen.

Bei der Nachwuchsförderung in Naturwissenschaften und Technik geht das Paul Scherrer Institut (PSI) neue Wege. Zum Auftakt seines 20-Jahre-Jubiläums eröffnete das PSI in Villigen heute ein in der Schweiz einzigartiges Schülerlabor. Überall fehlt es an Nachwuchs in Natur- und Ingenieurwissenschaften. Das PSI will in seinem Jubiläumsjahr ein Zeichen setzen und die junge Generation für eine berufliche Karriere als Ingenieurin oder Naturwissenschaftler begeistern.

Link zur vollständigen Medienmitteilung
Link zur iLab-Website

Fritz Gassmann, der Projektleiter des iLab erklärt Schülern das Phänomen der Reflektion von Ultraschallwellen. Diese werden mit Hilfe eines Oszilloskops sichtbar gemacht.

Feuer und Flamme für die Wissenschaft: Fritz Gassmann weiht das Schülerlabor mit einem spektakulären Experiment ein.		Regierungsrat Rainer Huber und PSI-Direktor Martin Jermann lassen sich das Experiment von Sian Mehser und Lea Thommen der Klasse 3a der Bezirksschule Möhlin erläutern.
Fritz Gassmann erläutert das Ultraschallwellenexperiment.		Regierungsrat Rainer Huber, Joël Mesot und Martin Jermann (künftiger und aktueller Direktor des PSI) diskutieren das PSI-Schülerlabor.
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Präsident des ETH-Rats auf Besuch am PSI

Seit Anfang Januar ist der 54-jährige Glarner Rechtsanwalt Fritz Schiesser Präsident des ETH-Rats. Heute Montag, 4. Februar, hat Fritz Schiesser dem PSI den ersten Besuch seit dem Amtsantritt abgestattet. Dabei haben ihn der Interims-Direktor Martin Jermann und der designierte PSI-Direktor, Joël Mesot, zusammen mit weiteren Exponenten des PSI in die Geheimnisse der Energieforschung, der Protonentherapie sowie der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS und der Neutronenquelle SINQ eingeführt. Fritz Schiesser zeigte sich beeindruckt von den Pionierleistungen des PSI im Bereich der Protonentherapie und der vom PSI entwickelten Scanning-Technik. Bei der Energieforschung im Rahmen des Kompetenzzentrums für Energie und Mobilität (CCEM) würdigte Fritz Schiesser dessen enormes Potenzial für den Wissenschafts- und Wirtschaftsraum Schweiz und die Tatsache, dass die Institutionen des ETH-Bereichs ihr Know-how im Energiebereich zusammenlegen.

Auch die Pläne für den Bau eines neuen Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) nahm Fritz Schiesser mit Interesse auf: Diese Lichtquelle wird dem PSI dank extrem hellen und ultrakurzen Röntgenlichtimpulsen sowie einer im Vergleich zur SLS deutlich verbesserten Zeitstruktur neue Experimentiermöglichkeiten in der Physik, Material- und Lebenswissenschaften eröffnen. Die XFEL-Anlage enthält ein grosses Potenzial für Anwendungen in der pharmazeutischen und chemischen Industrie, in der Elektroindustrie und in der Umwelttechnik. «Mit solchen Grossforschungsanlagen festigt das PSI auch im 20. Jahr seines Bestehens seinen international ausgezeichneten Ruf», sagte Fritz Schiesser und ergänzte: «Als Benutzerlabor erbringt das PSI einen wichtigen Beitrag für den ETH-Bereich und den Hochschulraum Schweiz.»

Auch der designierte PSI-Direktor Joël Mesot zeigte sich erfreut vom ersten Besuch des Präsidenten des ETH-Rats in Villigen: «Mit den Licht-, Neutronen- und Myonenquellen können wir die internationale Konkurrenzfähigkeit des PSI und des Hochschulraums Schweiz stärken. Deshalb freuen wir uns, dass wir mit Fritz Schiesser einen ETH-Ratspräsidenten hinter uns wissen, der uns mit seiner 17-jährigen Erfahrung als Ständerat die nötige politische Rückendeckung für die ambitiösen, aber strategisch wichtigen Investitionen geben kann.»

Florian Meyer, Kommunikation ETH-Rat


Der neue ETH-Ratspräsident Fritz Schiesser, flankiert von Interims-Direktor Martin Jermann und dem designierten PSI-Chef Joël Mesot (links).

