Wie ein riesiges UFO sieht die Forschungsanlage auf dem Gelände des Paul Scherrer Instituts aus. So exotisch das Gebäude von aussen wirkt, so einzigartig sind die Einblicke, die in seinem Innern gewonnen werden. Mit Hilfe erstklassiger Röntgenstrahlen untersuchen Forschende aus aller Welt kleinste Strukturen und entwickeln neue Materialien oder Medikamente.

Oliver Bunk in der SLS: Die Experimentierhalle hat einen Durchmesser von mehr als 130 Metern. Betonplatten schirmen den Teilchenbeschleuniger ab. Darin drehen Abermilliarden Elektronen in jeder Sekunde eine Million Runden. Werden sie durch Magnete abgelenkt, strahlen sie Synchrotronlicht ab. (Foto: Kellenberger Kaminski Photographie)

Radarwellen haben eine sehr lange Wellenlänge. «Damit können Sie die Ankunft eines Schiffs oder Flugzeugs verfolgen», erklärt der Physiker Oliver Bunk: «Um Kristalle, Moleküle oder Atome zu sehen, brauchen Sie Röntgenlicht mit sehr kurzer Wellenlänge.» Genau dieses produziert die Synchrotron Lichtquelle Schweiz, kurz SLS, am Paul Scherrer Institut (PSI) im aargauischen Villigen. Oliver Bunk ist Leiter des Labors für Makromoleküle und Bioimaging und sorgt unter anderem dafür, dass die Forschenden an der SLS hervorragende Rahmenbedingungen für ihre Arbeit vorfinden.

«Das PSI stellt Grossanlagen für Forschende in der Schweiz und weltweit zur Verfügung. Wir entwickeln, bauen und betreuen diese Anlagen», erklärt der Physiker und Forschungsmanager: «Weil unsere Wissenschaftler an allen Schritten beteiligt waren und die Methoden immer weiter entwickeln, gehört die SLS weltweit zu den besten derartigen Anlagen.» Die Experimentierzeit ist so hart umkämpft, dass die Anlage doppelt bis vierfach ausgelastet werden könnte, obwohl sie rund um die Uhr betrieben wird. «Auch wenn Sie am Sonntagmorgen um drei Uhr hier ankommen, werden Sie auf Nutzer treffen», sagt Oliver Bunk. Betreut werden die Forschenden aus aller Welt von PSI-Wissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern, die sich mit der Anlage bestens auskennen.

Foto: Kellenberger Kaminski Photographie

Herzstück der SLS ist ein Teilchenbeschleuniger, in dem Elektronen auf beinahe Lichtgeschwindigkeit gebracht werden. Dicke Betonplatten schirmen den Elektronenspeicherring ab, der einen Umfang von fast 300 Metern hat und die runde Form des Gebäudes bedingt. Darin rasen die Elektronen in einer Vakuumröhre eng gebündelt, bis sie an einem von 16 Punkten von Magneten abgelenkt werden und dabei Licht abstrahlen – «ein relativistischer Effekt gemäss Einstein», sagt Oliver Bunk. Dieses sogenannte Synchrotronlicht wird bei gut der Hälfte der 16 Strahllinien weiter verstärkt und gebündelt, bis bei den Messplätzen ein extrem stabiler Röntgenstrahl eintrifft, der nur halb so dick ist wie ein Haar.

Energiesparende Computerchips

Mit diesem brillanten Röntgenlicht untersuchen Forschende beispielsweise neue Materialien für Computerchips. Für Internet-Suchmaschinen oder soziale Medien braucht es Rechenzentren, die so viel Energie verbrauchen wie eine Grossstadt. Könnten die Halbleiter in den Mikrochips durch neues, supraleitendes Material ersetzt werden, liesse sich damit viel Strom sparen. Doch solche Materialien müssen zurzeit auf sehr tiefe Temperaturen abgekühlt werden, damit sie den Strom tatsächlich ohne Widerstand verlustfrei leiten. Bei normalen Betriebstemperaturen wird der Stromfluss hingegen sehr schwerfällig.

Foto: Kellenberger Kaminski Photographie

Die Ursachen für diesen erschwerten Stromfluss untersuchte ein Team des PSI gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der ETH Zürich und des japanischen Forschungsinstituts RIKEN. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler durchleuchteten eine Materialprobe, die aus einer Kombination von Oxiden, also komplexen Verbindungen von Metallen mit Sauerstoff, bestand. Mit Hilfe des Synchrotronlichts konnten sie den Stromfluss in der Grenzfläche zwischen den beiden Oxiden messen und feststellen, wie sich dabei das Materialgerüst verzerrte. Das gleiche Phänomen führt bei tiefen Temperaturen zur Supraleitung.

