Danke für die Einführung. Wie viele Schülerinnen und Schüler sind denn
hier? Für wen käme denn Physik als Studium infrage?
Wer outet sich? Okay, da muss ich mich anstrengen,
dass irgendwie der Rest heute Abend auch noch beschließt, Physik zu machen.
Also was mir ganz wichtig ist, wenn irgendwas nicht verstanden wird,
dann gleich bald irgendwie Handheben oder sowas oder gleich Fragen stellen.
Ja, ihr müsst nicht bis zum Ende warten.
Manchmal kann man sich dann eh nicht alles merken.
Also es geht tatsächlich um ein Physikthema,
obwohl hier auch das Wort Krebs auftaucht in der Medizin.
Es liegt einfach daran, weil ich insbesondere eben über den Tellerrand
gucken möchte und ich wäre auf den Punkt auch gleich nochmal genauer eingehen,
was es auch für das Studium bedeutet.
Hier erstmal die Übersicht zu meinem Vortrag, nachdem die Reihe heißt,
was, wie, wofür studieren, haben wir gedacht,
muss ich auch ein Slide dafür verwenden.
Übrigens in drei Minuten werde ich es nicht schaffen,
so wie bei diesem Wettbewerb, von dem wir eben gehört haben,
dann ist halt die Frage, was gibt es denn für Lichtquellen?
Also wenn wir zum Beispiel über Medizin reden,
da geht es um Bildgebung, irgendeine Art von Bildgebungstechnik braucht man,
zum Beispiel eben Röntgenlicht,
Lichtquellen und ein ganz wichtiger Punkt in der Physik
sind brillante Lichtquellen,
weil die
völlig neue Möglichkeiten eben erlauben
Und im Röntgenbereich gibt es eigentlich nur eine einzige Möglichkeit,
wirklich brillante Röntgenstrahlung zu erzeugen, ist der freie Elektronenlaser,
auf den werde ich eingehen.
Die Frage ist ja, wie funktioniert das Ding?
Und dann ist die nächste Frage, wie groß oder klein
ist dieses Projekt? Und das ist im Prinzip der Hauptgrund,
warum ich von München nach Hamburg gegangen bin,
weil wir in München die Splinige Idee hatten,
so eine Riesenanlage eben deutlich kleiner zu bauen.
Und das wiederum würde ja dann den Einsatz in einem Krankenhaus
ermöglichen. Daher kommt sozusagen meine Verbindung zur Medizin.
Und in dem letzten Punkt wäre ich auch zwei neuartige Bildgebungsmethoden
kurz erklären
Also nochmal die Erinnerung, wenn irgendwas unklar ist, gleich melden bitte.
Also, was wir für, was, wie, wofür studieren.
Das Problem für viele Schülerinnen und Schüler ist ja,
was soll ich eigentlich überhaupt studieren? Das fängt natürlich schon
mal an mit der Frage, soll ich überhaupt studieren?
Und wenn ja, was denn? Und dann gibt es
natürlich 10.000 verschiedene Studiengänge. Studiere jetzt lieber X oder Y.
Und aus Sicht des Universitätskollegen in dessen wissenschaftlicher Leitung,
ich bin, ist uns völlig bewusst,
dass es wirklich die verschiedensten Brücken und Wege in die Universität gibt.
Und dass manche halt wirklich sich manche Studiengänge vielleicht
gar nicht vorstellen können
Wir haben jetzt hier gesagt, Sie können sich vorstellen,
Physik zu studieren, für andere ist es vielleicht sogar ein absolutes No-Go.
Es liegt aber meistens am Image. Ja,
also ich hoffe, dass ich ein Image hier auflösen kann,
dass wir also nicht völlig abstrakt sind in der Physik,
sondern eigentlich relativ nahe sogar ein real life.
Ja, es gibt natürlich Bereiche in der Physik,
da würde man sich fragen,
was hat das überhaupt mit dem Leben zu tun?
Ist natürlich auch extrem wichtig. Grundlagenforschung, Methodenentwicklung ist extrem wichtig.
Aber es gibt natürlich auch wirklich Bereiche in der Physik,
die in anderen Disziplinen, zum Beispiel die Grenzen einfach weiterschieben können.
Und deswegen ist mir ein ganz, ganz wichtiger Punkt,
die Interdisziplinarität, Wir versuchen auch unintern,
da gibt es so ein Think Tank,
das Kompetenzzentrum für nachhaltige Universität heißt es.
Da versuchen wir Interdisziplinarität wirklich auch zu fördern.
Das ist nämlich gar nicht so trivial,
dass zum Beispiel ein Physiker mir Mediziner redet.
Und erst wenn die beiden miteinander reden, kommt man überhaupt drauf,
was ist denn überhaupt für Probleme in der Medizin gibt.
Und die Mediziner merken dann, ah,
das könnten die Physiker uns also lösen.
Ja, die Kommunikation ist extrem wichtig.
Und wir versuchen auch gerade diesen Wahlpflichtbereich,
überhaupt für alle Studiengänge hier an der Uni,
einfach fächerübergreifend zu ergänzen
Also dass man wirklich nicht nur sein Fachstudium eben macht,
sondern auch darüber hinaus in andere Bereiche hineinschnuppert.
Und ich habe das mal versucht, hier an diesem Bild zu veranschaulichen.
Wenn es zum Beispiel um medizinische Bildgebung geht,
das ist ein absolut wichtiges, gesellschaftliches Problem. Jeder weiß,
wir werden älter, das heißt,
früh Diagnostik zum Beispiel von Tumor und es ist eben extrem wichtig,
weil die Menschen halt mittlerweile uralt werden und deswegen so Erkrankungen wie Krebs immer relevanter werden.
Deswegen wird eine Früherkennung nicht schlecht. So,
die Medizin weiß, wie wichtig Früherkennung ist,
die Medizin zum Beispiel kann sagen, das macht dann Sinn,
zum Beispiel bei Brustkrebs, wenn man den Tumor sieht,
wenn er unter einem Millimeter groß ist,
dann hätte die Medizin damit
kein Problem
Die Frage ist aber, wie sieht man denn ein Humor,
der nur ein Millimeter groß ist?
Wie sieht man denn den im Körper? Ja,
und das ist im Prinzip schon der Job der Physik,
sich zu überlegen, wie kommt man an diese feinen,
dichte Unterschiede zwischen Tumorgewebe und gesunden Gewebe?
Wie kann man das messen? Wie kann man
das von außen sehen? Und dieses Stichwort Invivo,
also der Patient soll ja leben, ist extrem wichtig.
Es gibt viele Verfahren, die sind super gut,
aber dazu müsste entweder das Versuchsstier oder der Mensch
in ein kleines Scheibchen geschnitten werden.
Das ist nicht eine gute Idee natürlich.
Und deswegen überlegen wir uns, wie können wir mit Tastasen
oder kleine Tumore
eben sichtbar machen
So, wenn jetzt die ersten beiden hier, also Physik und Medizin
total glücklich werden, dann gibt es aber völlig neue Probleme.
Also viele neue Verfahren haben dann die unangenehme Eigenschaft,
dass sie Alarm schlagen, auch bei Patienten, die gar keinen Tumor haben.
Das sind diese berühmten falsch-positiv-Ergebnisse. Und wenn man jetzt über eine Methode hat,
die diese vielleicht positive Ergebnisse relativ häufig hervorruft,
dann wird das auch irgendwann mal natürlich ein psychisches Problem.
Da müsste man fast abwägen, was ist jetzt eigentlich schlimmer,
dass man jemanden übersieht oder dass man zum Beispiel tausend Leute in den OP schickt.
Also Psychologie könnte da was beitragen, das sind die nächsten Disziplinen,
die extrem wichtig ist, gerade für eine Gesellschaft,
ist die Ökonomie, weil irgendwann muss man sie natürlich fragen,
kann eine Volkswirtschaft bestimmte medizinische Methoden überhaupt zahlen?
Also noch mehr, es gibt total tolle Ideen,
vor allen Dingen hier aus der Physik.
Manche Ideen sind total teuer, funktionieren super,
aber sind viel zu teuer und könnten in einem Gesundheitssystem einfach nicht funktionieren.
Also ihr seht schon, der fünfte Fahrer ist mir jetzt nicht mehr eingefallen,
aber man sieht trotzdem ja an so einem komplexen Problem,
wie eben Gesundheit, arbeiten wirklich viele, viele Disziplinen.
Und ich bin auch gerade in der Runde unintern,
die eben diesen Wahlpflichtbereich, Wahlfach und freien Wahlbereich eben erneuern möchte.
Und ganz wichtig ist also dieses Interdisziplinäre, dass man eben
in andere Bereiche hineinschnuppern kann. Denn nochmal die meisten Probleme,
die uns wirklich beschäftigen, die sind einfach so komplex,
die können heutzutage eben nicht mehr nur von einer Disziplin gelöst werden.
Ja, und wer also jetzt vor dem Vortrag dachte,
das Physik wird total abgehobenes ist,
das stimmt eben nicht, weil es eben viele Bereiche gibt,
in die die Physik also hineinwirken kann.
Und wir haben zum Beispiel eine echte,
schon jetzt laufende Kooperation mit der Medizin im Uniklinikum zusammen zu dieser Bildgebung.
Genau, das Thema heißt zunächst mal Lichtquellen
Wenn es überhaupt keine Lichtquelle gäbe, dann wäre das Universum natürlich absolut dunkel. Die erste Lichtquelle,
die jedem einfällt, ist die, genau,
das ist die Sonne, die erste künstliche Lichtquelle,
die der Mensch irgendwie entdeckt hat, erfunden,
würde ich noch nicht mal sagen, sondern entdeckt, ist,
okay, vor der Glühbirne gab es aber noch die Steinzeit.
Ja, genau, also hier irgendwie Feuer,
über die angeblich schon seit 600.000 Jahren.
Habe ich in irgendeinem Hamburger Museum gelesen,
dann kommt natürlich die berühmte Glühbirne,
auch wenn sie
jetzt mittlerweile verboten ist
Wem eine Glühbirne nicht reicht, weil es viel zu langweilig ist,
der kann natürlich nach Las Vegas fahren.
Da hat er viele Glühbirnen, die Amis dürfen die wahrscheinlich
auch noch länger nutzen. Wer kennt denn eine Lichtquelle,
die richtig modern ist und aus der Sicht eines Physikers
richtig cool ist oder aus der Sicht eines Disco-Besuchers?
Okay, gut. Ich weiß nicht, ob die cool ist.
Aber eine richtig starke, intensive Lichtquelle, kennt ihr aus der Schule?
Ja, genau. Das ist ein Laser.
Was ist denn das Besondere an einem Laser?
Jetzt zum Beispiel im Vergleich zu einer Kerze
Genau, ja, also das sieht man schon an dem Bild hier.
Die Strahlung ist gebündelt, das heißt, die geht im Wesentlichen
in eine Richtung. Das ist übrigens, wenn man,
also der Kontext in dem Vortrag wird jetzt hier immer die
medizinische Bildgebung sein, das ist schon mal nicht schlecht.
Da steht oder sitzt oder liegt meistens der Patient.
Hätten wir jetzt irgendeine tolle Lichtquelle, die so einen Öffnungswinkel hat,
wäre das völlig witzlos. Ja, man möchte natürlich möglichst
alles Licht an eine bestimmte Stelle des Patienten bringen.
Gut, also es gibt die verschiedensten Lichtquellen und die unterscheiden sich jetzt natürlich.
Eine Frage ist die Effizienz. Das hört sich fast wirtschaftlich
an. Im Prinzip geht es um Output pro Input.
Also wir stecken irgendwie Strom hinein
Irgendwelche Wattzahlen und bekommen Lumen heraus. Lumen ist einfach
eine Einheit. Und man sieht, eine Kerze hätte jetzt
also in diesen Einheiten 0,1 Lumen pro Watt.
Eine 60 Wattglühbirne hat schon mal ein bisschen mehr.
Und man sieht so, je moderner die Lichtquellen werden,
irgendjemand hat Diode ja schon erwähnt, desto effizienter werden die Lichtquellen auch.
Das liegt natürlich an der Funktionsweise. Was bringt denn
eigentlich oder was erzeugt eigentlich das Licht in der Glühbirne?
Wer weiß das? Wieso ist eine Glühbirne
so hell
Genau. Ja, das ist das, was man intuitiv gar nicht vermuten würde,
das, was man sieht, ist tatsächlich Wärmestrahlung.