Scharfe Röntgenbilder im Krankenhaus und am Flughafen

Forscher des Teams von Franz Pfeiffer am Paul Scherrer Institut (PSI) und der ETH Lausanne haben eine Methode zum Erstellen von Dunkelfeld-Röntgenbildern entwickelt, die mit gleicher Wellenlänge auskommt wie heute im Alltag verwendete Geräte. Mit Dunkelfeld-Bildern können Krankheiten wie Osteoporose, Brustkrebs oder Alzheimer in einem frühen Stadium diagnostiziert werden, auch lassen sich Sprengstoffe im Handgepäck sowie Haarrisse oder Korrosionsschäden in Werkstoffen identifizieren. Bisher konnten Dunkelfeldbilder nur mit aufwändigen Geräten – beispielsweise mit der Synchrotonlichtquelle SLS am PSI – erzeugt werden. Die in «Nature Materials» am 20. Januar veröffentlichte neue Methode könnte schon bald auf existierenden Geräten in Flughäfen und Spitälern weltweit Anwendung finden.

Link zur vollständigen Medienmitteilung der EPF Lausanne

Herkömmliches Röntgenbild eines Hühnerflügels.

Mehr Details sind auf einem Dunkelfeld-Röntgenbild zu sehen.

Neue Erkenntnisse in der Supraleiter-Forschung

Publikation in «Science»

Neue Erkenntnisse zu den Ursachen des grauen Stars

Verklumpte Proteine (hier als Kugeln modelliert) trüben die Augenlinse beim grauen Star.

Ein Forschungsteam der Universität Fribourg und der EPF Lausanne hat mit Methoden und Erkenntnissen der Physik der weichen kondensierten Materie gezeigt, dass eine präzis eingestellte Balance von Anziehungskräften zwischen Proteinen die Augenlinse transparent hält. Schon kleine Änderungen in dieser Balance können eine Aggregation (Verklumpung) und Entmischung der Proteine hervorrufen. Das führt dann zur Bildung des grauen Stars, einer der weltweit verbreitetstsen Augenkrankheiten und wichtigste Ursache für Blindheit. Diese Forschungsresultate sind in der Ausgabe vom 9. November der Physical Review Letters publiziert worden. Zusätzlich zu den neuen Informationen über die Wechselwirkungen zwischen den Proteinen in der Augenlinse, hat die Studie Modellcharakter für weitere Untersuchungen über die molekularen Eigenschaften und Wechselwirkungen von Proteinen.

Erste Struktur eines Membranproteins der Rhesus-Familie bestimmt

Die entschlüsselte Struktur des Rhesus-Membranproteins.

Eine Forschungsgruppe des PSI hat in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern in England und Frankreich die erste atomare Struktur eines Rhesus(Rh)-Proteins entschlüsselt und damit das Wissen über diese auch für die Transfusionsmedizin wichtige Proteinfamilie wesentlich erweitert. Der Transport von Ammoniak durch Zellmembranen ist ein wichtiger biologischer Prozess und wird bei Bedarf durch spezielle Membranproteine reguliert. Bakterien, Pilze und Pflanzen benötigen Ammoniak als Stickstoffquelle und benutzen vorwiegend Membranproteine der Amt(Ammonium Transport)-Familie, um bei Stickstoffmangel die Aufnahmekapazität zu erhöhen. Bei Tieren sind hohe Ammoniak-Konzentrationen toxisch und die verwandten Rhesus-Membranproteine sind für den geregelten Transport von Ammoniak durch Zellmembranen zuständig.

Kontakt: fritz.winkler@psi.ch, Telefon +41 (0)56 310 42 58
Vollständiger PNAS-Artikel (PDF)

Ausflug in die wundersame Spiegelwelt

Alice im Wunderland - gibt es eine Spiegelwelt auch bei Materie?

