Wir schaffen Wissen – heute für morgen Trennen und Verbinden auf molekularer Ebene: das SwissFEL-Projekt am Paul Scherrer Institut (PSI) Dr. Thomas Schietinger AeschlEvent, 7. Mai 2015 Inhalt Das Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen AG Trennen und Verbinden auf kleinsten Skalen Was ist ein Freie-Elektronen-Laser (FEL)? Das SwissFEL Projekt am PSI Anwendungen (Beispiele): Energie & Klima Medizin Materialforschung & Informationstechnologie AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 1 Das Paul Scherrer Institut in Villigen AG ● Grösstes Forschungsinstitut der Schweiz ● Im ETH-Bereich angesiedelt (WBF-Departement) ● ● ● 1988 durch Zusammenschluss von SIN und EIR entstanden – SIN: Schweizerisches Institut für Nuklearforschung – EIR: Eidgenössisches Institut für Reaktorforschung Jahresbudget ~250 Mio. Franken Mission: Benutzerlabor für Schweizer und internationale Forschergruppen AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Prof. Paul Scherrer (1890–1969) Seite 2 Aktuelle Forschungsthemen Gesundheit Energie und Klima ● Wie können energieintensive Produktionsprozesse effizienter gemacht werden? Materialforschung und Informationstechnologie ● Wie sehen die Molekularbausteine des Lebens aus (Eiweissmoleküle)? ● ● ● Schaffen wir es, natürliche Mechanismen zur Energieerzeugung und -speicherung (z.B. Photosynthese) nachzubauen? AeschlEvent 7. Mai 2015 ● Welche Bewegungen führen sie aus und wie werden sie dadurch transportiert? Dr. Thomas Schietinger Wie schnell und wie fein kann man auf magnetische Datenträger schreiben? Wie können wir Hochleistungsbauelemente der Mikro- und Nanoelektronik noch schneller machen? Seite 3 Aktuelle Forschungsthemen Energie und Klima Gesundheit Materialforschung und Informationstechnologie Allen Fragen ist gemeinsam: ● Bild: LCLS, SLAC ● AeschlEvent 7. Mai 2015 ● Dr. Thomas Schietinger Die Antworten liegen im Verständnis von Prozessen welche auf der molekularen bzw. atomaren Ebene ablaufen. Solche Prozesse sind sehr schnell! Zu ihrer Erforschung benötigen wir Apparate mit extrem hoher Zeitauflösung. Seite 3 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 1s Tanzende Menschen AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 1s Tanzende Menschen 1/10'000'000'000 m 1/100'000'000'000'000 s Tanzende Moleküle AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 1s Tanzende Menschen 1/10'000'000'000 m = 0.1 nm (1 Å) 1/100'000'000'000'000 s = 0.01 ps Tanzende Moleküle AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 0.1 nm (1 Å) 1s 0.01 ps AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 1 mm 1 µm 1 nm 0.1 nm (1 Å) 1s 1 ms 1 µs 1 ns 1 ps 0.01 ps AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 1 mm 1 µm 1 nm 0.1 nm (1 Å) 1s 1 ms Floh: ~2 mm Menschliches Haar: Ø 30 µm DVD-Spur: 0.74 µm Virus: 200 nm DNS-Helix: Ø ~3 nm WasserMolekül: ~0.1 nm 1 µs 1 ns 1 ps 0.01 ps AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 1 mm 1 µm 1 nm 0.1 nm (1 Å) 1s 1 ms Floh: ~2 mm 1 µs Proteinfaltung: ~1 µs 1 ns Rechenzeit für ein Bit: ~1 ns 1 ps Lasergesteuertes Schaltelement: ~1 ps 0.01 ps AeschlEvent 7. Mai 2015 Menschliches Haar: Ø 30 µm DVD-Spur: 0.74 µm Virus: 200 nm DNS-Helix: Ø ~3 nm WasserMolekül: ~0.1 nm Dissoziation von Wasser: ~0.01 ps Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 1s 1 mm 1 µm 1 nm 0.1 nm (1 Å) Spiegelreflexkamera 1 ms ~10 cm 1 µs 1 ns 1 ps 0.01 ps AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 1s 1 mm Spiegelreflexkamera 1 µm 1 nm 0.1 nm (1 Å) Lichtmikroskop 1 ms ~10 cm ~20 cm 1 µs 1 ns 1 ps 0.01 ps AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 1s 1 mm Spiegelreflexkamera 1 µm Lichtmikroskop 1 nm 0.1 nm (1 Å) Synchrotronlichtquelle Schweiz (SLS) am PSI 1 ms ~10 cm Ø ~130 m ~20 cm 1 µs 1 ns 1 ps 0.01 ps AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 1s 1 mm Spiegelreflexkamera 1 µm Lichtmikroskop 1 nm 0.1 nm (1 Å) Synchrotronlichtquelle Schweiz (SLS) am PSI 1 ms ~10 cm Ø ~130 