Kæmpe røntgenlaser tager 27.000 billeder i sekundet
Atomers bevægelser kan filmes af verdens største røntgenlaser, som nu indvies i Hamborg.
XFEL x-ray røntgen hamborg accelerator

European XFEL-laseren ligger i tunneler under jorden. Den 1,7 km lange partikelaccelerator sætter elektroner i ekstremt høj fart. (Foto: European XFEL / Heiner Müller-Eisner)

Den kan tage 27.000 billeder i sekundet og har kostet over 8 milliarder kroner at bygge.

Fredag indvies verdens hidtil største røntgenlaser i Hamborg lige syd for Danmark. Laseren hedder European XFEL, og den kæmpemæssige maskine har flere danske forskere i spidsen.

»Det er rigtig vildt. Det er en meget meget stor videnskabelig chance,« siger Philip Hofmann, professor i fysik ved Aarhus Universitet, og en af de forskere, der snart kan få glæde af de nye faciliteter.

Åbner for ny erkendelse

En af de helt vigtige egenskaber ved XFEL er, at den kan tage billeder af atomer, så man kan følge deres bevægelser.

Historien kort
  • European XFEL er en røntgenlaser, der ligger i Hamborg i Tyskland, men er blevet til i et samarbejde med en række europæiske lande, heriblandt Danmark.
  • Den vil kunne hjælpe forskere til at nærstudere kemi i kroppen, sygdomme, teknologi og forhold i det ydre rum. 

For at fange disse billeder, skal kameraet have en lukketid på helt ned til 10-14 sekund. Altså 0,00000000000001 sekund.

Det er rekordhurtigt og får lukketiden i et almindeligt kamera til at ligne en ren sneglebevægelse.

»Det betyder, at man kan følge en kemisk reaktion over tid. Det vil føre til helt nye erkendelser,« forklarer danske Robert Feidenhans’l, professor i fysik og siden januar 2017 direktør for European XFEL.

XFEL viser processen

Normalt kan man kun undersøge forskellige stoffer, når den kemiske reaktion, som har skabt dem, er færdig.

En kemisk reaktion forløber i løbet af meget (meget, meget) kort tid, og derefter kan man studere resultatet - et nyt molekyle. Men med XFEL kan man nu se processen.

»Hvis du forestiller dig en fodboldkamp. FC Nordsjælland har vundet 3-0 over FCK (hypotetisk eksempel, er ikke udtryk for forskerens klubtilhørsforhold (det er Sønderjyske), red.). Det kan du læse i avisen dagen efter. Men nu kan du også se selve kampen og analysere, hvordan det endte med dette resultat. Det er det, vi kan nu. Vi kan se, hvordan molekylerne opfører sig undervejs,« fortæller Robert Feidenhans’l.

XFEL Røntgenstråle x-ray hamborg femtochemistry

Ultrakorte røntgenpulser giver enkeltbilleder af kemiske reaktioner, som kan sammensættes til en stop-motionfilm af reaktionen, så man kan se den i slow motion. (Foto: European XFEL / Rey.Hori)

Elektroner i ekstrem fart

XFEL står for X-ray Free Electron Laser. Navnet indikerer, at maskinen skyder elektroner op i ekstrem høj fart, så de udsender stråling.

Strålingen bliver herefter forstærket, og til sidst er resultatet en meget kort og intens røntgenstrålepuls.

Hver puls kan give et billede af det, pulsen rettes mod, og som man ønsker at studere - for eksempel atomerne i et lægemiddel, en plante eller et elektronisk apparat.

En lignende teknologi findes andre steder i verden, blandt andet på Stanford University i Californien. Forskellen mellem Stanfords røntgenlaser og den nye laser i Hamborg er, at XFEL er superledende.

European XFEL

European X-ray Free Electron Laser er en forskningsfacilitet, som kan bruges til at studere atomer og andre af Jordens bittesmå bestanddele.