In der Physik könnte Spiegelmaterie – nicht zu verwechseln mit Antimaterie – die beobachtete Symmetrieverletzung bei einigen Prozessen gewöhnlicher Elementarteilchen erklären. Damit die Symmetrie wieder stimmt, soll es sogenannte Spiegelteilchen geben, die genau die gleiche Masse haben wie die gewöhnlichen Elementarteilchen. Die Spiegelmaterie könnte Spiegelplaneten, Spiegelsterne und Spiegelgalaxien bilden und würde mit normaler Materie fast nur durch die Schwerkraft wechselwirken. Mit Hilfe dieser Idee liesse sich auch eine ganz andere Frage klären, die Astrophysiker seit langem umtreibt: Im Universum gibt es nachweislich grosse Mengen sogenannter «dunkler Materie». Diese Masse kann man anhand der Schwerkraft finden, doch sonst ist sie unsichtbar. Solche Ideen sind nur dann hilfreich, wenn man sie auch mit Experimenten nachprüfen kann. Die Gesetze der Physik würden - unter bestimmten Bedingungen - einen Übertritt von Materieteilchen in die Spiegelwelt erlauben, fast wie bei Alice im Wunderland.

Kontakte: manfred.daum@psi.ch, Telefon +41 (0)56 310 36 68;
klaus.kirch@psi.ch, Telefon +41 (0)56 310 32 78
Link zum PRL-Artikel oder als PDF

Die frühen Verwandten der Blütenpflanzen

Hochauflösende Phasenkontrast-Röntgenbilder von fossilen Samen

Die Entstehung der Blütenpflanzen gilt als grosses Mysterium der Botanik. Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung des Paul Scherrer Instituts (PSI) hat in der Ausgabe vom 22. November des Wissenschaftsmagazins «Nature» Ergebnisse veröffentlicht, welche die kontrovers diskutierte Frage neu beleuchten. Anhand von fossilen Pflanzensamen, die mit neuen dreidimensionalen und zerstörungsfreien bildgebenden Verfahren untersucht wurden, können die Wissenschaftler eine frühere Theorie bestätigen, die durch molekulargenetische Analysen in Zweifel gezogen wurde.

Link zur vollständigen Medienmitteilung

Schnitt durch einen fossilen Samen aus der frühen Kreidezeit. Die sehr komplexe innere Struktur des 120 Millionen alten Samenkorns wurde zerstörungsfrei mit der Phasenkontrast-Röntgenmikrotomografie an der TOMCAT-Strahllinie der SLS entschlüsselt (im Mikrometerbereich).		Hochauflösende bildgebende Verfahren wie die neue Phasenkontrast-Methode zur Untersuchung der fossilen Pflanzensamen werden an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) des PSI für zahlreiche Forschungsgebiete eingesetzt. (Foto: H.R. Bramaz/PSI)

Forschung ist weiblich

5. Nationaler Tochtertag am Paul Scherrer Institut

Das Paul Scherrer Institut (PSI) nutzte die Gelegenheit, den weiblichen Nachwuchs in der Forschung zu fördern. Und das Interesse der Angesprochenen war gross: Mehr als 60 Mädchen der 5. bis 7. Schulklasse begleiteten ihre Eltern zur Arbeit in die Labors, Experimentierstationen, Werkstätten und Büros. Das PSI hofft, damit vermehrt Frauen für wissenschaftliche und technische Berufe begeistern zu können. Die Schweiz braucht einen starken Nachwuchs auf diesen Gebieten, will das Land in der Forschung und Entwicklung an der Spitze bleiben.

Einblick in 13 verschiedene Berufe
Das PSI als grösstes nationales Forschungszentrum konnte den jungen Frauen attraktive Schauplätz vorstellen. Nachdem am Morgen Frau PD Dr. Margit Schwikowski in ihrem Vortrag „Chemie im Schnee von gestern: Gletscher als Umweltarchive“ die jugendlichen Besucherinnen zu fesseln vermochte, erhielten sie am Nachmittag Einblick in den Berufsalltag von 13 verschiedenen Berufen. An der grossen Forschungsanlage SLS (Physikerin), konnten sie z.B. selber experimentieren (Chemikerin, Chemielaborantin), zeichnen und fertigen (Konstrukteurin). Sie konnten auch spezielle Energieanlagen kennenlernen (Physiklaborantin), löten (Elektronikerin) sowie am PC grafisch gestalten (Polygrafin). Die breite Berufspalette am PSI wurde von den Mädchen als Überblick sehr geschätzt, wie Umfragen der vergangenen Jahre zeigten.

