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Rubrik: Tagesberichte
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Publiziert: 21.12.2006 06:00

Fünf Jahre Synchrotron Lichtquelle Schweiz
Quelle der Einsicht

Das Paul Scherrer Institut feierte 2006 das fünfjährige Bestehen der Synchrotron Lichtquelle Schweiz. Wissenschaftler aus der ganzen Welt reisen mittlerweile an die SLS nach Villigen (AG) um mit unterschiedlichen Analysemethoden ihre Proben zu erforschen. ETH Life begab sich für einen Augenschein vor Ort und wollte wissen, ob die hohen Erwartungen erfüllt werden konnten, die den Bau des SLS vor fünf Jahren begleitet hatten.

Samuel Schlaefli

Die zwanzigminütige Busfahrt von Brugg nach Villigen führt an verschlafenen Dörfern, weitläufigen Äckern und mageren Kuhweiden vorbei. Doch plötzlich, in starkem Kontrast zur Umgebung, offenbart sich dem erstaunten Erstbesucher urplötzlich das Wahrzeichen des Paul Scherrer Instituts (PSI) (1): Ein futuristisches Gebäude in Form eines gigantischen Donuts. Die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) (2) besteht aus einem zentralen Kernturm, der die Kommandozentrale sowie Büros für 80 Mitarbeiter trägt, und einem Ring, der punkto Volumen einem Flugzeughangar in nichts nachsteht. Wissenschaftler aus der ganzen Welt tragen ihre Proben zur Analyse hierhin ins Aargauische Villigen.

2001 wurde die SLS in Betrieb genommen, nachdem sich der Bund, die ETH und das PSI vor 15 Jahren für den Bau einer Schweizer Synchrotronquelle entschieden hatten. Seither haben mehr als 2000 Wissenschaftler mit Hilfe der Anlage einen tieferen Einblick in die Materie erhalten.

In einem mit Betonwänden auf alle Seiten hin abgeschirmten Ring von 288 Metern Länge, welcher sich in engem Radius um den zentralen Büroturm erstreckt, pulsiert die alles versorgende Hauptschlagader der SLS. Im Ring werden Elektronen unter Vakuum so stark beschleunigt, dass diese unter dem Einwirken von Elektromagneten Synchrotronlicht ausstrahlen. Synchrotronlicht zeichnet sich durch eine enorm hohe Strahlungsintensität aus, die zum Durchleuchten von Materie im Mikro- und Nano-Bereich genutzt wird. Der Elektronenring speist zehn so genannte Beamlines mit Synchrotronlicht. Die Baucontainer-ähnlichen Beamlines sind gleichmässig um den Ring verteilt und beherbergen verschiedene Räume: Einen Messraum mit der Analyseapparatur, zum Beispiel einem Tomographen oder einem Diffraktometer, welche die Strahlung für eine spezifische Analyseanwendung nutzbar macht und Büroräume, gepackt mit Computern zur Steuerung der Messung.

Datenschweres Knochen-Durchleuchten

Eine von Materialwissenschaftlern häufig genutzte Apparatur ist die „X-ray Tomographic Microscopy station“ (XTM). Die Funktion dieses Geräts kann mit einem aus dem Spital bekannten Computertomographen verglichen werden. Während der Röntgenstrahl-Tomograph im Spital beim Erkennen von Tumoren oder Gehirnveränderungen behilflich ist, kann mit der XTM das Innenleben von Stoffen bis auf ihre Mikrostrukturen hin untersucht werden.

Romain Voide präpariert hier an der XTM seine Probe für die Hochleistungstomographie. Er ist Doktorand am Institut für Biomechanik (IfB) (3)der ETH Zürich und arbeitet seit drei Jahren an einem Bone Phenotyping-Projekt, welches die Geometrie und Mechanik von Knochen untersucht. Für das heutige Experiment entnahm er Mäusen mit unterschiedlichem genetischen Hintergrund Oberschenkelknochen. Er wird die zwei Zentimeter langen Knöchelchen unterschiedlich stark mit Gewicht belasten und mit der XTM die Veränderung der inneren Knochenstrukturen untersuchen. Schliesslich wird er den Knochen brechen um die Bruchstelle genau zu vermessen. Der SLS-Tomograph wird ihm für seine insgesamt acht Messungen rund 150 Gigabyte an Daten liefern, vor allem Bilder und Zahlenkoordinaten, die er zu einem späteren Zeitpunkt im Labor auswerten wird. Unter Miteinbezug von weiteren Studien, soll die Datenauswertung Rückschlüsse von der DNA der Mäuse auf das Bruchverhalten ihrer Knochen ermöglichen. Sie könnten zu verbesserten Methoden in der Osteoropose-Diagnostik führen und die Entwicklung neuer Therapien ermöglichen. „Früher hätte ich für diese Untersuchungen nach Grenoble, Hamburg oder gar in die USA fahren müssen“, erzählt Voide und freut sich ab der exzellenten Auflösung der Analysebilder, die ihm die SLS ermöglicht - 30 Minuten Autofahrt von der ETH entfernt.

Präzisionsarbeit im Mikrometer-Bereich: Romain Voide (r) und Marco Stampanoni beim Einsetzen der Probe in die XTM. gross

Hochaufgelöste Bilder im Mikrobereich

Marco Stampanoni ist Leiter der Gruppe Röntgentomographie an der SLS. Er leitet ein eigenes Forschungsteam und ist für die Betreuung der externen SLS-Benutzer zuständig. Stampanoni, ehemals selber Doktorand an der ETH, hilft Voide bei der Kalibrierung der Messgeräte an der „Beamline“. Über vier Bildschirme im Büro steuert er den Tomographen im Nebenraum. Immer wieder muss er aber auch Justierungen am Gerät selber vornehmen. „Bei Messungen im Mikrobereich muss die Probe extrem genau positioniert werden, damit das Synchrotronlicht genau auf die zu untersuchende Stelle trifft“, erklärt Stampanoni.