m ~20 cm 1 µs 1 ns Ultraschneller Laser 1 ps 0.01 ps ~2–3 m AeschlEvent 7. Mai 2015 NREL.gov Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 1s 1 mm Spiegelreflexkamera 1 µm Lichtmikroskop 1 nm 0.1 nm (1 Å) Synchrotronlichtquelle Schweiz (SLS) am PSI 1 ms ~10 cm Ø ~130 m ~20 cm 1 µs 1 ns limitiert auf ~100 ps! Ultraschneller Laser 1 ps 0.01 ps ~2–3 m AeschlEvent 7. Mai 2015 NREL.gov Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 1s 1 mm Spiegelreflexkamera 1 µm Lichtmikroskop 1 nm 0.1 nm (1 Å) Synchrotronlichtquelle Schweiz (SLS) am PSI 1 ms ~10 cm Ø ~130 m ~20 cm 1 µs 1 ns limitiert auf ~100 ps! Ultraschneller Laser 1 ps 0.01 ps limitiert auf ~100 nm! ~2–3 m AeschlEvent 7. Mai 2015 NREL.gov Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 1s 1 mm Spiegelreflexkamera 1 µm Lichtmikroskop 1 nm 0.1 nm (1 Å) Synchrotronlichtquelle Schweiz (SLS) am PSI 1 ms ~10 cm Ø ~130 m ~20 cm 1 µs 1 ns limitiert auf ~100 ps! Ultraschneller Laser 1 ps 0.01 ps limitiert auf ~100 nm! ~2–3 m AeschlEvent 7. Mai 2015 Bereich chemischer Reaktionen! NREL.gov Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Beobachtungen in Raum und Zeit 1m 1s 1 mm Spiegelreflexkamera 1 µm Lichtmikroskop 1 nm 0.1 nm (1 Å) Synchrotronlichtquelle Schweiz (SLS) am PSI 1 ms ~10 cm Ø ~130 m ~20 cm 1 µs 1 ns limitiert auf ~100 ps! Ultraschneller Laser Freie-ElektronenLaser 1 ps ~700 m 0.01 ps limitiert auf ~100 nm! ~2–3 m AeschlEvent 7. Mai 2015 NREL.gov Dr. Thomas Schietinger Seite 4 Erkenntnis dank Zeitauflösung Belichtungszeit: 1/500 s © Irene Müller www.pbase.com/daria90 AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 5 Erkenntnis dank Zeitauflösung Belichtungszeit: 1/500 s © Irene Müller www.pbase.com/daria90 AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 6 Trennen und Verbinden auf molekularer Ebene! Bild: LCLS, SLAC Belichtungszeit: 1/100'000'000'000'000 s AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 7 Beobachten mit Licht Lichtquelle AeschlEvent 7. Mai 2015 Objekt Dr. Thomas Schietinger Detektor Seite 8 Beobachten mit Licht C. J. Fahrni, Curr. Opin. Chem. Biol. 11, 121–127 (2007) AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 8 Der „Undulator“: Laserlicht durch Slalomkurs Linearbeschleuniger Elektronenbahn abgestrahltes Licht (Röntgenbereich) Funktionsweise eines Undulators Die Lichtwellen einer bestimmten Wellenlänge addieren sich (konstruktive Interferenz), falls ● Die Elektronen sehr stark fokussiert sind ● Die Magnete den richtigen Abstand haben ● Der Undulator genug lang ist Je höher die Energie der Elektronen, desto kleiner die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts. AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 9 Der „Undulator“: Laserlicht durch Slalomkurs Linearbeschleuniger Elektronenbahn abgestrahltes Licht (Röntgenbereich) Funktionsweise eines Undulators Die Lichtwellen einer bestimmten Wellenlänge addieren sich (konstruktive Interferenz), falls ● Die Elektronen sehr stark fokussiert sind ● Die Magnete den richtigen Abstand haben ● Der Undulator genug lang ist Je höher die Energie der Elektronen, desto kleiner die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts. „Freie-Elektronen-Laser“ (FEL) AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 9 Aufbau eines Freie-Elektronen-Lasers Erzeugung der Elektronen Elektronenquelle Beschleunigung der Elektronen Linearbeschleuniger Erzeugung der Strahlentransport Röntgenstrahlung und Bündelung Undulator Experiment Undulator Experiment Undulator Experiment Elektronen: AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 10 Aufbau eines Freie-Elektronen-Lasers Linearbeschleuniger (1 Modul von ca. 56) Elektronenquelle Experiment (schematisch) Undulator (1 Modul von 13) ~10 m ~500 m ~60 m ~140 m Gesamtlänge der Anlage: 740 m AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 11 SwissFEL-Anlage Eine neue Grossforschungsanlage am Paul Scherrer Institut 74 0m ul a d Un ll a h er a ll h r e nti S e rim