Zukünftige Forscherinnen in der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS). (Foto: Roland Keller/PSI)

Grosses Interesse am Tag der Neutronen des PSI

Das Publikum war beeindruckt von den winzigen Teilchen

Am Sonntag strömten rund 3500 Besucherinnen und Besucher ans Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen. Das interessierte Publikum erhielt dieses Jahr Einblick in die vielfältige Forschung mit Neutronen. Diese Bausteine der Atome stehen im Dienst der Wissenschaft. Als findige Spione spüren sie die Position und Bewegung von Atomen auf und lüften so geschickt viele Geheimnisse der Physik. Erzeugt werden die winzigen Teilchen an der Spallations-Neutronenquelle (SINQ) des PSI, einem riesigen Mikroskop, wo sie hauptsächlich für Versuche in den Materialwissenschaften, der Festkörperforschung und der Technik eingesetzt werden. Um ihre sorgfältig geplanten Missionen erfüllen zu können, müssen Neutronen inkognito im Dunkeln wirken. Am Sonntag hingegen machte das PSI eine Ausnahme und zeigte die breit gefächerte Arbeit der flinken Detektive der Bevölkerung. Zwar vermochte niemand einen der unzähligen Mini-Agenten von Auge zu erkennen, zu bestaunen waren jedoch all die Schauplätze, wo Neutronen genutzt werden - beispielsweise bei der Erforschung von Supraleitern, also Werkstoffen, die den elektrischen Strom verlustfrei leiten.

Dichtes Gedränge herrschte im Zelt, wo ein mit Supraleitern ausgerüstetes Gefährt der Uni Genf den Passagier schwebend und somit reibungslos über die Magnetschienen transportierte. Hintergrundinformationen über Supraleiter erhielt das Publikum an einer Showstation mit attraktiven Videos und vorgeführten Experimenten. Dass Neutronen nicht nur zur Entdeckung neuer Zukunftsmaterialien taugen, sondern auch zum Durchleuchten Jahrmillionen alter, versteinerter Dinosaurier und vieler anderer antiker Objekte, bewies das Team des Neutron Imaging. Eindrücklich präsentierten die Fachleute dieses bildgebende Verfahren, das dem PSI Messaufträge aus aller Welt beschert. Ausgebucht war auch das grosse Auditorium, wo die Ergebnisse von Studien mit Neutronen vorgestellt wurden, die den Ursachen des grauen Stars, einer verbreiteten Augenkrankheit, auf den Grund gehen. Renner an der Gastrophysik-Station, wo die Küche zum Labor wurde, war die mit flüssigem Stickstoff hergestellte Glace: Über 3000-mal ging eine Portion über den Verkaufstisch. Der Mix aus überraschenden Demonstrationen und informativen Präsentationen zur Forschung mit Neutronen hat dem Publikum sehr gefallen und es war beeindruckt, wie die vielen positiven Rückmeldungen bekunden.

Sanfte Fahrt auf dem SupraSurf, einem dank Supraleitern schwebenden Gefährt (der Uni Genf).	Dinos beim Durchleuchten: Präsentation des Neutron Imaging, eines Verfahrens zur zerstörungsfreien Untersuchung von Objekten aller Art.

Wichtige Protein-Struktur aufgeklärt

CAP-Gly-Domänen kontrollieren fundamentale Zellabläufe

Forschenden des Paul Scherrer Instituts (PSI) gelang es, Grundlagen der Funktionsweise von CAP-Gly-Domänen auf molekularer Ebene zu klären. Bei diesen Arbeiten in Kooperation mit Gruppen der Universitäten Rotterdam und Zürich wurde ein multidisziplinärer Ansatz verwendet unter Zuhilfenahme von biochemischen, zellbiologischen und biophysikalischen Methoden - u.a. der Röntgenstrukturanalyse an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) des PSI. Die erzielten Resultate werfen beispielsweise Licht auf die Ursachen zweier menschlicher Erbkrankheiten, zum einen das Hypoparathyroidismus-Retardation-Dismorphysmus-Syndrom sowie die spinale Muskelatrophie. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der angesehen Zeitschrift Nature Structural and Molecular Biology veröffentlicht (Band 14, Nr. 10, Seiten 959 - 967).

Viele biologische Prozesse in der Zelle werden durch Wechselwirkungen zwischen Proteinen kontrolliert. Diese sind oftmals aus einzelnen Bausteinen modulartig zusammengesetzt. Ein solches Modul ist die sogenannte CAP-Gly-Domäne, deren Existenz bereits seit 1993 bekannt ist. Obwohl schon seit langem vermutet wurde, dass CAP-Gly-Domänen eine wichtige Rolle bei fundamentalen Zellabläufen wie der Zellteilung und Zellmigration sowie dem intrazellulären Transport von Organellen und Vesikeln spielen, blieb ihre Funktionsweise bis heute weitestgehend ungeklärt.