Weiß jemand, was ungefähr genauso heiß ist, wie der Draht in einer Glühbirne?
Denkt an die erste Lichtquelle, die ihr vorhin genannt habt?
Ja, zuckt. Feuer. Nee, vorher,
glaube ich, kommt nicht so ganz auf die Temperaturen,
aber es ist ungefähr die Oberfläche der Sonne,
die so um die 6.000 Grad heiß.
Der Laser funktioniert natürlich viel eleganter, da geht es
um Quantensprünge, die wir hier jetzt nicht weiter vertiefen.
Das ist einfach deutlich effizienter, als es über Telemestrahlung zu machen.
Denn das Problem ist, wenn man eine Lichtquelle hat, die hauptsächlich,
also deren Licht sozusagen Wärmestrahlung ist, was würden die am meisten produzieren?
Gar nicht mal die Strahlung, sondern das Wort davor.
Eben, genau. Übrigens, ihr wisst ja,
Glühbirnen sind ja verboten worden, aber ich glaube,
irgendwelche australischen Ingenieure, die hatten eine super geniale Idee,
dieses Gesetz zu umgehen, indem sie einfach gesagt haben,
eine Glühbirne ist halt eine Heizung,
die zufälligerweise auch noch leuchtet.
Aber ich glaube, die sind damit irgendwie nicht
so ganz durchgekommen
Der nächste Unterschied, auf den ich natürlich abheben muss,
weil das ist direkt was mit meiner Forschung zu tun hat,
das sind die Größen und Kosten.
Also jeder weiß oder wusste es bis vor kurzem,
eine Glühbirne ist also ein paar Zentimeter groß und kostet ein paar Euro.
So, das ist das eine, die aus Sicht eines Physikers
absolut interessanteste Lichtquelle ist ein bisschen größer, also eigentlich richtig groß.
Ja, das ist der erste Röntgenlaser,
den sie auf diesem Planeten gibt.
Da steht also ein Stanford im schönen warmen Kalifornien,
USA und das Ding ist schon ein paar Kilometer groß
und ist dementsprechend auch etwas teurer als eine Glühbirne
Also ist so in der Preislage eine Milliarde Euro oder Dollar
bei den Größenordnungen, macht die Währung schon fast keinen Unterschied mehr.
Das ist also eine riesengroße Anlage. Ja,
ich werde nachher gleich erklären, warum man überhaupt solche Riesenmaschinen baut,
nur um Klitze, kleine Rentenblitze zu erzeugen.
Also ich glaube, der fundamentalste Unterschied,
den er sich aus der Schule erde kennt,
wie sich Lichtquellen unterscheiden, ist natürlich das Spektrum.
Ja, das ist also wie hier bei einer Geige,
also Töne, je schneller eine Seite schwingt,
desto mehr Energie hat sie und desto höher ist dann der Ton.
Und genau dasselbe gilt eben auch bei Licht,
je kürzer die Wellenlänge, desto mehr Energie.
Witzig ist immer, wenn man sich das ganze Spektrum anguckt,
was es so gibt und dann immer bedenkt,
dass wir Menschen ja nur ein extrem kleinen Ausschnitt sehen.
Selbst kleine Bienchen sehen schon mehr als wir,
die sehen nämlich in welchem Bereich, weiß es jemand?
Was sehen Bienen? Was wir nicht sehen? Die können schon
im UV-Bereich sehen. Keine Ahnung, wie die Welt im UV-Bereich aussieht.
Es gibt auch Lebewesen, die Infrarotstrahlung sehen können.
Da hört es bei uns auch schnell auf.
Es gibt natürlich total interessante Strahlung. Also für alle Dinge,
wenn wir hier auf diesem Plot nach links geht,
also zu extrem kurzen Wellenlängen. Da gibt es ja Strahlung,
die letztlich irgendwo aus den Tiefen des Kosmos kommt.
Das ist immer noch nicht im Detail verstanden, woher die
ganz hochenergetischen kommen. Wenn man in die andere Richtung geht,
dann kommt man wieder in Bereiche,
die man aus dem Alltag kennt, nämlich zum Beispiel Radiowellen.
Jetzt ist die Frage, Röntgenlicht. Was ist so besonders an Röntgenlicht?
Und da sehen wir übrigens sofort außerhalb der Physik in einer anderen Disziplin,
nämlich in der Medizin und in der Strukturbiologie.
Das Problem für die Biologie ist, wenn die Wissen wollen,
wie in Protein funktioniert. Müssen sie dazu die Struktur kennen?
Jetzt weiß jeder von euch, moleküle Proteine sind winzig klein.
Das heißt, die Frage ist jetzt,
wie kommt man überhaupt an diese Strukturinformation ran?
Wie kann man in der Natur messen, welche Struktur so ein Protein hat?
Hier sieht man mal so ein Computermodell. Und da gibt
es eine Methode, die ist ungefähr 100 Jahre alt,
sie rennt eine Strukturanalyse, die ist publik einfach.
Also man hat einfach Röntgenstrahlung, eine kleine Blende,
also ein kleines Löchlein, damit die Strahlung einfach gerichteter ist.
Und man schickt sie auf einen Kristall. So,
und hinter dem Kristall hat man dann vor 100 Jahren entdeckt,
da gibt es
irgendwelche Pünktchen
Und zwar außerhalb dieser Einstrahlrichtung. Man sieht ja hier hinter der Blende,
hat der Strahl ja eine Einfallsrichtung, aber diese Kreise,
diese grünen Pünktchen, die man da auf diesem Schirm sieht,
die sind außerhalb diese Einstrahlrichtung.
Und das ist eben eine ganz wichtige Eigenschaft von Röntgenstrahlung,
zu der wir jetzt nämlich gleich kommen.
Wieso lässt man die Blende nimmt das gleich einfach weg?
Sowieso, was das ist. Warum er den Kristall
nicht weglässt? Ja. Also der Kristall ist das,
was wir untersuchen wollen
Im Prinzip Jesus an der Skizze, wenn,
also nochmal diese Pünktchen, ich zeige nachher meine echte Verteilung,
die Pünktchen, die man sieht, die sind ja,
die werden, die sind nicht in diese Richtung,
in der die Orentenstadion reinkommt, sondern außerhalb.
Wenn du jetzt aber diese Blende nicht hättest und hättest so einen breiten Rentenstrahl,
dann würden sich für jeden einzelnen strahlen,
dieses Punktmusler total überlappen, du würdest gar nichts sehen.
Ja, du würdest wahrscheinlich einfach eine grüne Fläche sehen.
Aber der Witz ist, du musst irgendwie an diese Strukturinformation rankommen.
Also die trivialste Eigenschaft, die Rentenlicht hat,
ist durchdringt Materie, das hat schon jeder erlebt,
der mit dem Flugzeug geflogen ist bei der Rentenkontrolle,
was die alle sehen
Zum Teil auch nicht sehen, weiß nicht. Das ist
übrigens auch ein gutes Beispiel für falsch positiv. Ja,
ich fliege relativ oft, wer, was weiß ich,
in 30 Prozent aller Fälle rausgezogen hat, exakt dasselbe an.
Ja, das ist den Zufallsgeneratoren, die auch mal anschlagen,
was weiß ich, der Terrororist wird also per Zufall gefunden.
Also die Geräte schlagen auch an, wenn man keinen Metall hat.
Nur ein Beispiel für falsch Positivergebnisse aus dem Alltag.
Wer weiß denn, was ist denn die wichtigste Eigenschaft von Röntgenstrahlung?
Und zwar, wenn es um die Wellenlänge geht,
zu was passt die Wellenlänge von Röntgenstrahlung?
Deswegen ist die
so wichtig
Die ist ungefähr so groß wie, was in der Natur?
Wie der Abstand, Zweier oder mehrere? So,
jeder geht gerade die Schulphysik durch, Abstände, Größenordnungen, atomare Abstände.
Ja, also wenn wir irgendein Stück Materien nehmen und da sind irgendwelche Atome,
dann haben die halt im Mittel einen bestimmten Abstand.
Kannst du dich jemand erinnern, wie diese Längeneinheit heißt?
Also natürlich Kilometer ist viel zu groß. Okay,
aber ja, das wäre ein bisschen zu klein.
Ich wollte nur den Namen des Physikers hören,
nachdem das benannt ist.
Wie viel
Nee, das ist eine Energiekraftmalweg. Das ist ja
eine komische Buchstabe, das A mit dem Kringel oben.
Angström. Mist, zwei, das habe ich selbst rausgeplappert. Genau,
also der Witz ist, und da den unterscheidet sich die
Röntgenquelle von der Glühbirne, die Wellenlänge hat ungefähr atomare Abstände.
Und deswegen passiert jetzt eben das, was man hier sieht,
das passiert in dem Destall.
Diese Strahlung, die spürt jetzt plötzlich die Königkeit der Materie.
Würde man das Experiment mit Radiowellen machen,
die ja so 10 bis 100 Meter lang sind,
Ich spüre nicht die Königkeit der Materie.
Radiowellen, die spüren allerhöchstens einen Wolkenklatz,
da steht neben einem anderen, aber nicht atomare Abstände.
Das ist sozusagen diese Königkeit, das spürt nur die Röntgenstrahlung,
weil sie eben dieselbe Wellenlänge hat. Und dann passiert etwas,
was man im Prinzip auch aus dem Alltag kennt,
hier unten, das ist übrigens auch so ein typisches Schulphysik-Experiment,
so ein Wellenbad mit zwei Erregern, also irgendwelchen Pendeln oder Schwimmmotoren irgendwas,
die eben so ein Wellenmuster erzeugen.
Ja, das kann man auch machen,
indem er hier zu Planten und Blumen geht,
zwei Steine nimmt, die gleichzeitig ins Wasser wirft,
jeder Stein macht natürlich so ein Wellenmuster, genau,
also es gibt Wellental, Wellenberg, ja,
wer die Wellen eben wandern.
Und wenn jetzt Wellenberg auf Wellenberg trifft,
dann verstärkt sich es, es wird einfach addiert,
Wellenberg auf Wellental
gibt was
Vermutlich, genau, ja, neutralisiert sich, gibt gar nichts. Ja,
also das sind die hellen Bereiche, ist wahrscheinlich Bergklus Berg,
die so halblauen sind eben Bergklusthal und die ganz dunklen,
darlöschen, also da addieren sich gerade zwei Täler.
Und dieses Muster kennen hoffentlich alle aus der Schule, nennt man eben Interferenzmuster.
Ja, so, will Pal, Welle. Und der Witz ist,
genau das passiert jetzt, wenn diese Röntgenstrahlung auf den Kristall trifft,
jedes Atom gibt jetzt sozusagen,
wenn man sich es anschaulich vorstellen will, eine Welle ab,
ja, also jedes Atom entspricht jetzt einem Stein, ja,
wir könnten ja auch ganz viele Steine gleichzeitig ins Wasser werfen,
dann würde eben auch jeder seinen Weltmuster wieder erzeugen.
Und genauso passiert es in den Kristallen, jedes Atom sendet also jetzt
ein Wellenmuster aus. Und der Witz ist aber jetzt,
in nur ganz bestimmten Richtungen addieren sich jetzt eben die Wellenberge.
Und es sind genau die Richtungen, und oben sieht man jetzt
mal ein echtes Ergebnis, wo man dann eben Pünktchen sieht.
Früher gab es da Fotofilme, die wurden halt schwärzer als an anderen Stellen.
Und diese Muster sind extrem komplex. Also wenn irgendwelche Pharma-Laborde,
neue Medikamente machen wollen und dann eben aus diesem kühl eben Kristalle erzeugen und dann diese Rindenstrukturanalyse machen,
dann bekommen die solche Billerchen und haben ungefähr hunderttausend solche Pünktchen.
Und aus dieser Information, wo die Punkte sind und wie intensiv sie sind,
hunderttausendfach, aus der Information kann man dann,
wenn man noch ein paar Modellannahmen macht,
kann man dann einfach auf die Struktur zurückrechnen.
Ja, eine coole Sache. Jetzt ist aber das Problem,
zunächst mal nicht ein Physikproblem, sondern ein,
sagen wir mal, Medizin- und Biologieproblem.
Das Problem ist nämlich, man braucht ziemlich viele Proteine.
Also man sieht hier, man könnte sich ja fragen,
warum braucht man überhaupt einen Kristall? Ja,
und die Antwort ist, man braucht so eine Milliarde,
mal eine Million Proteine, das ist schon ziemlich viel.