AMI e p AR Ex AeschlEvent 7. Mai 2015 e to e ck e r st n e r s Be ch r ec t s r ige n leu ke kt o e j In r Gebäudequerschnitt e nti e rim THOS e p A Ex Dr. Thomas Schietinger Seite 12 Standortwahl am PSI AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 13 Standortwahl am PSI 740 m AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 13 Das aktuelle Bild auf search.ch... AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 14 Baufortschritt (Mai 2014) AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 15 Baufortschritt (Mai 2014) AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 16 Baufortschritt (Mai 2014) AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 17 Baufortschritt (September 2014) AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 18 Ansicht 2017 AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 19 Budget und Zeitplan Quelle Summe ETH-Bereich 20 Mio EDI 9 Mio Kanton AG 30 Mio Bund (BFI) 157 Mio PSI Budget 60 Mio Total: August 2011: 276 Mio Entscheid Anpassung Richtplan und Nutzungsplan (Kanton AG) November 2011: Gemeindeversammlung Bau- und Nutzungsordnung März 2012: Baubewilligung vorliegend Herbst 2012: Beschluss Parlament zu BFI-Botschaft 2013–2016 April 2013: Baubeginn Januar 2015: Gebäudeübergabe, Installationsbeginn Frühjahr 2017: Erster Röntgenstrahl Ende 2017: Nutzerbetrieb mit ca. 500 Nutzern/Jahr, 5000 Std./Jahr (ca. 210 Tage) AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 20 Anwendungen Drei Beispiele aus drei Gebieten von grosser Bedeutung für die Gesellschaft: 1) Energie und Klima: grüne Energie durch künstliche Photosynthese? 2) Medizin: die Struktur von Eiweissmolekülen entschlüsseln 3) Materialforschung und Informationstechnologie: neuartige magnetische Speichermethoden nutzbar machen AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 21 Energie & Klima: künstliche Photosynthese? Die Natur beherrscht den Prozess der Photosynthese bereits: Durch Sonnenlicht stellen Pflanzen aus CO2 und Wasser energiereiche Stoffe her. ● ● ● Mit SwissFEL können wir die Zwischenschritte innerhalb des Prozesses der Photosynthese besser verstehen. Entwicklung von effizienten und stabilen Systemen für eine künstliche Photosynthese! Herstellung von Treibstoff (Methanol) aus Sonnenlicht. Flavio Robles, Berkeley Lab Public Affairs Erneuerbare Energiequelle, die CO2-neutral ist! AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 22 Medizin: die Struktur von Proteinen ● ● Eiweiss-Moleküle (Proteine) sind die Bausteine des Lebens. Struktur eines CAP-Gly Proteins (SLS) Proteine der Zellmembran kontrollieren den Zugang von Stoffen in die Zelle. Medikament wirkt wie ein passgenauer Pfropfen! A. Weisbrich et al., Nat. Struct. & Mol. Biol. 14 (2007) 959 ● ● ● Wenn wir die Struktur dieser Proteine kennen, können wir massgeschneiderte Medikamente entwickeln, die SwissFELunerwünschte Prozesse (Krankheiten) unterbinden. Röntgenstrahl Streubild aufgenommen mit Pixeldetektor Herkömmliche Strahlungsquellen benötigen relativ grosse Kristalle, um die Struktur bestimmen zu können. Mit SwissFEL reichen schon kleinste Nanokristalle für die Strukturbestimmung. Nanokristalle Strukturbasierte Entwicklung hocheffizienter Medikamente AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 23 Neue Werkstoffe: „Smart Materials“! Zeitalter funktionaler Materialien (ca. 2000 n. Chr.) ● Plastikzeit (1970 n. Chr.) Eisenzeit (1000 v. Chr.) ● Bronzezeit (3000 v. Chr.) ● Steinzeit (10'000 v. Chr.) AeschlEvent 7. Mai 2015 ● Dr. Thomas Schietinger Ultraschnelle magnetische Speicherung von Information auf kleinstem Raum. Neuartige (Nano-) Materialien für ultraschnelle Elektronik. Spintronik – eine völlig neue Art von Elektronik. Supraleitende Materialien bei hohen Temperaturen. Seite 24 Zusammenfassung Die neuartige Technologie des Freie-Elektronen-Lasers ermöglicht völlig neue Einblicke in entscheidende Prozesse in Natur und Technik. Mit SwissFEL ab 2017 auch am PSI in der