NSMB-Artikel Structure-function relationship of CAP-Gly domains (PDF)

Grundstruktur einer entschlüsselten CAP-Gly-Domäne.

Neuer interimistischer Direktor am PSI

Führungswechsel am nationalen Forschungsinstitut

Am 1. September tritt Martin Jermann sein neues Amt als interimistischer Direktor des Paul Scherrer Instituts (PSI) an. Der langjährige Stabschef und Vizedirektor des PSI wird das Institut leiten, bis ein neuer Direktor eingesetzt ist. In seiner Amtszeit will der diplomierte ETH-Physiker (59) die Strategie des PSI weiterführen und die laufenden und geplanten Projekte und Forschungsarbeiten zielgerichtet umsetzen. Er löst Ralph Eichler ab, der als Präsident an die ETH Zürich wechselt. Der Professor für Physik, seit 2002 PSI-Direktor, hat dank seinem weit gespannten Beziehungsnetz das PSI auf dem nationalen und globalen Forschungsplatz erfolgreich situiert und die Zusammenarbeit mit den Hochschulen, Fachhochschulen und der Industrie entscheidend gefördert. Ebenfalls an die ETH Zürich zieht PSI-Kommunikationsleiter Beat Gerber. Er wird dort ab Herbst als persönlicher Referent des Präsidenten für Öffentlichkeitsbelange arbeiten.

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Willkommensgruss des neuen Direktors a.i. Bienvenue au PSI

Martin Jermann, neuer Direktor a.i. des PSI. Mit Klick auf die Bilder erscheint die hoch aufgelöste Version (ca. 2 MB).

Optimierung und Reparatur an Grossforschungsanlagen des PSI

Das Paul Scherrer Institut (PSI) führt zurzeit Massnahmen durch, um die Betriebsbedingungen an der Protonen-Beschleunigeranlage und den angeschlossenen Experimentiereinrichtungen zu verbessern. Diese Arbeiten wurden notwendig, weil im Kühlsystem der Spallations-Neutronenquelle (SINQ) eine technische Störung aufgetreten war. Im Rahmen der Reparatur wird in den kommenden Wochen ein Kühlkreislauf, der die SINQ und Magnete der Beschleunigeranlagen kühlt, mit Frischwasser gespült. Der zu reinigende Kreislauf ist infolge des Störfalls durch ein Leck mit Tritium (überschwerem Wasserstoff) verunreinigt worden. Es ist daher nötig, das kontaminierte Wasser durch inaktives Wasser zu ersetzen. Zu diesem Zweck wird der Kühlkreislauf gespült und das Spülwasser in die Aare abgegeben. Diese Lösung mit einer nicht-routinemässigen Abgabe von geringen Mengen Tritium wird als bestmögliche Sanierungsmassnahme betrachtet. Die Abgabe von Radioaktivität ins Aarewasser liegt weit unterhalb der gesetzlichen Limiten und stellt für Mensch und Umwelt keine Gefährdung dar. Die Spülung des Kreislaufs ist mit dem Bundesamt für Gesundheit (BAG), das die strahlenschutztechnische Aufsicht über die Beschleunigeranlagen am PSI wahrnimmt, abgestimmt worden.

Weitere Auskünfte:
Martin Jermann, Stabschef PSI, Tel. 056 310 27 18, martin.jermann@psi.ch
Informationen seitens des BAG: www.admin.ch/bag (unter Aktuell oder unter Themen/Strahlung.../News).

Millionen vernetzte Schalter im Netzwerk

Spezielle Molekülstrukturen für die Computerzukunft

Wissenschaftlern ist am Swiss Nanoscience Institute (SNI) ein weiterer wichtiger Schritt bei der Entwicklung funktionaler, adressierbarer supramolekularer Strukturen gelungen. Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI), der Universität Basel und der ETH Zürich haben eine Oberfläche mit Millionen von nanometergrossen Schaltern geschaffen. Diese Schalter aus Porphyrin-Molekülen lassen sich mit Hilfe eines Rastertunnel-Mikroskops einzeln aktivieren. Die Arbeit wurde im renommierten internationalen Wissenschaftsjournal «Angewandte Chemie» (International Edition) veröffentlicht.