Flere forskellige videnskabelige felter vil få gavn af faciliteten, herunder medicin, farmaci, kemi, materialevidenskab, nano- og energiteknologi og elektronik.

Inden for eksempelvis energiforskning kan facilitetens røntgenstråling bruges til at studere processerne, der forekommer i solceller, og derved forbedre vores forståelse af fotosyntese.

Kilde: UFM og xfel.eu

Det betyder, at den avancerede laser kører ved meget lav temperatur – minus 271°C. – og på den måde kan man undgå energitab for elektronerne.

»Så hvor laseren i Stanford leverer 100 pulser i sekundet, kan XFEL levere 27.000 pulser i sekundet. Det betyder 27.000 billeder per sekund, som altså giver unikt indblik i molekylære processer,« siger Robert Feidenhans’l.

Tung dansk indflydelse

XFEL har kostet 1,22 milliarder euro, altså omkring ni milliarder kroner.

Den er bygget i et samarbejde mellem flere europæiske lande. Tyskland har finansieret 57 procent, Rusland omkring 25 procent og en række andre lande har givet mellem 1 og 3 procent. Heriblandt også Danmark, som har givet 1 procent til opførelsen af XFEL, svarende til cirka 100 millioner kroner.

Philip Hofmann fra Aarhus Universitet mener, at Danmark har gjort en god investering:

»Det er gigantisk mange penge, men det her er fundamentalt nyt og vil give helt nye videnskabelige muligheder. Det er en revolutionerende teknik, og man skal være med til sådan noget,« siger han.

Udover at være med til at finansiere projektet har Danmark også fået indflydelsesrige poster i ledelsen. Martin Meedom Nielsen fra Danmarks Tekniske Universitet er bestyrelsesformand, og Robert Feidenhans’l, som tidligere var institutleder på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, er direktør for European XFEL.

XFEL X-ray røntgen hamborg free electron

Hele anlægget er 3,4 km langt, og tunnelen ligger mellem 6 og 38 meter under jorden. (Foto: European XFEL)

Hvem kan bruge XFEL?

Efter sin åbning fredag vil European XFEL være en forskningsfacilitet, som står til rådighed for forskere fra hele verden. De første 14 projekter er blevet godkendt og står nu i kø til at bruge laseren.

Philip Hofmann fra Aarhus Universitet skal eksempelvis ned til Hamborg og bruge en af XFEL’s faciliteter, den noget mindre FLASH, som kan det samme som XFEL, dog knap så avanceret. 

Danmark og XFEL

Udover at bidrage med 1 procent til konstruktionen af XFEL (cirka 100 millioner kroner), bidrager Danmark også med 1 procent af driftsomkostningerne. Anlægget vil koste omkring 870 millioner kroner (118 millioner euro) årligt.

Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har sammen med en virksomhed udviklet, fremstillet og installeret komponenter for 39 millioner kroner til anlægget.

Kilde: UFM og Robert Feidenhans'l, direktør for European XFEL

Med den skal han og hans kolleger undersøge materialet grafen. Grafen er et ultratyndt materiale, som består af kulstofatomer, og mange har udråbt grafen til at være et rent mirakelmateriale, blandt andet på grund af sin bemærkelsesværdige evne til at lede elektrisk strøm.

Philip Hofmann og hans hold er specifikt interesserede i at se på, hvordan kulstofatomerne i grafen bevæger sig, og det giver XFELs faciliteter mulighed for, forklarer han.

»Vi vil kunne se, hvordan elektronernes bevægelser får atomerne til at vibrere. Det vil give os en forståelse for, hvordan elektronerne taber energi, når de løber gennem materialer. Det vil sige, hvorfor elektrisk strøm taber energi over afstand. Og i sidste ende kan vi måske finde ud af, hvordan man undgår det tab,« siger Philip Hofmann.

Andre forskere vil eksempelvis kunne bruge European XFEL til at nærstudere kemiske reaktioner i kroppen, detaljer i vira eller processer i planeters indre.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud