Der Professor der kleinen Dinge

Was haben Wasserstoff, Conrad Röntgen und ein dunkler Wald miteinander zu tun? Aus der Sicht von Hans-Georg Steinrück jede Menge. Der Physiker ist Professor am Institut für nachhaltige Wasserstoffwirtschaft (INW) des Forschungszentrums Jülich und verantwortet den Bereich Katalytische Grenzflächen (INW-1) als Direktor.

Seit Ende 2023 ist er am INW der Experte für die kleinsten Teilchen. Im übertragenen Sinn von Goethes Faust will Hans-Georg Steinrück wissen, was die Welt im Inneren zusammenhält. Genauer gesagt die Wasserstoff-Welt. Um diese kleinsten Teilchen betrachten zu können, benutzen Hans-Georg Steinrück und sein gerade im Aufbau befindliches Team des INW-1 das Röntgen.

Also genau die Strahlung, die Conrad Röntgen 1895 entdeckt hat und die heute genutzt wird, um in einen undurchsichtigen Körper hineinzuschauen. Beispielsweise, um festzustellen, ob ein Knochen gebrochen ist oder nicht.

Prof. Hans-Georg Steinrück erklärt die Grundlagenforschung in seinem Institutsbereich INW-1. Foto: Forschungszentrum Jülich/Jansen

Ångström – die perfekte Wellenlänge

„Für unsere Zwecke gibt es keine bessere Methode“, sagt Hans-Georg Steinrück. Deswegen plant er gerade den Aufbau eines Röntgenlabors in Jülich. Dass Röntgen für die Analyse der atomaren Ebene gut geeignet ist, hat mit der Wellenlänge der Strahlung zu tun. Diese beträgt ca. ein Ångström, was dem zehnmillionsten Teil eines Millimeters entspricht. Ein Ångström ist ebenso eine typische Größe für den Radius eines Atoms. Also haben Röntgenstrahlen genau die richtige Wellenlänge, um kenntlich zu machen, wenn sich auf atomarer Ebene etwas verändert. Entweder, weil sich die Position eines Atoms oder Moleküls verändert hat oder weil ein Molekül oder Katalysatorteilchen auseinandergebrochen ist.

Schematische Darstellung des Röntgen eines katalytischen Reaktors, um dessen innere Struktur auf der molekularen, nanoskaligen und mesoskopischen Ebene aufzuklären.

In vielen Fällen und im Gegensatz zum gebrochenen Knochen erhalten Hans-Georg Steinrück und sein Team aber kein konkretes Röntgenbild, welches 1:1 zeigt, was passiert ist. „Wir modellieren das Signal und konstruieren damit ein Modell des beobachteten Phänomens“, erklärt der Physiker im Rahmen der HC-H2-Veranstaltung Brainergy Park Connect, bei der die Anrainer des Parks zu einem Mittagessen zusammenkommen. Den Zuhörern erklärt er das Röntgen von Molekülen und Atomen anhand  eines abstrakten Vergleichs mit einem dunklen Wald, in dem die Bäume nicht mehr zu sehen sind. „Wenn wir wissen wollen, wie groß die Bäume sind, welche Form sie haben und wie weit sie voneinander entfernt sind, schicken wir lauter leuchtende Bälle in den Wald und beobachten, wie diese abgelenkt werden. So können wir Rückschlüsse auf die Bäume ziehen.“

Synchrotron und Röntgen-Labor

In Zukunft soll das mit dem Röntgen-Labor möglich sein. Bereits jetzt arbeitet die Gruppe an sogenannten Synchrotron-Strahlungsquellen, die sie z. B. in Hamburg oder Grenoble nutzen können. „Wir werden weiterhin auch eine Synchrotron-Gruppe sein, weil wir von den Möglichkeiten dieser Technologie sehr profitieren“, sagt der Direktor. Ein Synchrotron ist ein Teilchenbeschleuniger und eine Quelle extrem hellen Röntgen-Lichts. Die Daten, die Messungen mit einem Synchrotron ergeben, sind vielfältiger und genauer. Allerdings steht ein Synchrotron deutlich seltener zur Verfügung, weil es viele Forschungsgruppen nutzen wollen. Das eigene Röntgenlabor der Zukunft bietet dann die Chance, kontinuierlich zu messen. Die Mischung macht`s am Ende. Eine größere Datenmenge an wenigen kurzen Zeitpunkten und eine lange Datenreihe ergeben in der Zusammenschau einen schlüssigen Datensatz.