Die Forscherteams aus Villigen, Basel und Zürich haben mit ihren Arbeiten eine gut definierte Anordnung supramolekularer Strukturen geschaffen, die sich individuell ansprechen lassen. Sie haben damit einen weitern Grundstein gelegt, um bestimmte technische Funktionen durch schnelle und kostengünstige Selbstorganisation von Molekülen zu kreieren. Solche supramolekularen Strukturen lassen sich beispielsweise für Datenspeicher nutzen, deren Speicherdichte damit um mehr als das Tausendfache erhöht werden kann. Ein weiteres mögliches Anwendungsfeld bilden komplexe, winzige Sensoren.

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Sequenz von Rastertunnelbildern im Abstand von 148 Sekunden: Auf einer Kupferoberfläche ordnen sich Porphyrin-Moleküle zu einem regelmässigen, porösen Netzwerk an. Gleichzeitig besetzen die Moleküle freie Poren (je ein Molekül pro Pore wird durch zwei helle Punkte dargestellt) und nehmen dabei eine von drei möglichen Positionen ein. Bei Temperaturen über minus 160° C springen die Moleküle spontan zwischen den Positionen (gekennzeichnet durch Pfeile). Bei niedrigeren Temperaturen kann die Position durch die Spitze eines Rastertunnelmikroskops kontrolliert gesteuert werden.

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Wichtiges Problem der Proteinfaltung gelöst

Coiled Coils sind schraubenartige Proteinstrukturen, die aus zwei bis fünf helikalen Polypeptid-Ketten aufgebaut sind. Sie spielen in vielen fundamentalen biologischen Prozessen wie der DNS-Transkription, in der zellulären Signalübertragung und im intrazellulären Transport eine wichtige Rolle. Zudem denkt man, dass über 7 Prozent aller Aminosäuren, die vom menschlichen Genom kodiert werden, an Coiled-Coil-Interaktionen beteiligt sind. Durch die Benutzung eines multidisziplinären Ansatzes haben Forschende am PSI in Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen in England, den USA und der Universität Zürich eine kurze Aminosäuresequenz entdeckt und charakterisiert, die sie die «Trigger-Sequenz» nennen und die für die Coiled-Coil-Faltung unentbehrlich ist. Die Arbeit stellt einen wichtigen Meilenstein für das Verständnis dar, wie sich die dreidimensionale Coiled-Coil-Struktur spezifisch bildet. Die Erkenntnisse könnten für die Entwicklung bioaktiver Proteine basierend auf dem Coiled-Coil-Motiv nützlich sein. Die Resultate wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.

PNAS-Publikation «Molecular basis of coiled-coil formation», Vol. 104, No. 17 (PDF)

Energie mit Zukunft

Klimaneutral, nachhaltig und auch bezahlbar

Das Paul Scherrer Institut (PSI) als grösstes Energieforschungsinstitut der Schweiz möchte der Politik und Wirtschaft Anstösse geben, in welche Richtung sich eine nachhaltige, effiziente und klimaneutrale Energieversorgung bewegen kann. Auf diesem Weg leistet die thematisch breite und fachlich vernetzte Forschung des PSI einen wichtigen Beitrag. Auch das vom PSI geführte Kompetenzzentrum Energie und Mobilität (CCEM) des ETH-Bereichs zielt mit seinen Projekten in die gleiche Richtung.

Unsere Energieversorgung ist nicht nachhaltig. Der Energieverbrauch in entwickelten Ländern ist hoch, in Schwellenländern wie China und Indien wächst er rasant. Die Vorherrschaft von Erdöl, Kohle und Erdgas bringt das Klima aus dem Lot, politische Spannungen verschärfen sich. Am PSI wurde untersucht, wie sich in der Schweiz das Energiesystem bis 2050 entwickeln könnte, um den Zielen einer nachhaltigeren Energieversorgung zu entsprechen. Eine energie- und CO₂-sparende Gesellschaft soll dabei wegweisend sein.

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Neutronen für Forschung und nukleare Entsorgung

Schlüsselexperiment für die Kerntechnik beendet

Megapie ist ein internationaler Pionierversuch am Paul Scherrer Institut (PSI), bei dem Neutronen durch Beschuss von Flüssigmetall mit einem Protonenstrahl erzeugt werden. Weltweit erstmalig ist die dazu eingesetzte hohe Strahlleistung im Bereich eines Megawatts. Energiereiche Neutronen lassen sich in zahlreichen Forschungsgebieten nutzen, grundsätzlich auch zum «Verbrennen» von nuklearem Abfall. Das Megapie-Experiment wurde kürzlich erfolgreich beendet und findet in der Fachwelt grosse Anerkennung.