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Blick vom Elektronenring in die weitläufige Halle der SLS. Im Vordergrund: Die Betondeckel des 288 Meter langen Elektronenbeschleunigers. gross

Zwei Stunden nach Voides Ankunft am PSI kann die erste Messung vollzogen werden. Eine schrille Sirene verweist darauf, dass die Türe zum Analyseraum bei Inbetriebnahme des Synchrotronlichts abgeriegelt werden muss. Wie beim Röntgen im Spital soll eine Strahlenexposition der Untersuchungsleiter verhindert werden. Die Probe wird sich nun schnell um 180 drehen und dabei tausendmal während zwei Sekunden mit der Synchrotronstrahlung belichtet. Diese intensive Belichtung ist nötig um dreidimensionale, hochaufgelöste Bilder im Bereich bis zu einem Mikrometer zu erhalten.

„Ein wundervolles Gerät“

Voides Knochenuntersuchungen sind nur eine von vielen Anwendungsmöglichkeiten des Synchrotronlichts. Andere Teams betreiben Grundlagenforschung, untersuchen zukunftsträchtige Materialien oder analysieren Proteine für die gezielte Entwicklung von Arzneimitteln. Timothy Richmond zum Beispiel hat die Struktur von winzigen Protein-Kristallen an der SLS aufgeklärt. Er ist ETH-Professor am „Institute of Molecular Biology and Biophysics“ und der diesjährige Gewinner des Marcel-Benoist-Preis. Richmond war bereits vor Inbetriebnahme der SLS in die Entwicklung der Kristallographie-„Beamline“ involviert. Seine Leistungsspezifikationen, die er ursprünglich für das Gerät aufgestellt hatte, wurden beim Start am 1. August 2001 übertroffen: „Sie können mir bei Ihrem Artikel sämtliche Superlative in den Mund legen wenn es um die SLS geht. Die SLS ist ein wundervolles Gerät“, so Richmond auf Anfrage. Früher musste er für seine Messungen oftmals ans ESRF nach Grenoble reisen, heute nutzt er für die Kristallographie nur noch die SLS. „Unsere Arbeit wäre ohne SLS gar nicht mehr vorstellbar“, so Richmond. „Von unserem Team ist sicher einmal pro Monat jemand in Villigen - unsere eigenen Röntgengeräte im Labor nutzen wir nur noch für die Schulung.“

Internationales Renommee

Die SLS-Tomographiestation gehört laut Stampanoni mit Routineexperimenten bei einer Auflösung im Mikrometer-Bereich zu den leistungsstärksten Apparaturen der Welt: „Die SLS hat sich in den vergangenen fünf Jahren durch die fortschrittliche Technologie, das Know-how vor Ort und die Benutzerfreundlichkeit einen einzigartigen Ruf in Europa erarbeitet.“ Wissenschaftler aus ganz Europa stellen heute rund 50 Prozent der SLS-Benutzer. Der Rest kommt vorwiegend aus der Schweiz: 25 Prozent alleine aus dem PSI, weitere 30 Prozent von Schweizer Hochschulen, davon rund 14 Prozent von der ETH Zürich. Die SLS hat sich aber auch ausserhalb Europas einen Namen gemacht. So gelang 2006 einem internationalen Team mit Wissenschaftlern aus England, Schweden und China die Rekonstruktion der inneren Struktur eines 500 Millionen Jahre alten Embryos (4). Das Innenleben der versteinerten Embryos von nur 500 Mikrometer Durchmesser konnte in bestechender Auflösung wiedergegeben werden, ohne dabei das Objekt zerstören zu müssen, wie dies etwa bei der Mikroskopie früher der Fall war. Die dreidimensionalen SLS-Bilder der Embryos schafften es bis auf die Titelseite des Wissenschaftsmagazins „Nature“. Weitere 135 wissenschaftliche Publikationen entsprangen alleine im Jahr 2005 den Untersuchungen an der SLS.

Ein Blick in die Anfänge des Lebens: Durch Synchrotronlicht konnten bisher unzugängliche Details aus dem Inneren des versteinerten Embryos dargestellt werden. gross

Der Ausbau der SLS geht weiter. Bis 2011 sollen 18 Beamlines in Betrieb sein, um der wachsenden Nachfrage, welche das Angebot zurzeit um das Dreifache übersteigt, gerecht zu werden. Zudem sollen weitere Anwendungen des Synchrotronlichts angeboten werden. Eine neue Ära könnte an der SLS laut Timothy Richmond bald auch die vom PSI entwickelten Pixel-Detektoren einläuten. Damit könnte die Auflösung der Analysebilder nochmals stark verbessert werden, unter gleichzeitigem Einsparen von Analysezeit. Ein vergleichbares Modell des PSI wird auch beim neuen Ringbeschleuniger des CERN in Genf in Einsatz kommen. Noch sind die Entwickler bei der Anwendung an der SLS mit der Konfiguration der Software beschäftigt. Doch es dürfte sich nur um eine Frage der Zeit handeln, bis die SLS damit weitere Wissenschaftler mit internationalem Renommee ins beschauliche Villigen locken wird.


Literaturhinweise:
(1) Paul Scherrer Institut: www.psi.ch
(2) Synchrotron Lichtquelle Schweiz: http://sls.web.psi.ch
(3) Institut für Biomechanik: www.lfb.ethz.ch
(4) Abstract zum Paläantologie -Forschungsprojekt: www.nature.com/nature/journal/v442/n7103/abs/nature04890.html



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