Am 9. Oktober 2026 arbeitet eine Forschungsgruppe der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) an einer Idee, die bislang nach Großforschung klingt: Röntgenlaser, die nicht mehr kilometerlange Tunnel und milliardenteure Anlagen brauchen, sondern in einen gewöhnlichen Laborschrank passen könnten. Das Konzept entstand im Projekt „Nexlight“ beziehungsweise „NEXLIGHT – Next-Generation X-Ray Laser Light Sources“ unter Leitung von Prof. Dr. Bernhard Hidding, dem Leiter der HHU-Arbeitsgruppe Starkfeld-Laserphysik.

Röntgenlaser verbinden zwei Eigenschaften, die sonst getrennt auftreten: Röntgenstrahlung kann Materie durchdringen, breitet sich herkömmlich aber ungeordnet in verschiedene Richtungen aus. Laserlicht ist dagegen kohärent und gebündelt. Mit solchen Röntgenlasern lassen sich dreidimensionale Zellstrukturen untersuchen, atomare Virusstrukturen für die Entwicklung von Wirkstoffen sichtbar machen, chemische Reaktionen filmen und neue Datenspeicher oder Computerchips entwickeln.

Plasma statt kilometerlanger Beschleunigertunnel

Die heute üblichen Freie-Elektronen-Laser, kurz XFELs, nutzen hochenergetische, beschleunigte Elektronen. Unter bestimmten Bedingungen senden diese hochintensive, kurzwellige Strahlung im Röntgenbereich aus. Herkömmliche Anlagen beruhen auf kilometerlangen Teilchenbeschleunigern und gehören zu milliardenteuren Großforschungsinfrastrukturen – weltweit gibt es sie nur an wenigen Standorten.

Das Düsseldorfer Verfahren setzt an einer anderen Stelle an. Laserstrahlen erzeugen Plasmen; darin werden Teilchen auf extrem kurzen Strecken beschleunigt. Nach Angaben Hiddings könnten Teilchenbeschleuniger dadurch bis zu tausendmal kompakter gebaut werden. Zugleich sollen Elektronenstrahlen mit bis zu 100.000-fach höherer Brillanz entstehen. Das ist keine kleine Verkleinerung, sondern eher der Unterschied zwischen einer kilometerlangen Anlage und einem Gerät, das im Labor nicht gleich den halben Flur verschluckt.

Für die Erzeugung wird ein Freie-Elektronen-Laser verwendet, bei dem Elektronen und Licht mithilfe eines Teilchenbeschleunigers zu Röntgenlaserstrahlen entwickelt werden. Die HHU-Forschenden wollen diese Kapazitäten an vielen Standorten zu vergleichsweise geringen Kosten für Forschung, Technologieentwicklung und Medizin bereitstellen.

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Vom Grundlagenprojekt zum möglichen Produkt

Der Europäische Forschungsrat (ERC) fördert NEXLIGHT mit einem „Proof of Concept Grant“. Ziel ist, die Forschungsergebnisse in ein wirtschaftlich umsetzbares und vermarktbares Produkt zu überführen. Voraussetzung für diese Zusatzförderung war ein vorheriger ERC-„Frontier Research Grant“: Grundlage ist Hiddings ERC-Projekt „NeXource“, in dem sein Team gezeigt hatte, wie XFELs deutlich kompakter und kostengünstiger umgesetzt werden können.

Ein „Proof of Concept Grant“ finanziert weiterführende Arbeiten, die in der ursprünglichen ERC-Förderung nicht vorgesehen waren. Geprüft und weiterentwickelt werden dabei das kommerzielle oder gesellschaftliche Potenzial von Ergebnissen aus der Grundlagenforschung. Das Programm soll den Nutzen und Wert der geförderten Spitzenforschung maximieren.

NEXLIGHT soll den Weg zur industriellen Nutzung kompakter Röntgenlaser vorbereiten. Denkbar sind regionale Forschungs- und Medizinzentren, XFEL-Systeme für Unternehmen, Anwendungen in Biomedizin und Virologie sowie eine präzisere Wirkstoffentwicklung durch die Analyse atomarer Virusstrukturen. Auch Material- und Halbleiterforschung, Energieforschung und Fusionsforschung gehören zu den möglichen Feldern. Chemische Reaktionen könnten sich auf sehr kleinen Zeit- und Raumskalen filmen lassen; in der Energieforschung ginge es außerdem um neue Ansätze zur Energiegewinnung.

Als mögliche Folge nennt Hidding flexible, regional zugängliche Zentren für Forschung, Medizin und Unternehmen. Die HHU-Forschenden wollen Röntgenstrahlung ähnlich vielseitig und breit verfügbar machen, wie Laser sichtbares Licht nutzbar gemacht haben. Für den Wissenschafts- und Deep-Tech-Standort Nordrhein-Westfalen wäre das ebenso relevant wie für die ARCTURUS-Laser-Plasma-Facility an der HHU.

