XFEL: Mehr als schwarz und weiß: wissenschaftliche Bildgebung für Schulen

Farb- und Schwarz-Weiß-Fotografie sind alltägliche Formate, doch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen oft andere Wellenlängen des Lichts, um Objekte unterschiedlicher Größe abzubilden. Am European XFEL nutzen Forschende Röntgenstrahlen, um die Bewegungen winziger Strukturen von Virenproteinen oder industriellen Katalysatoren sichtbar zu machen. Eine Gruppe von Schülerinnen und Schülern des Gymnasiums Schenefeld hatte am Montag, den 17. Mai, die Gelegenheit, bei einem Online-Workshop einen Einblick in das spannende Thema zu erhalten. Die Wissenschaftler Dr. Monica Turcato und Dr. Steffen Hauf von European XFEL stellten die verschiedenen Röntgendetektoren der Einrichtung vor, erklärten die Ähnlichkeiten und Unterschiede zu Digitalkameras und halfen den Schülerinnen und Schülern, ihre eigenen Infrarotkameras aus elektronischen Komponenten zu bauen.

Detektoren sind mit ähnlichen Sensoren wie Digitalkameras ausgestattet, um Röntgenlicht zu erkennen. Ihre Auflösung ist zwar mit etwa einem Megapixel oft geringer als die der Kameras, die wir in unseren Taschen tragen. Die Pixel hingegen sind viel größer, bis zu einem halben Millimeter breit, so dass die gesamte Detektorfläche oft größer ist als ein Laptop-Bildschirm. Außerdem nehmen die Detektoren mit Bildraten von bis zu 8000 Bildern pro Sekunde Bilder viel schneller auf als eine durchschnittliche Kamera. Sie sind darüber hinaus auf hohe Kontraste spezialisiert und können sowohl sehr helles als auch sehr schwaches Licht in einem einzigen Bild erkennen.

Die Bilder des Detektors zeigen, wie Licht mit winzigen Objekten interagiert, und die Forschenden am European XFEL nutzen sie, um die Struktur von Molekülen und Nanopartikeln zu bestimmen. Mit der sehr hohe Bildrate können sie genügend Daten sammeln um auch winzige Positionsänderungen zu sehen: So wie eine Hochgeschwindigkeitskamera eine exakte Zeitlupenwiederholung einer Szene im Fußball ermöglicht, können die Detektoren am European XFEL einen molekularen Film produzieren, der jede Bewegung eines molekularen Prozesses wie die Bindung eines Medikaments an ein virales Protein oder die Explosion eines Moleküls verfolgt. 

Danach bauten die Schüler ihre eigenen Sensoren: aus verschiedenen Komponenten, darunter der preisgünstige kreditkartengroße Computer Raspberry Pi, zusammengesetzte Infrarotkameras. Steffen Hauf betreute die Arbeit live über eine Webcam. "Es war knifflig, so winzige Bauteile am Bildschirm zu demonstrieren, aber es hat viel Spaß gemacht", berichtete er. Die virtuelle Tour wurde von Monica Turcato geleitet. "Ich habe mich gefreut, dass ich den Schülerinnen und Schülern unsere Detektoren näherbringen konnte, auch wenn es diesmal leider nur virtuell möglich war. Es ist wichtig, unsere Forschung mit jungen Menschen zu diskutieren, die sich für die Wissenschaft und wissenschaftliche Karrieren interessieren."

Die Veranstaltung wurde von der Joachim Herz Stiftung im Rahmen des 20-jährigen Jubiläums der Online-Plattform LEIFI-Physik gefördert. European XFEL wird seine Programme für wissenschaftliche Bildung und Information in seinem neuen Besucherzentrum, das sich derzeit in Planung befindet und voraussichtlich Ende 2023 fertiggestellt wird, weiter ausbauen.

Mehr Informationen zu den LEIFI-Physik-Veranstaltungen: https://20jahre.leifiphysik.de/veranstaltungen/