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Link zu Hintergrundinformationen über Megapie (PDF-Dokument): Deutsch, English, Italiano
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Pixel-Chips auf der Suche nach dem Higgs

Weltpremiere für die Teilchenphysik kommt aus dem PSI

Der Countdown läuft. In einem Jahr soll der neue Ringbeschleuniger des CERN in Genf seinen Betrieb aufnehmen. Dann kommt auch ein neuartiger Detektor mit 50 Millionen Pixel zu seinem ersten Einsatz. Die Idee, solche winzigen Halbleiterelemente auf Siliziumchips anzuordnen und als Teilchendetektor zu verwenden, wurde am Paul Scherrer Institut (PSI) entwickelt und umgesetzt. Dort lief vor kurzem die Produktion von 720 Detektormodulen an. Diese werden bei der Suche nach dem mysteriösen Higgs-Teilchen eine zentrale Rolle spielen.

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Erfolgreiches Werkzeug für die Spitzenforschung

Die SLS ist seit fünf Jahren in Betrieb

Die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) wurde vor fünf Jahren in Betrieb genommen. Seither steht die Grossanlage des Paul Scherrer Instituts (PSI) Forschenden aus Universitäten und der Industrie offen. Die SLS ist gegenwärtig die fortschrittlichste Synchrotronlichtquelle der Welt. Sie erzeugt feinste und höchst intensive Lichtstrahlen. Damit können Wissenschaftler aus verschiedensten Disziplinen in bisher unerreichte Tiefen des Mikrokosmos vordringen und zum Beispiel die Struktur von Proteinen entschlüsseln oder die Eigenschaften von Supraleitern erkunden. Und das im Grössenbereich eines Tausendstelmillimeters.

Im Jahr 2005 haben 830 Wissenschaftler insgesamt 677 Experimente durchgeführt. Die Physiker, Chemiker, Biologen, Umwelt- und Geowissenschaftler stammen hauptsächlich aus der Schweiz und den benachbarten EU-Ländern. Und sie kommen gerne nach Villigen. Das zeigt die Belegung der SLS, die seit dem Start vor fünf Jahren mit vier Strahllinien stetig zugenommen hat. Derzeit sind zehn Strahllinien in Betrieb. Diese Experimentierstationen mit unterschiedlichen Möglichkeiten sind so begehrt, dass die Nachfrage nach Messzeit das Angebot mehrfach übersteigt. Bis ins Jahr 2010 sollen 20 Strahllinien in Betrieb sein.

Der angebotene Strahl ist sehr brillant und äusserst stabil, was bessere Ergebnisse bei den Experimenten ermöglicht. Diese Topqualität basiert auf neuen, vom PSI entwickelten Technologien, die inzwischen oft kopiert werden. Bereits hat sich der Bau der SLS in Form von zahlreichen Forschungsarbeiten ausbezahlt, die in renommierten Fachjournalen publiziert wurden. Auch ETH-Professor Timothy Richmond, der diesjährige Gewinner des Marcel-Benoist-Preises – er gilt als «Schweizer Nobelpreis» –, hat einige seiner komplizierten Chromosomen-Strukturen an der SLS aufgeklärt.

Innovationen für die Gesellschaft

Fortschritte bei den bildgebenden Verfahren

Bildgebende Verfahren bestimmen immer mehr die Fortschritte in Wissenschaft und Technik. Auch das Paul Scherrer Institut (PSI) ist bei der Erforschung solcher Verfahren an vorderster Front dabei. Diese Methoden kehren das Innere von Objekten visuell nach aussen und erlauben beispielsweise in der Medizin immer genauere Diagnosen. Auch können sie dazu beitragen, den Mechanismus gewisser Krankheiten wie Alzheimer oder Osteoporose besser zu verstehen. Weitere wichtige Anwendungen finden bildgebende Verfahren in der Materialforschung, wo sie entscheidende Resultate bringen und letztlich wie in der Medizin der Gesellschaft dienen.

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Nature-Physics-Artikel
Präsentation EUSJA-Studienreise