Und jetzt kommt aber das Hauptproblem. Und zwar 70 Prozent aller Proteine,
die jetzt medizinisch relevant wären,
zum Beispiel für die man Medikamente entwickelt oder irgendwelche Antikörper,
die irgendwo andocken sollen, 70 Prozent von den Proteinen sind unbekannt,
was ihre Struktur anbelangt.
Jetzt werdet ihr euch denken, jetzt versteht ihr endlich,
warum die Bikepackzettel so lange sind mit Nebenwirkungen,
wenn in 70 Prozent aller Fälle noch nicht mehr die Struktur bekannt ist.
Es ist auch die Funktion, Nicht wirklich bekannt, also blindes Raten.
Und der Punkt ist 70 Prozent von denen lassen sich nicht kristallisieren.
Und warum das so ist, kann man sich auch
anschaulich vorstellen, woraus bestehen wir Menschen denn am meisten?
Ich meine jetzt nicht aus Wasser, das weiß jeder,
aber welche biologische Grundstruktur macht unseren Körper aus?
Was? Nee, ich meine jetzt nicht Element,
eine biologische Struktur. Du bist in der Chemie. Ja,
aber mein ganz allgemein, wir bestehen ja nicht nur aus Knochen.
Sondern wir bestehen aus, ja, genau, Zellen.
Und was ist denn die einfachste Form,
die eine Zelle annimmt und aus der Sicht eines Physikers
nehmen sie natürlich alle Zellen an
Es dann immer, wenn der Physiker sagt,
in nullter Näherung heißt es, er weiß überhaupt nichts,
macht die einfachste Annahme, Zellen sind einfach kugelförmig, kleine Kugeln.
So, und die meisten Routine, die aber für uns
interessant sind, sind die Proteine in der Membran dieser Zellen.
Okay, die Membran ist sozusagen die äußerste Haut der Zelle
und die ist aber,
die Oberfläche einer Kugel ist,
wie viel dimensional
Genau, wer bietet mehr oder weniger? Es sind genau zwei Dimensionen,
ja, eine Fläche ist zweidimensional. Und jetzt versteht ihr schon,
warum die meisten Broteine überhaupt nicht dran denken,
sich in dreidimensionalen Kristallen anzuordnen, das sind die nicht gewohnt.
Ja, die sind schon glücklich,
wenn sie unseren Körper aufbauen, aber das geht eben nur,
indem sie halt Zelloberflächen bilden, aber ganz sicher keine Kristalle.
Und das ist jetzt eben eine typische Situation, der Strukturbiologe ist traurig,
unglücklich, weil sich die meisten Broteine nicht in Kristallen anordnen,
deswegen geht es eine Methode nicht.
Irgendwann muss ein Physiker mal davon gehört haben und der kam dann auf die ganz spleenige Idee,
Wieso muss man eigentlich wirklich ein Restal benutzen?
Ginge das nicht mit einem einzelnen Molekül? Ja, genau
so funktioniert ja Wissenschaft. Also der eine ist in seiner Wissenschaft,
entdeckt irgendwelche Probleme, irgendwelche Grenzen, da geht es nicht weiter.
Irgendwann hört dann zufällig jemand aus einer anderen Disziplin, dass es dieses Problem gibt.
Und der kommt dann erstmal typisch Physiker, mutig,
wie wir sind, auf die Frage, ja,
dann nehmen wir halt keinen Kristall, dann nehmen wir ein einzelnes Protein.
So, das ist sicher ein paar Mal passiert.
Aber das Typische, wenn man so eine Idee hat,
dann gibt es genau drei Möglichkeiten. Möglichkeit Nummer eins ist,
man setzt sich hin auf seinen Schreibtisch, nimmt ein Blatt Papier,
rechnet irgendwas durch oder nimmt irgendwelche tollen Simulationen.
Da kommt dann meistens raus, Nee, das geht nicht. Option 2 ist,
man geht zu einem Kollegen, erzählt dem das,
der schüttelt sofort den Kopf, ist völlig, der sagt dann,
mein Gott, also wenn man bisher Kristalle gebraucht hat,
wieso soll es plötzlich mit einem gehen?
Unsinn, überleg dir was anderes. Und die dritte Möglichkeit,
das ist dann die, die ganz selten ist,
es kommt tatsächlich jemand auf eine Lösung und zum Beispiel Janu Scheido kam auf diese Lösung,
der hat das mal am Rechner dann durchsimuliert.
Man sieht dann hier übrigens dasselbe Bild, was man erwarten würde,
das sind dann keine 100.000 Pünktchen mehr,
sondern es ist ein total komplexes Muster,
aus dem man zurückrechnen muss.
Und die ganz typische Situation vor allen Dingen in der Physik
ist dann folgende, der kam also jetzt auf eine Idee
und dann kommt immer dieses typische Ja-Aber
Ja, also der hat sich gefragt,
geht es mit einem einzelnen Protein? Die Antwort ist ja,
aber die Natur ist jetzt natürlich nicht beliebig,
nett zu uns, sondern die Bedingungen,
unter denen das tatsächlich möglich ist, die sind extrem schwierig.
Also Janosch kam dann irgendwann drauf, ja,
das geht schon, aber wir brauchen extrem intensives Röntgenlicht.
Ja, also intensives Röntgenlicht heißt einfach ganz viele Photonen.
Das ist im Prinzip zunächst mal überhaupt gar kein Problem.
Aber die zweite Bedingung, die ist jetzt richtig schwierig.
Er sagt, das Röntgenlicht muss nicht nur total intensiv sein,
sondern es muss
extrem kurz sein
Also, ihr stellt euch einen Herzschlag vor, also sowas wie eine Sekunde.
Okay. Dann teilt ihr jetzt mal diesen Moment in
eine Million Teile, das ist schon ziemlich kurz.
Und da nehmen wir jetzt so ein Millionstel Teil aus
der Sekunde und den zerteilt jetzt nochmal eine Milliarde mal.
Okay, wir nehmen also den Milliardstel Teil einer Millionstel Sekunde.
Genau, staunende Gesichter. Vermutlich hatte Januar selbst ein Staunendes
Gesicht, als er das ausgerechnet hat. Das heißt,
eine Bedingung lautet, wenn es an einem Molekül funktionieren soll,
ja, dann brauchen wir extrem viele Röntgenphotonen,
aber in extrem kurzer Zeit
Und diese zwei Bedingungen zusammen,
das nennt man eben in der Physik brillant, ja,
also wenn man eine Strahlung hat, die sehr intensiv ist,
gibt es noch ein paar andere Eigenschaften,
aber die wichtigsten ist erstmal sehr intensiv und in extrem kurzer Zeit,
dann nennt man diese Strahlung brillant.
Was würde denn dann, was würde man dann über erstmal gekühlter wissen?
Die Struktur. Ich sage gleich was dazu, ich bin
noch nicht fertig. Also, wenn wir sehr intensiv ist,
Licht in sehr kurzer Zeit haben,
dann bekommt man hinter diesem Protein eben auch so einfüßig gesagt
ein Beugungsbild.
Das ist genau dasselbe wie hinterm Kristall
Was ich von euch zunächst mal hören möchte, ist,
ihr könnt nämlich, wenn ihr ein bisschen nachdenkt,
selbst auf diese zweite Bedingung kommen,
hat jemand eine Idee, warum das nur funktionieren kann,
wenn diese Röntgenblitz extrem kurz ist.
Perfekt. Sehr gut, warum geht das Ding kaputt?
Sehr schön, da ist was hängen geblieben, wunderbar.
Genau, richtig. Bei Desi wird es
ja dann gemacht werden, kommen wir nachher gleich dazu.
Aber ihr könnt es euch trotzdem vorstellen.
Einfach Energie ist, wie das funktioniert.
Elektrode. Klar. Also wenn es nichts ist,
dann wäre die erste Stadt. Und was würde dann aber
passieren? Ja, genau, aber durch welchen Mechanismus?
Ich hätte jetzt gedacht, dass die Energie vielleicht einfach nur viel betont.
Ja, ganz genau. Eben, genau. Also die Röntgenphotonen,
die prallen jetzt, also ganz anständig gesprochen,
auf die Elektronen und kicken die raus.
Ja, und was macht das im Molekül dann?
Die Atome merken, oh, wir sind ja gar nicht mehr gebunden.
Ist dann nicht mehr zum Nachbarn gebunden,
die sind frei und dann fliegt das ganze Ding auseinander
Das ist das Problem. Das ist ja der Grund übrigens auch,
warum man nicht allzu oft zum Renten gehen soll,
weil das ja in eurem Körper genau dasselbe macht.
Ja, da ist es dann dumm, wenn das Röntgenfoto
ein DNA-Molekül trifft und einen Doppelsprangbruch macht. Also das Problem ist,
Rankenlicht ist zwar schon mal nicht schlecht,
weil es Materie durchdringt, hat dieselbe Auflösung wie atomare Abstände,
aber das Problem ist eben, eine hochenergetische Strahlung,
die kickt uns die Elektronen raus und dann fliegt eben dieses Molekül auseinander.
Also mittlerweile hat ja jeder in seinem Smartphone eine Kamera,
aber als ich ein Kind war, gab es natürlich,
da gab es ja auch gar nichts,
wieder Internet und auch Smartphones oder sonst was.
Da gab es eine uralte, ur langsame Kameras.
Das typische ist, wenn man damit nicht umgehen konnte,
hat man irgendwie zum Beispiel, wenn einer gelaufen ist oder so,
ein Foto gemacht, wie war das Bild dann?
Genau. Also wenn irgendwelche Bewegungen schneller sind als die Aufnahmezeit,
ist es verschwommen. Hier ist das Problem noch viel fieser.
Wenn man zu lange belichten würde,
dann fliegt uns das Protein um die Ohren,
bevor überhaupt die Aufnahme gemacht worden ist.
Ja, das ist eine ganz schlechte Idee. Das ist
Protein kaputt und wir haben noch nicht mehr die Aufnahme davon.
Und so kann man verstehen, warum diese Rentenblitze,
die man dazu braucht,
extrem kurz sein müssen
Also extrem kurz heißt, im Vergleich zu der Zeit,
die das braucht, bis die Atome merken, oh,
wir sind ja frei, wir sind nicht mehr gebunden,
wir können ja so auseinanderfliegen.
Und das spielt sich eben auf dieser Zeitskralle ab. Ja,
und dann ist die triviale Lösung des Physikers,
da nehmen wir eben einen Rentenglitz,
der halt nur Milliardstel vor Millionenstel einer Sekunde ist.
So, jetzt kommt aber das nächste Problem.
Janosch Heido hat das zwar erkannt, aber der wusste nicht,
wie man so eine Rentenquelle überhaupt bauen soll.
Also, dann gab es aber irgendwelche Beschleunigerphysiker,
die kamen dann eben auf die Idee und so entstand dann
die Idee für den freien Elektronenlaser
Den ich euch gleich näher bringen werde. Aber die Frage weiß,
wie es funktioniert. Also es hört sich total cool an,
hat einen klitzekleinen Nachteil. Das Verfahren heißt zwar Einzelmolekül,
Bildgebung oder auf Englisch Single-Molicule-Imaging. Der Punkt ist aber,
man muss dieses Experiment, wenn ihr so wollt,
oder diese Aufnahme, die muss man wiederholen.
Jetzt natürlich nicht mit demselben Protein, weil das ist ja tot.
Das ist völlig auseinandergeflogen, sondern man nimmt jetzt einfach
zum Beispiel tausend gleiche Proteine.
Und immer ein Protein fällt jetzt in den Röntgenblitz.
Und hinter dem Protein gibt es dann also solche komplexen Bilder,
das nimmt man einfach auf mit einem besseren CCD-Kamera
Adiert dann im Rechner diese Bilder, die mir jetzt also tausendmal gemacht hat.
Und wenn die Signale pro Bild stark genug sind,
dann kann der Computer die so anordnen,
als wären die alle sozusagen mit derselben Orientierung aufgenommen worden.
Und dann ist es genauso eigentlich wie bei dieser Kristallsache,
dann wird einfach zurückgerechnet. Ja, das ist alles nicht trivial,
aber es ist eben möglich. Man rechnet dann aus diesen
komplexen Mustern auf die Struktur zurück und dann weißt du tatsächlich,
wo in dem Molekül welches Element sitzt.
Das sitzt da irgendwie in Wasserstoff,
Brottoren und da sitzt irgendwie ein Kohlenstoff.