Diese Erkenntnisse, die das Team im Januar 2016 in der Fachzeitschrift «Nature Communications» veröffentlichte, sollen helfen, ähnliche Materialien gezielt so zu verändern, dass sie auch bei höheren Temperaturen den Strom verlustfrei leiten. Eine an der Studie beteiligte PSI-Wissenschaftlerin ist inzwischen an der Empa tätig. «Sie dürfen aber nicht erwarten, Mikrochips aus solchen Materialien schon nächstes Jahr in ihrem Computer oder Smartphone zu finden», warnt der Fachmann, «wir betreiben hier vor allem Grundlagenforschung, die sich in zehn oder zwanzig Jahren auszahlt.»

Bessere Medikamente

Selbst forscht Oliver Bunk vor allem an bildgebenden Verfahren, die für die Biologie und Medizin ebenso wichtig sind wie für die Materialwissenschaften. «Es ist faszinierend, wie die Natur zum Beispiel Knochen oder Zähne aus sehr einfachen Bausteinen aufbaut und so strukturiert, dass sie höchsten Qualitätsanforderungen entsprechen», erklärt der Physiker. Zusammen mit Zahnmedizinern konnte er feststellen, wie bei Zähnen Mikrorisse an Grenzschichten aufgehalten werden – ein Grund für die Stabilität des Materials. Die Untersuchung von Knochenproben soll helfen, bessere Implantate zu entwickeln oder Fortschritte bei der medikamentösen Behandlung von Osteoporose zu erzielen. Biomediziner der ETH Zürich zählen denn auch zu den regelmässigen Benutzern der Anlage.

Seit die SLS 2001 in Betrieb genommen wurde, klären Biologinnen und Biologen damit auch die Struktur von Proteinen auf. «Diese komplexen Moleküle sind kleine Maschinen in unserem Körper, die an allen Lebensfunktionen beteiligt sind», erklärt Oliver Bunk. Die Untersuchung von Proteinen ist ebenfalls Thema der Grundlagenforschung, sie interessiert aber auch die Medizin und die Pharmaindustrie, da viele Krankheiten auf Fehlfunktionen dieser Eiweissmoleküle beruhen. Die Strukturaufklärung dient dem besseren Verständnis dieser Krankheiten und der Entwicklung neuer Medikamente. Eine Strahllinie wurde denn auch zur einen Hälfte von Novartis und Hoffmann La Roche finanziert, zur anderen durch die deutsche Max Planck Gesellschaft. Eine weitere realisierte das PSI gemeinsam mit schweizerischen und internationalen Pharmafirmen.

«In der Strukturbiologie sind wir besonders gut», so Oliver Bunk. Eine der von Anfang an betriebenen Strahllinien hält sogar einen Rekord: Mit ihr konnten Forschende europaweit die meisten Proteinstrukturen bestimmen, die jetzt in einer internationalen Datenbank gespeichert sind.

Ein 3D-Mikroskop macht Details in der Grösse einiger Nanometer sichtbar – dank des Synchrotronlichts. Die Probe wird dabei nicht zerstört. (Foto: Kellenberger Kaminski Photographie)

Neu entwickelt haben die PSI-Forschenden ein 3D-Mikroskop, das Proben wie ein Tomograph abbildet, ohne sie zu zerstören. Das Synchrotronlicht ermöglicht dabei eine Auflösung im Nanometerbereich (Millionstel Millimeter). Ein Bild in der Halle zeigt die feine Struktur von porösem Glas. «Wenn dies ein menschliches Haar wäre, würde das Bild die ganze Halle füllen», sagt Oliver Bunk. Mit dem 3D-Mikroskop lassen sich beispielsweise Gewebeproben untersuchen, um das Zellwachstum zu studieren.

Spin-off-Firma liefert Detektoren

Einen bedeutenden Erfolg verzeichnete das PSI aber auch mit der Entwicklung neuer Röntgendetektoren. «Lange Zeit hatte man zwar brillante Röntgenquellen und gute Experimente, doch die Hochgeschwindigkeitskamera fehlte, die genau nachweisen konnte, was dabei wirklich passierte», erzählt der Physiker. Da kamen den PSI-Forschenden die Erfahrungen zugute, die sie beim Bau eines Detektors für das Teilchenphysikzentrum CERN in Genf gemacht hatten. Die Ideen liessen sich übertragen, auch wenn die Weiterentwicklung Jahre dauerte. 2006 wurde das Spin-off DECTRIS gegründet. Heute hat dieses Unternehmen in Baden-Dättwil über 60 Mitarbeitende und verkauft seine Geräte weltweit. «Diese Röntgendetektoren haben die Forschung revolutioniert», sagt Oliver Bunk.

«Momentan können wir international noch sehr gut mithalten», sagt der Experte. Doch eine nächste Generation von Synchrotronlichtquellen ist in Entwicklung. Um auch in Zukunft zur Weltspitze zu gehören, plant das PSI einen Upgrade unter dem Namen SLS 2.0. Dieses Vorhaben gehört auch zu den strategischen Projekten des ETH-Bereichs. «Das heisst nicht, dass wir hier alles abreissen», versichert Oliver Bunk. Vorgesehen ist, die Lichtquelle, also den Beschleuniger, auszutauschen. «Die Strahllinien, die einen erheblichen Teil der Arbeit und des Finanzkapitals darstellen, bleiben bestehen», sagt der Physiker.