Unterstützung kommt vom Center for Entrepreneurship Düsseldorf (CEDUS) und der „Gateway Factory“. Sie helfen bei der Sicherung geistigen Eigentums, bei Anwendungsszenarien und Verwertungsperspektiven, möglichen Unternehmensgründungen, Geschäftsmodellen und weiteren Gründungsaktivitäten. Aus einer Idee im Beschleunigerlabor soll also, wenn es gut läuft, mehr werden als ein sauberer Fachartikel.

Was in einem Freie-Elektronen-Laser passiert

Ein Freie-Elektronen-Laser erzeugt Synchrotronstrahlung mit sehr hoher Brillanz. Die Bezeichnung „Laser“ bezieht sich auf die Kohärenz der Strahlung und auf die verstärkte Emission abhängig von der vorhandenen Photonenzahl. Anders als bei konventionellen Lasern gibt es kein laseraktives Medium und keine Besetzungsinversion; stimulierte Emission findet dort nicht statt.

Zentrale Bauteile sind eine Elektronenquelle, meist ein Hochenergie-Teilchenbeschleuniger, und ein Wechselwirkungsbereich, in dem Bewegungsenergie der Elektronen in Photonen umgewandelt wird. Üblicherweise zwingt ein alternierendes Magnetfeld in einem Undulator die Elektronen auf eine transversale, periodische Bahn. Dabei entsteht Synchrotronstrahlung. Eine alternative Variante ist der Tscherenkow-FEL: Die Strahlung entsteht in einem mit einem Dielektrikum beschichteten Hohlleiter. Im weiteren Sinn werden auch frühe kohärente Strahlungsquellen wie Wanderfeldröhren und Magnetrons dieser Familie zugerechnet.

Entwickelt wurde der FEL Anfang der 1970er Jahre von John Madey an der Stanford University, wo auch ein Prototyp gebaut wurde. Für den Betrieb wird ein Elektronenpaket in einem oder mehreren Beschleunigern auf relativistische Geschwindigkeit gebracht und anschließend in den Undulator geleitet. Die sinusförmige Bewegung und die damit verbundene Querbeschleunigung erzeugen hochenergetische Photonen.

Damit die Brillanz hoch ausfällt, brauchen die Elektronen eine geringe Energiestreuung, eine kleine Emittanz und einen hohen Spitzenstrom. Ein solches Paket lässt sich wegen der gegenseitigen Coulomb-Abstoßung allerdings nicht direkt in der Elektronenquelle erzeugen. Zunächst entsteht ein Elektronenpaket mit kleinem Strom, wird sofort auf ultrarelativistische Energien beschleunigt und danach longitudinal komprimiert. Das verkürzt das Paket und erhöht den Spitzenstrom. Die Abstoßung ist bei den höheren Energien reduziert. Diese Abfolge aus Beschleunigung und Kompression kann mehrfach wiederholt werden, bei Röntgen-FELs bis zu dreimal – ein Grund dafür, dass die Anlagen so aufwändig und teuer sind.

Beim FLASH-Beispiel am DESY wird zunächst auf 145 MeV beschleunigt, anschließend auf etwa 450 MeV, erneut komprimiert und schließlich auf maximal etwa 1,2 GeV beschleunigt. Im Undulator versetzen alternierend angeordnete Magnete den Elektronenstrahl in eine periodische Querbewegung.

Die Wellenlänge hängt von der Undulatorperiode, dem Lorentz-Faktor der Elektronen und dem Undulatorparameter ab:

(lambda_r=frac{lambda_u}{2gamma^2}left(1+frac{K^2}{2}right))

Der Undulatorparameter wird durch Magnetfeld und Undulatorperiode bestimmt:

(K=frac{eB_0lambda_u}{2pi m_ec}approx0{,}93,B_0[mathrm T],lambda_u[mathrm{cm}])

Die verkürzte Wellenlänge beruht auf zwei relativistischen Effekten: Die Elektronen sehen eine lorentzkontrahierte Undulatorperiode, außerdem wird die emittierte Strahlung im Laborsystem dopplerverschoben. Wegen der nahezu lichtschnellen Bewegung wird sie fast vollständig in Flugrichtung abgestrahlt – „relativistisches Beaming“. Für die Beobachtungsrichtung kann daher näherungsweise (thetato0) angenommen werden. Die Strahlungsfrequenz ergibt sich aus Lichtgeschwindigkeit, Undulatorperiode, Lorentz-Faktor und relativistischem Dopplerfaktor.

Der Undulator wird so lang ausgelegt, dass die erzeugte Strahlung mit dem Elektronenpaket wechselwirkt. Dabei wird das Paket mikrostrukturiert: Es gliedert sich in dünne, senkrecht zur Flugrichtung stehende Scheiben, deren Abstand der Wellenlänge der Strahlung entspricht. Die Elektronen emittieren dadurch phasengleich. Ihre Wellenamplituden addieren sich;