Schweiz! AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 25 Einzelschussexperimente haben in der Schweiz Tradition Holzschnitt O. Schweitzer, 1698 AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 26 Ende AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Seite 27 Röntgenlaser weltweit SACLA, Spring-8, Japan SwissFEL LCLS, SLAC, Stanford AeschlEvent 7. Mai 2015 European XFEL, DESY, Hamburg Dr. Thomas Schietinger Röntgenlaser weltweit LCLS (USA) SACLA (Japan) European XFEL SwissFEL (CH) 2009 2011 2017 2017 Länge [km] 1.5 0.75 3.4 0.7 Strahlenergie [GeV] 13.6 8 17.5 5.8 Min. Wellenlänge λmin [nm] 0.15 0.1 0.1 0.1 2.4 5.0 5.0 1.3 Betriebsbeginn Spitzenbrillianz bei λmin [1033 Photonen/s/mm2/mrad2/0.1% BW] AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Optimierung der landschaftlichen Verträglichkeit durch die „Arbeitsgruppe Wald“ 5. Treffen (Sept. 2010) 1. Treffen (Jan. 2010) Der Natur dauerhaft entzogene Fläche: 4.4 ha 1.1 ha Mehrinvestionen: keine 12.1 Mio. CHF AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Richtprojekt AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Richtprojekt (Eingangsbereich) AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Baufortschritt (Januar 2015) AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Distanzen und Zeiträume in Natur und Technik Raum: Menschliches Haar: Ø 30 µm DVD-Spur: 0.74 µm Floh: ~2 mm mm µm nm ns ps fs Rechenzeit für ein Bit: ~1 ns Zeit: AeschlEvent 7. Mai 2015 Virus: 200 nm Wassermolekül: 0,1 nm DNS-Helix: Ø ~3 nm Spinpräzession in 1 TeslaMagnetfeld:10 ps Lasergesteuertes Schaltelement: ~1 ps Dr. Thomas Schietinger Dissoziation von Wasser: ~10 fs Kürzeste Laserpulse (optisch): ~1 fs Licht Wellenlänge 700 nm AeschlEvent 7. Mai 2015 600 nm Dr. Thomas Schietinger 500 nm 400 nm Licht Wellenlänge 700 nm Infrarot 0.01 mm 600 nm sichtbar Ultraviolett 1 µm Zellen AeschlEvent 7. Mai 2015 500 nm 0.1 µm 400 nm weiche Röntgen 0.01 µm 1 nm harte Röntgen 0.1 nm 0.01 nm Viren Proteine Dr. Thomas Schietinger Moleküle Atome SwissFEL AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Hightech-Anlage im Wald AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Auswirkung auf die Vegetation Ist: ● Waldmeister-Buchenwald, artenarm Projekt: ● Vielfältige Pionier- und Krautsaumvegetation ● Futter- und Blütenpflanzen für Tagfalter etc. ● AeschlEvent 7. Mai 2015 Offene Bereiche im Wechsel mit Strauchhecken, Pioniergehölze und Solitär-Eichen Dr. Thomas Schietinger Wildübergänge AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Grundwasser „Zusammenfassend kann somit festgehalten werden, dass die geplante Grundwasserentnahme zu Kühlzwecken für das Projekt SwissFEL gemäss heutigem Kenntnisstand aus hydrogeologischer und grundwasserschutztechnischer Sicht möglich ist.“ Hydrogeologischer Bericht Jäckli AG Baden ● ● ● AeschlEvent 7. Mai 2015 Gemäss Dr. P. Lüdin, Jäckli AG ist im Extremfall von einer Aarewassererwärmung von 0,1 Grad auszugehen. Geplante Wärmerückgewinnungsmassnahmen überkompensieren langfristig die von SwissFEL eingeleitete Wärme. Grosspumpversuch geplant für 2012. Dr. Thomas Schietinger Energie: das Haber-Bosch-Verfahren Das Haber-Bosch-Verfahren (1910) liefert Ammoniak für die Düngerherstellung und ernährt dabei ein Drittel der Weltbevölkerung. In einer katalytischen Reaktion kombiniert Stickstoff mit Wasserstoff an einer geheizten Eisenoberfläche zu Ammoniak. N2 + 3H2 2NH3 AeschlEvent 7. Mai 2015 Der Prozess benötigt viel Energie (ca. 1.4% des Weltenergiebedarfes). Dr. Thomas Schietinger Energie: das Haber-Bosch-Verfahren Wichtige Zwischenschritte in diesen und ähnlichen anderen katalytischen Reaktionen sind noch ungenügend bekannt. Lichtblitz Röntgenpuls Fe Zeit [fs] Die Reaktion wird mit einem Lichtblitz ausgelöst und dann mit einem Röntgenpuls abgetastet. AeschlEvent 7. Mai 2015 Dr. Thomas Schietinger Mehrfache Wiederholung bei zunehmendem Zeitabstand: „Film“ der Reaktion
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