"FLASH" war und ist der erste Freie-Elektronen-Laser (FEL), der ultraviolettes Licht und weiche Röntgenstrahlung in laserartiger Qualität erzeugt und das bei besonders hohen Wiederholraten der Lichtblitze. Diese Lichtblitze sind so intensiv und kurz, dass sich damit chemische Reaktionen auf Molekularebene wie in einem Film verfolgen lassen. Moleküle sind chemische Verbindungen aus zwei oder mehreren Atomen – den kleinsten Bausteinen unserer Materie. Mit den Erkenntnissen aus der „Nanowelt“ können Forschende Materialien verbessern, neue Medikamente entwickeln und vieles mehr. Das Bundesforschungsministerium fördert daher die Forschung an sogenannten Großgeräten wie FLASH am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg-Bahrenfeld.

Seit 2016 treibt der FLASH-Beschleuniger, als damals erste Anlage weltweit, zwei Freie-Elektronen-Laser an. FLASH1 und FLASH2 können parallel mit unterschiedlichen Strahlparametern (z. B. Wellenlänge der Lichtblitze) betrieben werden, sodass zeitgleich zwei verschiedene Experimente durchgeführt werden können. Etwa 250 Forschende aus aller Welt reisen Jahr für Jahr zum DESY, um mithilfe von FLASH aktuelle Forschungsfragen zu beantworten. Warum geht ein Katalysator nach einer bestimmten Zeit kaputt, wie kann man seine Lebensdauer erhöhen? Welches Material kann zu verbesserter Energiegewinnung, welches zur schnelleren Datenspeicherung beitragen?

Kleinste Partikel und Zellen durchleuchten

Um diese Fragen zu beantworten, muss man tief in die Welt der kleinsten Partikel und Zellen eindringen. Lange war kein Mikroskop in der Lage, diese nur millionstel Millimeter großen Molekülverbünde oder deren ultraschnelle Bewegungen sichtbar zu machen. Mit "FLASH", dem weltweit ersten Freie-Elektronen-Laser, der ultraviolettes und weiches Röntgenlicht in Laserqualität erzeugt, wurden derartige „Film“-Aufnahmen in der Nanowelt möglich. Seit 2005 forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der ganzen Welt an dieser Pionieranlage beim DESY in Hamburg.

FLASH filmt chemische Reaktion in Echtzeit

Bis zu 8000 Blitze pro Sekunde kann die Highspeed-Kamera "FLASH" produzieren. Diese Lichtpulse sind billiardstel Sekunden kurz, ebenso kurz wie viele chemische Reaktionen im Molekularbereich. Indem man mit "FLASH" unzählige Bilder der einzelnen Reaktionsstadien aufnimmt und anschließend nebeneinanderlegt, entsteht ein Film der chemischen Reaktion in Echtzeit – quasi wie ein ultraschnelles Daumenkino. Dieser Effekt ähnelt der Serienbildfunktion eines Fotoapparats. Allerdings schießt eine herkömmliche Digitalkamera im Durchschnitt gerade einmal 25 Bilder pro Sekunde, da wäre schon innerhalb eines Bildes die ganze Reaktion vorbei.

FLASH erzeugt ultrakurze Röntgenlichtblitze

"FLASH" ist kein gewöhnlicher Laser: Die Anlage erzeugt ihre Lichtpulse mithilfe eines etwa 250 Meter langen Linearbeschleunigers. Darin werden Elektronen über intensive elektrische Hochfrequenz-Felder fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Eine Anordnung von Magneten (Undulatoren) zwingt die Elektronen am Ende auf einen Slalomkurs. In jeder Kurve senden die Elektronen dabei Lichtteilchen – die sogenannten Photonen –aus, die sich überlagern und ähnlich wie beim Laser im Gleichtakt schwingen. Durch die Verstärkung entstehen intensive und ultrakurze Röntgenlichtblitze.

Bessere Materialien, neue Medikamente

Die Technologie von "FLASH" ist für verschiedene wissenschaftliche Disziplinen attraktiv. Vor allem Forschende aus den Materialwissenschaften, der Chemie und der fundamentalen Physik nutzen das Großgerät. Mit ihren Erkenntnissen über die Beschaffenheit von Nanopartikeln, ultraschnellen Ladungsträger-Transport oder auch katalytische Reaktionen auf Oberflächen lassen sich Materialien verbessern – und beispielsweise effizientere Solarzellen oder günstigere Katalysatoren entwickeln.

"FLASH" selbst ist Vorbild für den Bau und Betrieb anderer Freie-Elektronen-Laser auf der ganzen Welt. Von den Erfahrungen mit "FLASH" profitierte insbesondere der europäische Röntgenlaser European XFEL, der in Hamburg und Schenefeld gebaut wurde und seit 2017 im Nutzerbetrieb ist. Der European XFEL und "FLASH" ergänzen sich, da der European XFEL brillantes Laserlicht im harten Röntgenbereich liefert.

Unter dem Namen "FLASH2020+" laufen aktuell Ausbaumaßnahmen und technologische Verbesserungen von FLASH. Diese Erweiterungen des Beschleunigers, der Lasersysteme und der Experimente werden weitere Anwendungsfelder für einen noch breiteren wissenschaftlichen Nutzerkreis eröffnen.

Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung beabsichtigt, die Leistungsfähigkeit und das Anwendungsspektrum von "FLASH" kontinuierlich zu erweitern. Im Rahmen der Verbundforschung förderte es im Zeitraum 2017 bis 2021 insgesamt 26 Projekte mit einer Gesamtsumme von 10,3 Millionen Euro. Empfänger dieser Zuwendungen sind Forschungsgruppen an deutschen Hochschulen, die neue Geräte und Methoden an "FLASH" entwickeln. Darüber hinaus wird der Betreiber DESY als Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft vom Bundesministerium für Bildung und Forschung institutionell finanziert; im Jahr 2022 in einer Höhe von 285 Millionen Euro.