Und da ein Sauerstoff, ja? Das ist
der Unterschied zwischen jetzt kleinen und großen Atomen
Wir machen die sich bemerken. Also das Problem ist nicht noch sehr,
ob Atome unterschiedlich groß sind. Das Problem ist nur,
was ist eigentlich, wenn das Protein viel zu groß ist?
Ja, denn diese zwei Bedingungen, die heißen ja,
wir müssen sozusagen auf der Größe eines Proteins sowas liefern.
Proteine sind aber nicht besonders groß. Die sind vielleicht
100 Nanometer groß. Das heißt, wir müssen es jetzt
schaffen, dass dieser Röntgenblitz auch noch 100 Nanometer trifft.
Das sind die Probleme. Das ist völlig egal,
wie groß oder klein
die Atome sind
Also, es gibt jetzt eine Antwort auf diese herausfordernde Frage.
Wir brauchen einen freien Elektronenlaser. Dazu sollten wir vielleicht noch
mal ganz kurz verstehen, wie überhaupt ein Laser funktioniert.
Also ich vermute mal,
jeder von euch hat in seiner Schule irgendwie einen Schullaser,
diese typischen Helium-Neon, die leuchten mit welcher schönen Farbe?
Noch nie gesehen. Weiß, ihr habt einen weißen Laser,
auch nicht schlecht. Also typischerweise hat man die billigen Helium-Neon,
die leuchten ganz schön rot.
Rubin-rot. Also Laser besteht aus einem Lasermedium,
das ist ein Kristall
Wenn er zu uns ins Labor geht, dann könnt ihr
eigentlich das Teil sehen, der ist so groß.
Der sieht auch schön aus, also der hat auch so
eine rötliche Farbe, so ein Riesending.
Kostet Lappe, 70.000 Euro. Das Geld ist noch nicht
meines Problems. Das Problem ist, der ist einzigartig.
Wenn wir den kaputt machen, müssen wir ungefähr ein Jahr warten,
bis wieder so ein Kristall gewachsen ist.
Das ist das Hauptproblem. Deswegen wird der gehätschelt und getätschelt,
wie unser Baby oder am besten gar nicht anfassen,
dann kann auch gar nichts passieren.
Also man hat einen Laserkristall und der wird jetzt gepumpt und
zwar wieder mit Licht, typischerweise mit Blitzlampen.
Und dann gibt es eben
zwei Spiegel
Ja, da läuft das Licht hin und her und verstärkt
sich eben selber. So funktioniert der normale Laser,
den er auch hoffentlich aus der Schule kennt, verstärken.
Die gute Frage, Mist, auf den Laser wollte ich gar nicht eingehen.
Also, ihr wisst ja, hoffentlich alle,
Atome bestehen ja aus Kernen und dann gibt es Elektronen.
Und die Elektronen bewegen sich auf Bahnen. Okay, im Prinzip,
im Prinzip so wie die Planeten um die Sonne eiern,
aber natürlich auf festgelegten Bahnen eben auf quantisierten Bahnen.
So, und jetzt kommt zum Beispiel ein Photon,
was zwischen den zwei Spiegel hin und her läuft und regt
jetzt ein Elektron an auf eine höhere Bahn zu geben.
Das kostet Energie
Ja, wenn er irgendwie einen Satelliten ins All schießen wollt,
kostet auch Energie. Jetzt ist das Tolle,
aber in der Quantenmechanik, dass dieses Elektron,
dem wird es irgendwann langweilig auf dieser höheren Bahn,
es fällt dann zurück. Was aber noch viel cooler ist,
es wartet manchmal lange genug, bis was passiert,
wer weiß es. Bis wieder ein, was auftaucht.
Noch ein, genau, noch ein Foton. Ja,
also wir haben ein Foto an rein,
Elektron geht auf eine höhere Bahn,
jetzt kommt noch ein Foton und was passiert dann?
Ja, soll ich es laut?
Ja, das klingt gut,
aber was passiert danach
Wie? Nee, nee, das würde nichts bringen.
Dann wird es die Energie ja absorbieren.
Wir wollen aber, dass das Atom die Energie wieder ausspuckt.
Also das zweite Foto kommt rein, genau,
das Elektron fällt wieder zurück und gibt jetzt natürlich genau dasselbe,
also wieder ein Foto an ab.
Das heißt, du hast zwei Photonen rein und zwei
gehen raus und das kann sich einfach verstärken.
Also Quatsch, ein Foton rein und zwei Photonen raus. Du brauchst aber,
und das ist jetzt ganz entscheidend, man braucht diese zwei Spiegeln,
damit es hin und her läuft und sich langsam aufbauen kann.
Ein Durchgang reicht nicht. So,
und jetzt stelle ich euch die Frage,
funktioniert es im Röntgenbereich
Genau, wer ist dagegen? Wer ist dafür?
Also wer glaubt, dass das auch im Rentenbereich funktioniert?
Okay, an welcher Stelle hat er dann vermutlich nicht aufgepasst?
Das ist jetzt fast wie in der Schule, sorry.
Das ist übrigens auf der Uni nicht so. Ein Vorteil
einer Universitätsvorlesung. Warum kann es im Röntgenbereich nicht funktionieren?
Denkt an den Flughafen. Das ist der wegen der Erfahrung
. Nee, nee, nee, ganz einfach.
Warum gibt es Röntgengeräte am Flughafen? Die wollen den Terroristen
durchleuchten. Ja, wir haben ja vorhin gesagt,
Röntgenstrahlung geht ja im Wesentlichen durch. So toll,
wenn wir jetzt einen Röntgenlaser hätten und da sind zwei Spiegel,
dann geht die Röntgenstrahlung ja im Wesentlichen durch die Spiegel durch.
Das heißt, wir haben gar keine Spiegel. Ja,
das heißt, ein Laser, also wenn man einen Röntgenlaser bauen möchte,
ja, Janosch hat ja den Strukturbiologen gesagt,
mache ich euch alles, aber gib mir meinen Röntgenlaser.
Gute Strukturbiologe hat überhaupt keine Ahnung von Röntgenlasern. Dann ging er
irgendwann zu Beschleunigerphysikern und da komme ich jetzt gleich drauf,
eben weil halt das normale Laserprinzip nur im Optischen funktioniert,
aber nicht im Rentenbereich.
Also brauchen wir einen freien Elektronenlaser
Kann sich jemand vorstellen, warum,
was diese ersten zwei Wörter bedeuten, freie Elektronen,
und zwar jetzt im Vergleich zu dem Laser,
wie wir es eben beschrieben haben,
wir sind eine Elektronen in dem, in dem normalen Laser.
Ja? Ja. Ja. Ja. Ja. Ja
, also ganz genau richtig. Im herkämmlichen Laser,
eben in dem Kristall, bei uns zum Beispiel im Labor,
da sind die Elektronen ja gebunden.
Ja, die haben ja gar keine Chance aus dem Kristall rauszukommen.
Die sind ja echt gefangen. Beschleunigerphysiker kam auf die Idee,
wir machen das ganz liberal, wir nehmen freie Elektronen.
Ja, die fliegen also jetzt, die sind nicht mehr
gebunden an Materie, sondern die fliegen durchs Vakuum.
Ja, ihr könnt euch da jetzt so eine kleine Wolke
an Elektronen vorstellen, die rasen da fast mit Lichtgeschwindigkeit durch.
Und jetzt kommt hinter diesem Beschleuniger ein Undulator. Ja,
das ist nicht der Ondulator, den es beim Friseur gibt,
sondern ein Undulator meint aber dasselbe, die Elektronen werden jetzt auf eine Slalombahn gelenkt.
Und zwar sieht man das hier durch ein Magnetfeld.
Kann sich jemand erinnern, wie heißt in der Physik die Kraft,
die auf so einen Elektronen wirkt, wenn es durch ein Magnetfeld fliegt,
Genau, das ist die berühmte Lorenzkraft.
Und die überträgt keine Energie, sondern die ändert nur die Richtung der Elektronen.
Also die Elektronen, die werden jetzt hin und her geschüttelt auf eine Slalombahn.
Also wie ein Skifahrer, der also den Berg hinunter wedelt,
wenn er es ganz elegant kann,
machen die Elektronen jetzt auch so eine Slalombahn.
Und jetzt kommt Einstein ins Spiel, eine bewegt eine
beschleunigte Ladung,
was macht die
Nee. Nein. Viel einfacher. Also das heißt,
das war eigentlich schon vor Einstein bekannt. Herz. Deswegen heißt doch
der Fernsehturm in Hamburg so, wenn mich nicht alles täuscht.
Wenn man Elektronen in so einer Antenne rauf, also im Wechselstrom anlegt,
die gehen rauf und runter, was machen die dann?
Herdsche, Diepol, die strahlen Wellen ab.
Elektromagnetische Wellen. Und das ist jetzt eben das Coole,
die Elektronen bewegen sich fast mit Lichtgeschwindigkeit durch diesen Unulator hindurch,
werden zeitlich beschleunigt, klickt man so hin und her,
man schüttelt die also und dann geht es denen so wie manchen im Kardosell,
manche Menschen im Kardosell, die spucken.
Also die Elektronen, die geben jetzt Röntgenlicht ab.
Und übrigens, die Szene ist aus Wikipedia geklaut,
aber ich finde das Schema einfach total gut.
Die Elektronen geben also immer, deswegen nennt er das
spontane Emissionen, die geben jetzt immer Röntgenlicht ab.
So, das ist zunächst mal jetzt nicht so weltbewegend.
Aber jetzt kommt was ganz Entscheidendes hinzu.
Und zwar machen wir jetzt mal ein kleines Experiment.
Das übrigens das einfachste Experiment, was man überhaupt im Hörsaal
machen kann. Und zwar sollte jetzt einfach
mal spontan klatschen
Okay, stopp, und jetzt klatscht er nochmal,
genauso laut wie jetzt eben, aber im Gleichtakt.
Also irgendeiner muss jetzt einen Takt vorgeben. Sehr schön.
Merkt er den Unterschied? Es ist beim zweiten Mal
viel intensiver als beim ersten, aber das Coole ist,
eure Hände, die tun nicht mehr weh, richtig?
Also ihr habt jetzt beim zweiten Mal nicht wie geisteskrank geklatscht,
sondern genauso wie vorher. Aber was war der Unterschied?
Dieser Gleichtakt eben, ja. So,
der freie Elektronenlaser, der muss es jetzt schaffen,
dass die Elektronen dir ständig das Röntgenlicht ausspucken,
dass sie das im Gleichtakt machen
Ich habe euch vorhin erzählt, ihr könnt euch das wirklich
anschaulich vorstellen, wie so eine Elektronenwolke.
Elektronen haben ja alle was, die haben alle dieselbe.
Ja, das auch, aber jetzt wichtiger hier.
Genau, die haben alle dieselbe Ladung. So, die
sind also alle gleichnamig geladen. Was machen denn Ladungen,
die dieselbe Ladung haben? Genau. So,
normalerweise würdet ihr erwarten,
wenn wir jetzt aus diesem Elektronenbeschleuniger so eine kleine Wolke an Elektronen haben,
die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, dann würde man ja erwarten,
die mögen sie nicht,
die fliegen auseinander
Und jetzt kommt aber was total Cooles,
was in der Beschleunigerphysik entdeckt worden ist. Die Röntgenstrahlung,
die die Elektronen abgeben, das sieht man hier in dieser Zeichnung,
die wirkt jetzt zurück auf die Elektronen.
Also, als wir vorhin im Gleichtag geklatscht haben,
irgendjemand hat den Takt hervorgegeben.
Woran habt ihr denn gemerkt, wie ihr klatschen sollt?
Ja, genau, ihr habt einfach zugehört,
irgendeiner klatscht halt am lautesten und dann passt man sich dem halt an.
So, jetzt ist aber das Problem,
die Elektronen, die haben weder Ohren,
noch ein Hirn
Wir müssen es irgendwie anders schaffen, dass die mitbekommen,
was machen die anderen Elektronen. Und das Coole ist also eben,
jedes Elektron gibt dir ein Lichtfeld ab und dieses Lichtfeld wird jetzt
auf die anderen Elektronen zurück. Und das führt dann dazu,
wenn man jetzt diese FEL-Physik einigermaßen versteht, das kostet im Masterstudiengang,
nur um euch mal einen Geschmack zu geben,
ist eine meiner Spezialvorlesungen ein Semester.
Also nach einem Semester habt ihr verstanden,
warum die Elektronen so lieb sind,
dass sie sich plötzlich in kleinen Scheibchen anordnen
Die Vorlesung übrigens, wenn man gerade eingibt, auf Lecture to go.
Irgendjemand lacht wahrscheinlich, hat er es gesehen.
Also wer FEL-Physik sich jetzt schon anschauen will,
geht auf Lecture to go und da gibt es die Vorlesung zur FEL-Physik.
Das ist an manchen Stellen etwas haarig,
aber ich versuche es immer möglichst anschaulich zu machen.
Am Ende versteht man also, wenn die Elektronen nicht mehr
direkt miteinander Wechselwirkung, sondern über das Licht miteinander wechselwirken,
dann machen die genau dasselbe wie ihr.
Ihr habt ja auch gehört, was machen eigentlich
die anderen hier im Hörsaal. Ah, okay,
die klatschen so und dann klatsche ich auch mal so.
Und genau das funktioniert eben auch in der Natur.
Das ist eigentlich eine total coole Sache.
Und so funktioniert der freie Elektronenlaser. Am Anfang Also
ansteuerlich gesprochen, klatschen die Elektronen völlig durcheinander.
So kleiner Kindergarten. Am Ende aber klatschen sie eben gleich Takt.
Und deswegen ist die Rentenstrahlung beim freien Elektronenleser so typischerweise eine
Million Mal intensiver als sie am Anfang dieses Geräts hier ist.
So, jetzt kommt dann, jetzt kommt aber der Wirtschaftsmensch.
Jetzt kommt die Ökonomie. Also, die Strukturbiologen, die
wären jetzt total happy. Die kommen mit irgendwelchen exotischen Proteinen,
halten das in den Röntgenblitz, der Beschleunigerphysiker baut ihnen den Beschleuniger, den Odulator.
Jetzt kommt aber der Wirtschaftswissenschaftler oder noch viel schlimmer der Politiker.
Der will jetzt wissen, was kostet das Ding eigentlich
Ich überspringe das mal eben. Was kostet das Ding?
Das hängt natürlich damit zusammen, wie groß ist diese Anlage?
Ich habe euch vorhin ja mal das Luftbild aus Amerika gezeigt.
Hier seht ihr jetzt übrigens einen Uralt-Plan von dem europäischen Röntgenläser,
der eben bei Desi gebaut wird, wo manche ja offensichtlich schon waren.
Für mich als Bayern finde ich es immer genial.
Das ist ja eine Maschine, die geht von einem Bundesland ins Nächste.
Das wäre in Bayern undenkbar, bei einer sehr riesengroß.
Hier geht es also von Bahnenfeld bis Schenefeld und es liegt in Schleswig-Holstein.
Absolut fasziniert, ja. Und das ist eine Maschine,
ein Gerät, wenn ihr so wollt.
Ich hatte mal das Vergnügen, am Ende des Tunnels,
schon auf Schleswig-Holsteinischen Boden entlang zu gehen.
Also man kommt sich wirklich vor wie in einer U-Bahn.
Das sind viele, viele hundert Meter, also ein paar Kilometer.
Man sieht ja hier so die Länge,
insgesamt ist das Ding dann 3,2, 3,3 Kilometer lang.
Das Beschleuniger plus dieser Unulator. Und jetzt ist schon klar,
verdammt, das ist riesengroß, das ist sicher sauteuer.
Genau, und daher kommt diese Milliarde. So,
und die Physiker, verrückt, wie ich vorhin schon mir gesagt habe,
die kommen jetzt auf die Frage, geht das eigentlich auch kleiner?
Ja, könnte man jetzt so einen freien Elektronenlaser viel kleiner bauen?
Und die also geht das Tabletop. Mit anderen Worten könnten wir
den FEL auch hier in den Hörsaal hineinbauen. Und die verrückte Antwort lautet,
vielleicht, also mir ist dieses vielleicht total wichtig, nicht,
dass einer hier rausgeht und sagt, der Grüner behauptet,
wir können DSI einstampfen, das machen wir jetzt hier im Hörsaal.
Die Uni Hamburg macht jetzt hier den Röntgengläser.
Was wir machen, ist absolute Grundlagenforschung. Ja,
also als diese Idee aufkam und ich da federführend dabei war,
so vor acht Jahren oder so, da waren wir die absoluten Exoten.
Ja, da hieß es wahrscheinlich ja die Bayern,
die Bayo waren. Irgendwann wurde das Thema aber international anerkannt.
Mittlerweile haben wir ein internationales Wettrennen. Wer ist der Erste,
der so ein Tabletop freien Elektronenlaser bauen kann
Im Prinzip ist es dasselbe wie bei den Großen,
aber es gibt einen großen Unterschied und das sieht man hier
auf der Zeitung, wir machen irgendwas mit einem Laser,
das ist der ganz große Unterschied.
Weißt denn jemand, welche Art von Wellen,
also die, die bei dir, sie waren,
beschleunigen, denn die Elektronen bei Desi.
Welche Art von Wellen sind es? Das ist nicht Laserlicht,
sondern das sind fast was Alltägliches und süß alltäglich.
Das sind Radiowellen. Das sind Radiowellen,
die der Elektrone beschleunigen, aber Radiowellen haben halt solche Wellenlängen
und wir machen das Ganze mit einem Laser
800 Nanometer. Das heißt, das Fiese ist,
wir haben übrigens gerade einen der stärksten Laser,
die es überhaupt gibt, in Hamburg stehen.
Das Problem ist nur, das sieht man nicht.
Also ihr könntet genau zweimal in den Laser gucken,
mit dem linken und mit dem rechten Auge,
dann seid ihr blind, habt aber nichts gesehen,
weil wir 800 Nanometer nicht sieht als Mensch.
Es ist dumm gelaufen. Der Grund ist,
dass ein Hochleistungslaser, der hat en enorm viel Energie,
der hat eine enorm hohe Leistung.
Also ich kann euch die Leistung ja nennen, 200 Therabatt.
Ich habe jetzt übrigens im Sommersemester wieder die Erstsemesterstudierenden,
Physik 1, beliebte Frage, die ich immer stelle,
Irgendwie muss es ein Problem geben mit der Zahl.
Wir haben also jetzt wirklich in unserem Labor,
mit der sie zusammen einen Laser stehen, der 200 Terrawatt.
Hat irgendjemand von euch eine Ahnung,
wie viel Leistung hatten ein Kernkraftwerk, so Pi mal Daumen?
Ungefähr. Du hast die jüdische Straße. 30,
was? Das ist eher ein Winterrad. Stimmt,
aber nachdem Pro Con jetzt pleite ist,
macht es auch keinen Spaß, mir das in Windrädern umzurechnen.
Also ein Kernkraftwerk hat so wie 1.000 Megawatt,
ein Gigawatt
So, und als ich mit der Uni Hamburg verhandelt habe,
wo ich das Schöne München verlassen soll, habe ich gesagt,
ich will aber so einen Laser haben.
Der Dekan hat aber nicht gezuckt. Warum hat der nicht gezuckt?
Also nochmal 200 Terrawatt, das ist ja ein Vielfaches,
da bräuchte Hamburg ja eine Million Kehrkraftwerke, ist politisch vermutlich nicht machbar.
Also irgendwo muss jetzt ein kleiner Denkfehler sein. Wer kommt drauf
? Und der Laser hat wirklich die Leistung, ja.
Also das ist kein Unsinn. Leistung in, ja.
Das leistet ihr am Ende, wenn wir jetzt ausmachen
Nein. Also ja, also das ist die Leistung,
die der hat. Ihr müsst auch noch mal kurz denken,
wie Leistung definiert ist in der Physik.
Leistung ist... Genau, da kommt die Zeit vor.
Leistung ist Arbeit durch Zeit. Wer ahnt jetzt,
was der große Unterschied zwischen unserem 200 Terrawatt Laser
und so von mir so am schnöden Windrad ist?
Bei der Welt, ja, so kurz.
Richtig. Genau, das ist es. Ja,
ein Windrad, also wenn der Wind bläst,
rotiert ja kontinuierlich, produziert den Strom kontinuierlich. Unser Laser,
der schießt auch nur übrigens genau auf derselben Zeitskala,
Er hat also 20 Fan-To-Sekunden, das ist also auch wieder Milliardsel vom Millionenstel,
mal 20, gibt es 20 Fantasy-Kunden.
Der schießt also nur in extrem kurzer Zeit,
deswegen hat er so eine hohe Leistung.
Das heißt, obwohl wir viel Geld ausgegeben haben,
macht der Laser im Wesentlichen gar nichts.
Ja, der macht es fünfmal in der Sekunde,
aber das ist so wahnsinnig kurz, dass er eigentlich gar nichts macht.
Aber in der Zeit, wo er was macht, ist es eben spannend.
Und die Frage ist, was macht jetzt der eigentlich genau?
Wir schießen unseren Laser in eine kleine Kapilade,
die besteht im Wesentlichen,
könnt ihr euch jetzt vorstellen,
aus Wasserstoffgas
So, links seht ihr eine Computersimulation. Farb codiert ist einfach
die Dichte der Plasma-Elektronen. Und rechts seht ihr das Alltagsbeispiel
. Also da rein auch in München und mein liebes Team
macht wie immer am 1. April halten April-Scherz.
Also ich kann in die Arbeit, mir ist schon aufgefallen,
kein Mensch ist da, alle Türen sind zu,
sperre meine Tür auf und mein gesamtes Büro war voller Luftballone.
Ja, wurde sogar mit irgendeiner versteckten Webcam dann gefehlt, gefilmt.
Mein dummes Gesicht. Und da habe ich mir aber gedacht,
wir müssen sofort als Pädagogisches draus machen und haben alle Ballone
einfach in den Gang gelegt.
Das seht ihr hier auf dem oberen Bild
Und da nehme ich einfach ein Brett, ja,
kann jeder beim Kindergeburtstag nachspielen oder bei Ikea im Bällebad.
Ja, man nimmt ein Brett und läuft jetzt durch diese Luftballone.
Und dann passiert was Cooles und das sieht man eben witzigerweise
an dem unteren Bild hinter mir.
Kurz hinter mir ist was. Genau, da sind
keine Luftballone mehr. Wenn sich manche denken, wow,
so nah an der Wirklichkeit ist die Physik.
Das hat aber natürlich jetzt eine enorm wichtige Konsequenz.
Also im Plasma läuft dieser Laser durchs Plasma,
wie ich eben mit dem Brett durch die Luftballone und schiebt die Elektronen zur Seite.
Ja, jetzt passend zur Jahreszeit. Das ist also
der Laser ist wie ein Schneeflug. Der schiebt die ganzen
Elektronen zur Seite. Er ist allerdings nicht stark genug,
auch die Atomkerne zur Seite zu schieben.
Die bleiben also stehen. Das heißt, der Laser schiebt
die Elektronen raus. Jetzt merken die Elektronen aber,
oh, da gibt es ja noch Ionen.
Und was machen die Elektronen dann? Weil Lionen ja
positiv geladen sind
Genau. Die gehen wieder zurück. Ja,
das sieht man also hier, die Elektronen werden recht,
also der Laser, sorry, der fliegt von links nach rechts,
schiebt die Elektronen jetzt zur Seite und hinter dem Laser sammeln sich die wieder, die Elektronen.
So, das heißt, bis jetzt haben wir nichts anderes gemacht als eine Ladungstrennung.
Ja, aber jetzt denkt man an die Physik,
Physikunterricht zurück, wenn er eine Ladungstrennung macht,
dann habt ihr sowas wie im Physikunterricht, einen,
zwei Platten, ungleichnamig geladen, ist ein Magnet auch nicht schlecht.
Elektrische Ladungen. Also Mist, fast. Ja,
genau, aber das Ding heißt erstmal, ein Kondensator.
Genau, und jetzt hat man also zwischen den zwei Ladungen,
das stimmt, eine elektrische Feldstärke. Und jetzt wird es
spannend. Dieser Laser also fliegt jetzt fast mit Lichtgeschwindigkeit durchs Plasma.
Das ist interessant, es zuckt keiner. Also manchmal,
wenn ich das in Vorträgen sage,
dann stellen sich manche an dem Wort fast,
hier hat es jetzt keiner gestört.
Also normalerweise ist klar, ein Laser im Vakuum
hat welche Geschwindigkeit
Lichtgeschwindigkeit, was soll er sonst haben?
Im Plasma hat er die aber nicht, das liegt daran,
weil das Laser besteht ja aus elektromagnetischer Strahlung und die spüren sozusagen die Elektronen.
Deswegen wechseln wir nie damit und das bremst den Laser etwas ab.
Das sind allerdings nur im Prinzip ja sowas wie die vierte,
dritte Stelle hinterm Komma.
Also kein großer Effekt. Was ist denn jetzt Plasma?
Oh, sorry, gute Frage. Also die Frage ist,
was Plasma ist,
weiß es jemand
Wie geht es den Elektronen im Plasma? Die sind nicht
mehr gebunden an ihre Atomkenne, sondern die sind frei.
Das heißt, nach außen ist das Plasma nach wie vor ladungsneutral.
Also wenn ich weit weg gucke, sehe ich nichts.
Aber wenn ich nahe hingucke, sehe ich die Elektronen,
die sind jetzt so heiß, passen wir uns immer über was heißes,
dass die nicht mehr an ihre Atome gebunden sind.
Das heißt, die schwirren jetzt frei durch die Gegend.
Und deswegen, wenn unser Laser ankommt, dann sieht ihr
diese freien Elektronen vor sich. Das liegt übrigens daran,
unser Laser ist so extrem stark,
dass der, bevor diese Hauptpuls kommt,
kommt ein kleinerer Puls und der ist auch schon so stark,
dass der alles platt macht.
Der ionisiert,
also das Wasserstoffgas durch
So, und was jetzt passiert ist, wir haben eben auch eine Ladungstrennung und das Fantastische ist,
die elektrische Feldstärke, die wir jetzt erzeugen, die ist so stark wie in einem Atom.
Das sind atomare Feldstärken. Okay. Das heißt,
unser Laser ist so stark,
dass der jetzt im Plasma hinter sich so eine kleine Blase,
deswegen heißt das Ding auch Bubble,
erzeugt und in dieser kleinen Blase, die ist nicht groß,
ja, die ist vielleicht 10, 30 Mikrometer klein,
aber innerhalb dieser Blase gibt es jetzt eine Feldstärke,
die so stark ist wie in einem Atom.
Ja, also mal kurz überlegen, Atom ist ein Angström groß ungefähr
Und wir reden hier über viele Müllkometer. Das ist also
eine große Struktur, diese Blase. Im Vergleich zum Atomen
. Und in dieser Blase haben wir jetzt atomare Feldstärken.
Und was heißt das jetzt? Naja,
wenn ein Elektron eingefangen wird in dieser Blase,
dann sieht dieses Elektron natürlich diese enorm hohe, diesen enorm hohen Feldratienten,
eine enorm hohe Spannung und dadurch wird das Elektron,
was passiert mit dem?
Das sieht ein ganz starkes Feld,
also wird das Elektron
Beschleunigt, genau. Ja. Und der Witz ist,
wenn er zu uns ins Labor geht,
also vielleicht jetzt noch nicht, aber im Sommer,
wenn dann alles mal läuft,
oder ihr könnt natürlich in andere Labore gehen.
Mittlerweile gibt es ungefähr so 50 Labore weltweit,
die diese Laser-Plasma-Beschleunigung, wie das heißt, eben machen.
Da könnt ihr hingehen und dann kriegt ihr in eure Hand einen Beschleuniger.
Ja, weil die Kapilaren, die wir haben,
die sind eben so kurz, sind ein paar Zentimeter groß.
Das sieht aus wie im Bio-Unterricht beim Mikroskop, die Objektträger.
Das ist im Prinzip genau dasselbe. Ja,
weil wir eben so enorm hohe Felder erzeugen können,
sind jetzt plötzlich unsere Beschleuniger nicht mehr Kilometer lang,
sondern nur noch
ein paar Millimeter
Ja, das ist jetzt der Witz. Wir schrumpfen Kilometer auf Millimeter.
Das ist dann das Verständnis, so wird das beschweigt.
Naja, also stell dir mal einen ganz normalen Platten-Kondensator vor,
also dass hier eine positiv geladene Platte und hier negativ.
Das Elektron ist wie geladen. Auch negativ. Das heißt,
wenn ich das jetzt da reinsetzen würde,
was macht das Elektron dran? Genau, das geht zum,
eben weil es das Feld eben spürt, wenn du so willst.
Und in unserer Blase ist genau dasselbe. Es ist jetzt zwar kein Kondensator,
es ist mehr ein fährisches Feld, aber egal.
Aber das Elektron sieht das Feld und wird jetzt beschleunigt.
Und zwar extrem schnell. Also nach ein paar Millimeter hat es
enorm hohe Energien und ist so nahe an der Lichtgeschwindigkeit,
dass ich es dann nur noch an der sechsten oder siebten Stelle hinterm Komme von der Lichtgeschwindigkeit unterscheide.
Ja, das ist echt cool. Und das Ding könnt
ihr in der Hand halten. Also erinnert euch an das Luftbild von Stanford.
Ein Kollege hat mich mal mit dem Auto entlang gefahren.
Also vor und zurück. Und wie überall in Amerika gibt
es sogar da ein Speedlimit. Ja, ich meine,
dass es 20 Meilen in der Stunde waren, also dass wir ewig unterwegs.
Ja, und unser Beschleuniger könnte in der Hand halten.
Der große Unterschied, aber um es gleich nochmal zu betonen,
die großen Anlagen, die funktionieren.
Ja, also wenn ihr ein Auto kaufen wollt,
dann geht er auch in ein Autohaus und kauft euch ein Auto,
wo ihr wisst,
das fährt
ADAC hin oder her, ja. Aber er gibt nicht
zu uns, die gerade irgendwelche Seifenkisten zusammenschrauben. Ja,
was wir machen, ist wirklich Grundlagenforschung. Das Prinzip funktioniert,
dass weltweit, jetzt seit ungefähr zehn Jahren sozusagen gezeigt,
aber es gibt noch viele Detailprobleme, ja, die wir noch lösen müssen.
Also wer dieses Thema spannend findet,
der wird noch ganz viele Forschungsarbeiten machen können,
weil es wirklich noch ganz viele offene Fragen gibt.
Und die nächste coole Eigenschaft ist,
diese Elektronenpakete in dieser Blase jetzt, die wir beschleunigen,
die sind schon so kurz, wie wir sie brauchen.
Die sind schon Fan-To-Sekunden kurz. Ja,
die sind nur ein Milliardstel vom Millionenstel Teil einer Sekunde.
So extrem kurz sind unsere Pakete schon.
Also wer bei Desi war, Da ist es anders,
die starten total lange und müssen dann erst den sogenannten Bunch-Kompressoren sozusagen zusammengeschoben werden.
Bei uns aus dem Plastma kommen die schon so ultra-kurz heraus.
So, jetzt habe ich immer was von Medizin erzählt und sollte natürlich jetzt mal darauf eingehen.
Es gibt zwei Methoden, die wir uns überlegen. Das eine ist,
die Methode, die wahrscheinlich jeder von euch schon mal erlebt hat,
zumindest wenn sie irgendwas gebrochen hat, oder beim Kieferchirurgen,
beim Zahnarzt, die machen das ja auch mittlerweile ziemlich gerne.
Da wird dann einfach durchleuchtet und dann gibt es einfach
eine Absorptions-Kontrastbild
Ja, also irgendwelche Röntgenphotonen gehen durch die Knochen,
werden dort stärker absorbiert als im umliegenden Gewebe.
Und da gibt es einfach einen Kontrast zwischen durch den Knochen durchgegangen und nicht durch den Knochen durchgegangen.
Das ist das Bild, was der Arzt nachher sieht. So,
der Witz aber ist, jetzt haben wir herausgefunden,
wenn wir das mit unserer brillanten Röntgenstrahlung machen,
dann können wir dasselbe Bild erzeugen, was der Arzt sieht,
aber wir brauchen deutlich weniger Dosis.
Das liegt an zwei Gründen. Zum einen ist unsere Strahlung
eben wirklich gerichtet und deswegen kann man Photonen,
die gestreut werden, was in unserem Körper passiert,
weil wir relativ massiv sind und mindestens der Durchschnittsamerikaner,
die werden gestreut und die verschmieren jetzt den Kontrast.
Wenn wir das Streubild aber rausrechnen kann,
dann kann man den Kontrast erhöhen oder,
was natürlich viel interessanter ist, man lässt den Kontrast gleich,
braucht aber weniger Dosis, braucht weniger Röntgenphotonen.
Und der andere Grund ist, weil unsere Strahlung einfach brillanter ist,
das heißt, die ist im Spektrum nicht so breit,
wie die typischen Röntgenröhren. Also wir sind der Meinung,
wir kommen mit ein Drittel der Dosis aus,
das ist schon mal enorm,
weil typischerweise technologische Fortschritte sich eher so in der Preislage von
ein paar zehn Prozent abspielen oder so.
Und das ist noch nicht
das Ende der Fahnenstange
Der entscheidende Punkt aber ist, dass die gesamte Größe dieser Anlage
wirklich nur ein paar Meter ist. Es hätte jetzt damals,
als ich in München war, überhaupt nichts gebracht,
2005, 2006 kam diese Idee hoch,
wenn ich denen jetzt gesagt hätte, naja gut,
wir können zwar den Beschleuniger verkürzen,
aber der Udulator ist nach wie vor ewig lang.
Da hätte mindestens die Uni München gesagt, nee, Uniklinikum auch, nee.
Die stellen sich keine 200-Meter-Maschinen irgendwo hin. Aber wenn sowas
nur ein paar Meter ist, ist es natürlich genial.
Es gibt noch eine andere Methode, die genauso funktioniert,
nur nimmt man da nicht Udulatoren aus Permanentmagneten,
sondern noch viel eleganter und das bauen wir auch auf in
unserem Labor
Wir nehmen den Laser selber nochmal her. Ja, das ist in
der Physik total cool. Ob ein Elektron jetzt durch so
einen Udulator fliegt oder von vorne nochmal vom Laser angeschossen wird,
wenn ihr so wollt, es macht keinen Unterschied.
Es macht nach wie vor so eine Slalom-Bewegung. Ja,
deswegen ist die Methode sogar dann extrem kompakt,
weil wir noch nicht mal mehr diese Udulatoren brauchen.
Was wir aber hauptsächlich jetzt machen hier in Hamburg,
zusammen mit Kollegen in München, Uniklinikum hier, Eppendorf,
UKE, was wir gerne machen wollen, ist Röntgenflures Senzbildgebung.
Also, ich würde mal sagen,
der heilige Gral in der Medizin wäre ja,
Ein Patient kommt und man vermutet einen Tumor,
aber weiß nicht, wo er sitzt.
Also man schickt ihn vielleicht zur Rentenabsorptionsbildgebung, das sieht man aber nichts.
Also die Tumorart, die das hauptsächlich betrifft,
ist der Brustkrebs, weil eben die Dichte Unterschiede zwischen Tumor,
Gewebe und gesunden Gewähl halt extrem gering sind.
Deswegen ist es so schwer, den zu sehen.
Außer natürlich, er ist groß wie ein Tennisball,
aber er soll ja eben früh erkannt werden.
Und der große Traum in der Medizin ist,
man spritzt jetzt Antikörper, ja, irgendwo im Blutkreislauf,
die waren ja durch den Körper.
Und wenn die aber eine Tumorzelle sehen,
dann docken die dort an.
Ja,
coole Idee
Also die Idee ist natürlich schon fast uralt, würde ich sagen.
Das Problem ist aber jetzt, stellt euch vor, das würde funktionieren.
Also da hat irgendjemand einen Tumor, Antikörper docken Amptuma an.
Und jetzt, woher soll der Arzt sehen, dass das
tatsächlich passiert ist? Also wir bräuchten jetzt irgendeine Methode,
die uns irgendwie sagt, wo sind denn diese Antikörper?
Ja, wir können sie nicht vor den Patienten stellen und rufen,
weil die kaum Signale von sich geben.
Also, und die Idee, die jetzt kommt,
ist eigentlich 30 Jahre alt, man koppelt jetzt an,
ja, das Ding aus dem Ferienmedizin wirklich,
der besser gebracht wird
Richtig, die Methode gibt es auch in der Nuklearmedizin.
Das ist richtig, genau, die haben dann ein radioaktives Atomhuckepack.
Das ist aber nicht so ganz angenehm für den Patienten,
weil die radioaktiven Atome natürlich fröhlich vor sich hin strahlen,
vorlegen, auch dann noch, wenn die Behandlung oder die Untersuchung längstens vorbei ist.
