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Die Gesetze der Teilchenphysik gelten unabhängig von Ort und Zeit. Doch nicht an allen Orten können die Gesetze der Teilchenphysik gleich gut erforscht oder in darauf aufbauenden Applikationen angewandt werden. Gerade in ärmeren Ländern haben kostenintensive Forschungsprojekte einen schweren Stand. Vor diesem Hintergrund ist es ein Lichtblick, dass im Sommer 2017 mit SESAME das erste Synchrotron des Nahen Ostens zur Erzeugung hochbrillianter Röntgenstrahlung seinen Betrieb aufnimmt. Die Schweiz hat zum Gelingen des Projekts beigetragen.
Die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) ist eine grosse Forschungsanlage am Paul Scherrer Institut (PSI), einem bundeseigenen Forschungsinstitut des ETH-Bereichs im aargauischen Villigen. Die Anlage ging 2001 in Betrieb. Seither haben die an der SLS durchgeführten Experimente mehrere Tausend wissenschaftliche Publikationen in den Bereichen Physik, Chemie, Biologie, Medizin und Materialwissenschaften ermöglicht. Der indisch-amerikanische Strukturbiologe Venkatraman Ramakrishnan, der 2009 mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnete wurde, nutzte das hochbrilliante Röngtenlicht der SLS, um Ribosomen bei ihrer Arbeit im Zellinnern in Echtzeit zu erforschen.
Mit Synchrotronen können Pulse aus intensivem Röntgenlicht erzeugt werden. Die im Vergleich zu normalem Licht viel kleinere Wellenlänge der Röntgenstrahlung erlaubt es, kleine Strukturen zu untersuchen, die Lichtmikroskopen nicht zugänglich sind. Um geeignetes Röntgenlicht von hoher Intensität und geeigneter Wellenlänge zu gewinnen, werden Elektronen in einem Synchrotron bei hoher Energie auf einer kreisförmigen Bahn gehalten. Speziell angeordnete Dipolmagnete, die in abwechselnder Reihenfolge in Nord-Süd-Ausrichtung hintereinander angebracht sind, bringen die Elektronen auf eine oszillierende Bahn. Dabei erfahren die Elektronen eine transversale Beschleunigung und strahlen Synchrotronlicht aus. Die Konfiguration von mehreren kurzen Dipolmagneten hintereinander wird Wiggler (oder Undulator) genannt. Das hochbrilliante Röngtenlicht wird gebündelt, an Experimentierplätze geführt und dort von Forschern für ihre Experimente genutzt.
Speicherring mit 133 Meter Umfang
Für die Schweiz mit ihrem hochentwickelten Forschungstandard ist es quasi selbstverständlich, über erstklassige Forschungseinrichtungen wie die SLS zu verfügen. In ärmeren Weltregionen hingegen fehlen mitunter die finanziellen Mittel und häufig auch ein geeignetes akademisches Umfeld, um solche Forschungsstätten zu ermöglichen. So war im Gebiet des Nahen Ostens – eine Region mit rund 350 Mio. Einwohnern – bisher kein Synchrotron verfügbar.
Das ändert sich jetzt: Voraussichtlich im Sommer 2017 nimmt in Allan 35 km nordwestlich der jordanischen Hauptstadt Amman das erste Synchrotron des Nahen Ostens den Forschungsbetrieb auf. Die Forschungsanlage trägt den Namen SESAME, das Akronym für Synchrotron-light for Experimental Science and Applications in the Middle East. Mitte Januar schickte das SESAME-Synchrotron den ersten Teilchenstrahl erfolgreich in den 133 Meter langen Speicherring. Weitere Testläufe mit mehrfachen Umläufen des Teilchenstrahls werden folgen, bevor das Synchrotron später seine Betriebsenergie von 2.5 GeV erreichen wird.