Und noch dazu ist die räumliche Auflösung nicht besonders gut.
Aber die Methode gibt es, das stimmt.
Was wir jetzt machen, ist zunächst mal viel gesünder.
Wir geben jetzt dem Antikörper kein radioaktives Atomhockepack, sondern ganz toll ein Goldteilchen.
Ja, in meinem Schreibtisch, in meinem Büro lagern Tonnen Gold.
Nein, es sind natürlich Tonnen Gold, sondern so wenig,
dass es nur ein paar Euro wert ist.
Das sind also kleine Gold-Nanno-Teichen. Das ist aber auch nicht
so trivial, die zu bekommen.
Und was ist jetzt das Tolle daran? Naja,
wenn die Antikörper durch den Körper wandern und am Tumor sich andocken,
dann gibt es natürlich in Tumorgegend mehr Gold als sonst.
Richtig. So, normalerweise hat unser Körper aber kein Gold aus den Goldzähnen.
Aber dann guckt man auch nicht nach einem Tumor.
Normalerweise haben wir kein Gold. Also ich würde dann vor so
einer Behandlung oder Untersuchung auch nicht diesen Sekt mit Gold trinken.
Gibt es ja auch Blattgold. Ja, also wir haben normalerweise
kein Gold. Gold hat jetzt zwei super coole Eigenschaften.
Erstens ist es chemisch total träge. Das macht gar nichts.
Deswegen hatten wir ja Goldzähne. Zweitens, wir können Flur Ressenz machen.
Das heißt, wir schicken jetzt Röntgenstrahlung durch den Körper,
wir würden ihn abscannen. Und wenn jetzt Röntgenstrahlung auf Gold trifft,
dann erzeugt dieses Röntgenfoton in der untersten Schale dieses Goldatoms ein Loch,
also sprich ein Elektron wird rausgekickt,
ein Elektron aus einer Hürdenschale merkt, oh,
da unten fehlt dir was und fällt nach.
Und bei diesem herunterfallen wird wieder ein Röntgenfoton abgegeben und das würden wir nachweisen.
Okay, also ihr seht hier Bilder einer Maus,
das ist übrigens, die Idee ist wirklich uralt.
Das Problem ist nur, dass man bisher diese Flur Sense-Billigebung nicht in Vivo machen kann.
Das ist jetzt übrigens so ein ganz klassisches Beispiel für Interdisziplinarität.
Also, ich bin zum UKE gegangen, eigentlich,
weil wir gemeinsame Vorlesungen machen wollen. Und dann hat mir der Klinikdirektor dort erzählt,
dass sie eine Maus nehmen, die kriegt einen künstlichen Gehirntumor,
dann wird diese Maus irgendwo Antikörper gespritzt und dann haben die mit MRT,
also mit einer anderen Bildgebungsmethode, mal nachgeguckt,
ob man jetzt diese Antikörper verfolgen kann.
Und dann war aber das Dumme, dass man das nicht
gesehen hat. Dann kam aber irgendeiner auf die Idee,
wir nehmen jetzt die Maus,
schneiden die in kleine Scheibchen
Und unter Mikroskop hat man dann doch gesehen,
dass da ein bisschen Antikörper im Gehirn gelandet sind.
Also die große Herausforderung ist jetzt, eine Methode zu entwickeln,
wo wir diese Antikörper nachweisen können,
ohne dass man die Maus aufschneiden muss.
Findet meine kleine Tochter sowieso total doof. Und immer,
wenn sie gefragt wird, was ihr Papa macht,
dann antwortet die Original, ich quäle Tiere.
Ich kriege das nicht mehr aus ihr raus,
dass wir diesen fiesen Job an die Biologen am UKE abgeben und ganz sicher nicht,
wie er Physiker, aber das kriegt die nicht mehr raus.
Also deswegen, das findet sie überhaupt nicht mehr toll,
meine Arbeit. Also das Ziel ist,
wir quälen also keine Tiere und vor allem nicht die menschlichen Patienten
Und wenn wir es nicht jetzt so eine Methode überlegt,
hört sich die zunächst mal ganz gut an.
Aber die Frage ist, wie schafft man es denn wirklich winzigste Mengen nachzuweisen?
Das ist jetzt unsere Herausforderung. Ja, also es geht nicht darum,
dass wir den Patienten mit 10 Liter Goldwasser vollpunkten,
dann wird es auch jeder sehen.
Dann ist der Patient aber hops, sondern wir brauchen extrem kleine Mengen.
Zum Beispiel eine der wichtigsten Anwendungen wäre natürlich nach Metastasen zu gucken.
Also wenn man einen Patienten im Krankenhaus liegen hat,
der hat einen Tumor, da ist ja immer die große Frage,
hat er schon Metastasen?
Und wenn man die sehen will, dann muss man in
der Lage sein, eine ultrasensitive Methode zu haben.
Das sind ja
winzig kleine Mengen
Und was man da typischerweise in der Forschung macht, ist,
man macht erst mal einen Vergleich zwischen Wirklichkeit und Simulation.
Simulation ist in der Physik sehr beliebt,
war typischerweise zwar die grundlegende Physikkleis,
aber die Komplexität der Probleme ist meistens so groß,
dass man das nicht mehr mit dem Blatt Papier durchrechnen kann.
Man simuliert also alles durch. Ja, wir simulieren also
unsere Rentenstrahlung. Wir simulieren, was die Röntgenstrahlung im Körper
macht und wie sie dann nachgewiesen wird.
Und dann kommen da solche Bilderchen raus.
Also im Blau seht ihr Messdaten und in rot die Simulation.
Links sieht man den Fall mit Goldteilchen und rechts
Also jetzt kommt erstmal die völlig triviale Frage, woran erkennt man jetzt
den Unterschied, ob dort Gold drinnen ist oder nicht?
Das ist jetzt so wie im Kindergarten, der Test findet die zehn Fehler.
Nee, zwei weitere. Genau. Ja,
das ist nämlich die Flur des Zens der Goldatome.
Und ich meine, die anderen Hügelchen, Peaks,
die ihr hier seht, die bleiben gleich.
Aber wenn Gold an der Stelle ist,
an der wir mit der Röntgenstrahlung hingucken,
dann gibt es diese zwei Ausschläge,
die zwei Peaks
Die Konzentration übrigens, können wir es wahrscheinlich nicht lesen,
die ist noch extrem hoch.
Also hier steht gerade zwei Milligramm pro Milliliter.
Das ist viel zu viel. Ja, aber das sind
auch nur erste Testexperimente. Was wir in Simulationen sehen,
ist, dass wir extrem kleine Mengen sehen können.
Aber wenn jetzt mal die zwei Bilder anguckt,
wem fällt sofort auf, warum wir nicht wirklich happy sind?
Ja, und zwar dramatisch. Also wer, nein,
typischerweise in der Schule hat man keine logarithmischen Plots.
Also ich hoffe, man kann es erkennen,
das ist ein Zehner-Logarithmus, den man hier sieht.
Also immer von einem großen Stich zum nächsten
ist ein Faktor 10. Wir liegen also quasi total daneben.
Irgendeiner wollte noch
was sagen
Okay. Also, ihr müsst euch vorstellen, das Tolle
ist, wir arbeiten ja ganz eng mit Desi zusammen.
Die haben eine super Rindenquelle, eine Synchrotronquelle.
Und da durften wir also hin und haben die Messung gemacht.
Dann wird die ausgewertet und man freut sich zwar,
dass es offensichtlich an der Stelle, das ist ja ein Spektrum,
was man hier sieht, also verschiedene Photonenergien aufgetragen.
An der Stelle, wo wir eigentlich hingucken würden,
nämlich wo das Gold ist, das sieht super gut aus.
Also, bei den zwei Hügelchen ist die rote in die
blaue Kurve recht gut, aber eben ganz richtig erkannt.
Links sieht es total übel aus. Dann hatten wir nochmal
eine Strahlzeit, typischerweise spielt sich sowas am Wochenende ab
Und haben die Leute, die diese Beamline,
also den Experimentieraufbau, betreuen fast in den Wahnsinn getrieben,
weil wir irgendwie gesagt haben, wir müssen alles wegmachen,
was irgendwie auch nur in der Nähe des Strahls sein könnte.
Da mussten die Dinge abmontieren, die normalerweise Stunden kosten,
um die wieder hinzujustieren. Und als wir das gemacht haben,
war dann tatsächlich die blaue und die rote Kurve einigermaßen,
haben die dann überall eingestimmt.
Das Problem ist also, wenn man solche Experimente macht,
dann muss man erstmal auch über die Experimente nachdenken,
weil man sich oft Signale einfängt,
die gar nicht echt sind.
Typische Artefakte
Oder letztlich war das ein Teil, was hinter dem Experiment stand.
Das diente eigentlich dazu, dass die Röntgenstrahlung dort gestoppt wird.
Das hat aber zurückreflektiert zum Teil. Nämlich auch wieder Florian
Deszenz zum Beispiel. Und das haben wir hier mitgemessen.
Und man muss aber sagen, nicht nur noch bei Experimenten
kann man Fehler machen, sondern natürlich auch in der Simulation.
Und das ist eben die große Kunst in der Forschung,
diese beiden Welten zusammenzubekommen. Das Experiment muss sauber sein,
aber auch die Simulation. Und wenn es Abweichungen gibt,
dann muss man irgendwie schlau drüber nachdenken.
Das kann auch gut und gern mal ein halbes Jahr dauern.
So war es zum Beispiel bei dem Experiment zur Udulatorstrahlung
Aber wir sind jetzt gute Dinge, dass wir das verstanden haben,
die Physik. Und jetzt wirklich ganz konkret durchsimulieren können,
wie das nachher bei der Maus aussehen wird.
Weil die große Frage ist ja, welche Mengen können wir denn sehen?
Und später vor allem im Patienten natürlich. Jetzt sind wir
am Ende angekommen, noch mal kurz die Zusammenfassung.
Also ich habe euch was über Lichtquellen erzählt,
schnödeste Lichtquelle des Menschen ist natürlich die Glühbirne.
Wichtig ist nochmal, vielleicht also das Wort brillant mit nach
Hause nimmt. Also ich hatte schon mal in meinem,
das war noch in München, Journalistin da sitzen.
Ich fand das alles ganz toll, was wir machen.
Fragte mich am Ende dann aber,
warum wir
so arrogant wären
Ich bin überhaupt nicht drauf gekommen, was die meint.
Ja, die dachte, dass wir die Röntgenstrahlung brillant nennen,
weil wir uns für super genial oder halt brillant halten, ja.
Da ist mir erst bewusst geworden, verdammt, man muss ja erklären,
dass es ein fester Ausdruck in der Physik ist.
Also Licht, was extrem intensiv ist und eine extrem,
wie eine extrem kurze Zeit, ja,
das hat halt das Label Brillanz bekommen.
Also dazu kommt übrigens noch kleine Strahlgröße, kleine Öffnungswinkel,
aber die wichtigsten Eigenschaften sind intensiv in extrem kurzer Zeit,
dann ist das Ding brillant.
Und wenn man brillante Röntgenquellen hat, dann kann man eben völlig neue Anwendungen machen.
Zum Beispiel diese Einzelproteinabbildung, Noch andere hochinteressante Dinge. Und aber,
wenn man das Ganze schafft, eines Tages,
das ist wirklich super kompakt zu bauen,
dann kann man das Ding natürlich in ein Krankenhaus stellen und damit eben medizinische Bildgebung machen.
Das Bild übrigens, was ich vorhin nicht erklärt habe,
was man hier nochmal sieht, wir gehen mal kurz zurück.
Das war unser erster Versuch zusammen mit Biologen und Physikern
aus einem anderen Institut. Das sind Mäuse,
Neuronen und es gibt Peptide, die heißen L1 und die
sind absolut relevant,
wenn neuronale Schäden auftreten
Eines der ersten Tierversuche wäre, man nimmt eine Maus,
der wird das Rückenmark durchtrennt und dann bekommt sie aber dieses L1 gespritzt und Reparaturproteine.
Und in Maus versuchen sieht es tatsächlich so aus,
wie wenn es repariert werden würde.
Bei uns Menschenverkehrsunfall, das war es dann. Wenn das
Rückenmark einmal durch ist, ist es halt einmal durch.