Schweizer Komponenten und Knowhow
SESAME wurde unter der Obhut der Organisation der Vereinten Nationen für Bildung, Wissenschaft und Kultur (UNESCO) aufgebaut. SESAME-Mitgliedstaaten sind Ägypten, Bahrain, Iran, Israel, Jordanien, Pakistan, die Palästinensische Autonomiebehörde, die Türkei und Zypern. Die Liste macht deutlich, dass sich hier politisch mitunter verfeindete Staaten zu einem naturwissenschaftlichen Grossprojekt zusammengerauft haben. Es ist naheliegend, den Vergleich zu ziehen zum CERN. Dieses führte nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs ebenfalls zuvor verfeindete Staaten im Geiste der Wissenschaft zusammen. Die ehemaligen CERN-Direktoren Herwig Schopper und Chris Llewellyn Smith haben ihre Zeit und ihr Knowhow zur Verfügung gestellt, um SESAME auf die Beine zu helfen. Sie leiteten bzw. leiten auch den speziell gegründeten SESAME-Rat (Council).
Die Schweiz ist an SESAME nicht direkt beteiligt, doch haben Schweizer Beiträge SESAME mit ermöglicht. So stellte das PSI einen Wiggler zur Verfügung, der in der neuen Anlage in Jordanien in einer 'Powder Diffraction Beamline' gute Dienste leistet. Am PSI wurde auch das sogenannte Timing system entwickelt – vom Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation mit 100'000 Fr. unterstützt. Das PSI-Spin-off Dectris spendete einen Pilatus-Detektor. „Die PSI-Direktoren Ralph Eichler und Joel Mesot haben SESAME stets unterstützt, zudem standen verschiedene PSI-Experten dem Projekt beratend zur Seite und halfen beim Training von Wissenschaftlern mit”, sagt Frithjof Nolting, Head of Laboratory Synchrotron Radiation-Condensed Matter (LSC) am PSI.
Gefragt war auch das Knowhow des Schweizer Bauingenieurs dipl. Ing. ETH/SIA Ueli Schurter, nachdem 2014 das SESAME-Projekt fast in eine Katastrophe gemündet wäre: Nach heftigem Schneefall in der auf rund 1000 Metern gelegenen Stadt Allan war damals das Dach des SESAME-Gebäudes eingestürzt. „Die Beteiligten hatten bei dem Einsturz ein Riesenglück, denn das einstürzende Dach wurde von einem Betonpfeiler gestoppt“, erzählt Schurter, „so kam niemand zu Schaden und die sich im Aufbau befindliche Anlage blieb unversehrt.“ Schurter, damals Mitinhaber des Zürcher Ingenieurbüros Höltschi&Schurter und heute pensioniert, wurde mit drei weiteren ausländischen Experten mit der Abklärung der Ursachen und der Überwachung der neuen Dachkonstruktion beauftragt.
Berufliche Perspektiven öffnen
Unterdessen ist SESAME wieder auf Kurs. In den nächsten Monaten sollen die ersten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Allan eintreffen, um dort ihre Forschungsprojekte durchzuführen. Zwischen den Experimenten werden sie sich in einer Cafeteria verpflegen und entspannen, die von der Swiss Physical Society (SPS) finanziell mitunterstützt wurde. SPS-Vizepräsident Hans Peter Beck begründet die finanzielle Zuwendung: „Die Unterstützung von SESAME ist aus verschiedenen Gründen sehr wichtig: zur Förderung der Wissenschaft und der internationalen Zusammenarbeit; zum Aufbau einer Kultur der wissenschaftlichen Neugierde und Forschung im Nahen Osten; zur Friedensförderung. Das Projekt in Jordanien ist geeignet, um angehenden Wissenschaftlern und Ingenieuren im Nahen Osten eine berufliche Perspektive zu geben. Profitieren werden von SESAME aber noch weit mehr Menschen, denn das Projekt fördert auf direktem oder indirektem Weg auch die Industrie und damit die Wirtschaft der beteiligten Staaten.“
Autor: Benedikt Vogel