Querschnittslähmung. Aber natürlich versucht man ständig in der Medizin,
das mal reparieren zu lassen. Und eines der wesentlichen Moleküle,
die dabei eine Rolle spielen, ist das L1, heißt es.
Und eines unserer ersten Ziele wird es sein,
in so einer Maus dieses L1 zu verfolgen
Und das Bild, was ihr hier seht,
ist angefärbt allerdings, wie dieses L1 tatsächlich auf Neuronen koppelt,
weil natürlich die Biologen, die wissen schon lange, dass es koppelt.
Wir Physiker stellen uns dann aber die Frage, wie viel koppelt denn da?
Denn wir müssen ja wissen, ob wir das überhaupt sehen.
Also wenn jetzt zum Beispiel nur ein müdes L1-Protein oder Peptit pro Neuronen
koppeln würde, das würden wir nicht sehen können.
Aber im Moment sieht es total gut aus,
dass die Natur da lieb ist, da koppelt so viel,
dass wir das auf jeden Fall sehen würden.
Ja, dann könnten wir in der Maus diese Reparaturproteine verfolgen
von außen. Die hat zwar ein durchgeschnittenes Rückenmark,
aber immerhin ist ihm nachher nicht mehr
ein Scheibchen geschnitten
Ja, ihr seht, der Fortschritt in der Medizin und irgendwann wird man die natürlich gar nicht mehr verletzen, sondern einfach nur noch Antikörper spritzen und die zu verfolgen. Genau,
und das wichtigste Wort nochmal zum Schluss,
das auch nochmal zur Erinnerung, diese Interdisziplinarität,
also wirklich große Fragestellungen wie jetzt Gesundheit, zum Beispiel,
die fordern wirklich, dass viele verschiedene Disziplinen zusammenarbeiten,
habe euch das ja versucht mit dem Tandem näher zu bringen und wollte damit auch echt nochmal Werbung für die Physik machen,
das ist nicht so,
dass die total abgehoben wäre und man nur in irgendwelchen Was weiß ich,
tiefsten Theorien einsteigt, sondern es gibt einfach Bereiche,
die sehr nahe an anderen Disziplinen sind und dort eben wirklich die vorhandenen Grenzen weiterschieben können,
wie zum Beispiel in der Bildgebung.
Das heißt, die Physik ist manchmal erstaunlich nah an
Real Life, was sie manchmal eben halt nicht ist.
Und auch nochmal die Werbung hier für die Uni Hamburg,
dass wir wirklich das betonen werden,
das Interdisziplinäre lernen und eben das fachübergreifende Studium,
dass eben zum Beispiel Medizinstudierende in den Genuss einer Physikvorlesung kommen.
Tatsächlich machen wir das übrigens, ab diesem Wintersemester eine Kollegin
von mir und ich tauchen in der Medizin auf.
Ja, eben, da gibt es so ein Wahlprogramm,
Second Track heißt es, da tauchen also jetzt plötzlich Physiker im Uniklinikum auf,
die völlig seltene Spezies dort.
Und wir wollen das aber auch umdrehen. Und ich habe
auch noch mit der Kollegin zusammen eine Vorlesung Biometical Physics, heißt die.
Da gibt es auch ein Seminar. Wir laden dann zum Beispiel
Leute auch aus der Wirtschaft ein, aus der Industrie.
Zum Beispiel Philips, die machen ja auch total interessante Bildgebungsforschung, ganz hochaktuell auch.
Und da steht dann eben mal vor den Physikstudierenden eine Klinikdetektorin.
Und als die mal dort stand und auf ihre Uhr blickte am Anfang und meinte,
sie muss aber wirklich in 45 Minuten weg,
weil ihre Patienten auf sie warten,
Ist mir natürlich echt nochmal bewusst geworden,
wie nahe die am Real-Life-Drang ist.
Also so nah werden wir in der Physik nie dran sein.
Aber trotzdem, wenn die Disziplinen zusammenarbeiten, dann kann man also wirklich
völlig neue Probleme angehen und auch echt völlig neue Lösungswege suchen.
Und das ist übrigens auch nochmal als Werbung für die Physik
das total Spannende, weil es gibt wirklich so viele grundlegende Fragen.
Und die Physik ist eine sehr innovative Wissenschaft, weil ja immer
neue Möglichkeiten gefunden werden müssen, um gewisse Dinge zu lösen.
Und eigentlich alle Gruppen, die hier forschen,
sind immer wirklich an der gerade aktuellen Grenze.
Also wir machen jetzt nicht die Schulphysik,
die ihr natürlich irgendwie lernen müsst,
um überhaupt mal ein Gefühl für die Physik zu bekommen,
sondern alle Gruppen, die es hier gibt,
die sind immer an der vordersten Front.
Sie schiebt sozusagen die Grenzen des Wissens einfach weiter.
Bis das dann irgendwann mal in Schulbüchern auftaucht, dann gehen
meistens 10.000 Jahre. Das ist halt leider ein Problem,
an dem wir auch irgendwann mal ansetzen wollen,
dass wir irgendwie universitäre Forschung noch näher in die Schulen reinbekommen.
Damit möchte ich ändern und bedanke mich für eure Aufmerksamkeit
Fragen. Oder hat jemand Lösungsvorschläge? Oh, übersprungen. Ach,
die eine, ich weiß genau welche, ich habe nur
eine übersprungen. Die da. Die habe ich übersprungen,
weil ich dachte, die haben nicht mehr so viel Zeit.
Das ist nur eine weitere Anwendung eines freien Elektronenlasers.
In Discos gibt es noch Stroposkop. Das Licht,
was schnell an und aus geht. Und was hat das
für einen lustigen Effekt
Das sieht nicht mehr die Bewegung sozusagen als Fluss, sondern
immer nur noch so Einzelanbildungen. So, ein freier Elektronenleser,
habt ihr schon gelernt, der hat die räumliche Auflösung von
Atomen und er hat die zeitliche Auflösung von chemischen Reaktionen.
Das heißt, man kann jetzt eben wie in der Discos,
Kloposkop, kam jetzt chemische Reaktionen filmen und zwar in Echtzeit.
Das wäre natürlich für die Chemie eine absolute Sensation,
weil viele chemische Reaktionskanäle einfach unbekannt sind.
Und so könnte man jetzt chemische Reaktionen angucken und die natürlich manipulieren.
Also man könnte in die Natur dann dazu bringen,
dass sie neue Reaktionswege geht. Dazu müsste man es aber
in Echtzeit filmen können und das ist eben auch so eine Anwendung.
Und weil diese Zeitskala Fan-To-Sekunden heißt,
nennt man diese Form der Chemie im Fempto Chemie
Das ist übrigens auch ein schönes Beispiel,
wie nahe das wieder mit der Physik zusammengeht.
Also es gibt interdisziplinäre Forschung, dies machen wir relativ nahe.
Also zum Beispiel typisches Beispiel ist Physik, physikalische Chemie.
Das klingt schon so, ja. Dann ist vielleicht das
Nächste die Chemie, Physik und Chemie macht viel zusammen,
aber man kann noch viel, viel weitergehen.
Also das war ja die Hauptmessage meines Vortrags an euch,
Physik und Medizin, dann sogar noch vielleicht Wirtschaftswissenschaft.
Irgendjemand muss es ja mal durchrechnen, was es kostet.
Kann sie die Gesellschaft das überhaupt leisten und so weiter?
Ja, da gibt es viele Beispiele für wirklich interdisziplinäre Forschung,
wo die Bereiche weit auseinander sind
Noch eine Frage. Oder irgendwelche Ideen. Wir sind
immer offen für Ideen. Hatte ich das wirklich verstanden,
dass sie nicht ihren Besonnenentwister bei der CD einster Mann.
Dabei sind es gut, ich muss es machen.
Ich kam ja auch in die erste Reihe sessen.
Ja, ja. Genau, und bei den Medizinern tauchen wir
eben auch auf. Das ist eine ganz feine Sache.
Tatsächlich auf Holz fixiert als Namenverteidigung oder Expertin
Also für uns ist Gold eine feine Sache,
weil das passt sozusagen von der Röntgenenergie.
Man muss ja mit einer bestimmten Energie einstrahlen.
Und das Problem ist, es gibt zum Beispiel auch Jod,
würde auch super funktionieren, aber da gibt es zwei Probleme.
Erstens, Patienten, die in Nieren leiden haben,
können kein Jod nehmen, das ist ein schlechtes Kontrastmittel.
Und das nächstgrößere Problem ist aber,
dass wir die Röntgenfloorestenz von Jod fast nicht mehr sehen würden,
weil das aus dem Körper nicht mehr rauskommt oder nicht effizient genug.
Also Gold ist wirklich perfekt. Erstens können unsere Chemieexperten,
das nennt man Kopplungschemie,
die koppeln alles
Also die koppeln irgendwann einen Euro-Schein an Golden Anno-Teichen.
Also sie können Antikörper alles an Gold eben ankoppeln.
Das heißt, es scheint verstanden zu sein.
Es macht im menschlichen Körper nichts, außer man macht es
jetzt zu groß und die Zellen verschlucken sich.
Und es ist von der Physik her eben optimal.
Das heißt, nein, wir verwenden tatsächlich nichts anderes.
Ja. Gold werden auch die Detektionen, also die Bildtiere umstrengen,
persönlich auch erfahren, dass man mal therapieren kann zum Beispiel.
Und das wäre halt mit Golden
nicht möglich
Das ist richtig. Aber also es ist so,
dass wir uns in unserer Forschung echt auf die Diagnostik beschränken,
weil wir für die Therapie vermutlich nicht die Flüsse aufbringen würden.
Ja, also wir möchten ja in der Diagnostik den Körper möglichst gar nicht schaden.
Und da reichen unsere relativ niedrigen Flüsse aus,
um eben ordentliche Bilder zu machen, aber nicht zur Therapie.
Währenddessen ausgeschlossen. Nee, nee, nee, nee,
wäre nicht ausgeschlossen für alle Dinge, weil unsere kompakten Röntgenquellen
natürlich in den therapeutischen Bereich hochgehen können wie nichts.
Das kostet bei uns nicht viel. Ja,
im Klinikum aber hat man dann sechs MEV,
kleine Mini-Linar, also Linearbeschleuniger stehen, sind riesen Anlagen.
Aber wir könnten leicht so viel höher deine Energien gehen
Werden wir aber nicht machen. Das war jetzt immer das Problem an dieser neuen Forschungsmethode.
Wir nennen es bei Diagramme irgendwie. Ach so,
nein, also als Problem würde ich es jetzt nicht bezeichnen.
Ich wollte euch nur mal einen Eindruck geben,
wenn man eine Idee hat und die einfach mal durchrechnet und dann erst Experimente macht,
dann ist es das Typische in der Forschung,
das passt erstmal nicht zusammen.
Ich meine, wir sind ja schon mal glücklich, dass die Goldpeaks zusammenpassen.
Also das wäre dramatischer, wenn die total verschoben wären,
dann wäre entweder der Detektor kaputt oder wir wären keine anständigen Physiker.
Das ist auch nicht ausgeschlossen. Ja,
ich wollte euch nur das Gefühl vermitteln,
das ist der typische Zustand, den man hat,
wenn man zum ersten Mal Experiment und Simulation zusammenbringt,
das passt nicht
Und da muss man einfach weiter nachdenken, warum passt es jetzt nicht?
Dann macht man weitere Experimente, prügelt den Simulanten,
also der, der die Simulation gemacht hat.
Und irgendwann geht es dann schon zusammen.
Oder auch nicht, dann ist es sogar richtig spannend.
Ja, also das ist jetzt alles funktioniert. Ja,
wir sind gute Dinge. Wir haben auch gerade ein Patent
eingereicht. So, keine Zeit. Grundlagenforschung. Das ist
unser Ziel, dass wir das machen. Oh Gott,
ich ahne schon, es rennt der Nächste zur Mopo und sagt,
grüner sieht, morgen Tumor in Mäusen.
Dann fände es meine Tochter wahrscheinlich wieder cool,
weil es hört sich nicht nach Quellen an
Naja, das natürlich. Genau, theoretisch, ja.
Okay, ich glaube, jetzt müssen wir aufhören,
die winken schon ganz hektisch da hinten.
Die Zeit ist um. Also danke nochmal für die Aufmerksamkeit,
wenn jemand Fragen hat, auch zum Studium oder sowas,
könnt ihr auch gerne meinen Namen googeln,
einfach Florian Grüner eingeben und mir eine Mail schicken.
Die wird dann irgendwann beantwortet