Stel je voor: je wilt de precieze structuur van een molecuul vastleggen, maar het proces duurt zo snel dat je atomen uit elkaar vliegen voordat je een foto kunt maken. Dat klinkt als sciencefiction, toch? In de hypermoderne XFEL-faciliteit in de buurt van Hamburg gebeurt dit echter dagelijks, maar ze hebben een slimme truc gevonden om dit te omzeilen. Je leest dit artikel omdat de technologie die hier wordt gebruikt niet alleen de wetenschap transformeert, maar ook de manier waarop we naar de kleinste deeltjes in het universum kijken.
De reis van het pakketje: van elektronenstroom naar gerichte lichtstraal
Voordat de magie plaatsvindt, moeten de extreem snelle elektronenstromen, die de grenzen van Hamburg naderen, eerst worden klaargestoomd. Ze worden opgesplitst in kleinere ‘pakketjes’ en naar een van de vijf beschikbare tunnels geleid. In mijn praktijk als verslaggever merkte ik op dat de precisie hier ongelooflijk is; het gaat niet om een beetje licht, maar om perfect getimede snippertjes energie.
De 200 meter lange slang: de kunst van het wisselen van richting
Om bruikbare data voor de experimenten te krijgen, moeten die elektronen iets radicaals doen: veranderen in fotonen – lichtdeeltjes. De truc hiervoor is een apparaat genaamd de undulator. Dit is letterlijk een 200 meter lange rij van permanentmagneten, die om en om gepolariseerd zijn.
Wat gebeurt er nu? De magneten dwingen de elektronen tot een zigzagbeweging. En hier zit de kern van de zaak: elke keer dat een elektron scherp van richting verandert, zendt het een extreem korte röntgenflits uit.
- Deze flitsen hebben de kracht van laserlicht.
- Ze worden tot wel 27.000 keer per seconde afgevuurd.
- Elke puls duurt slechts enkele femtosekonden – sneller dan het oog kan knipperen, duizenden keren.
Real-time films maken van moleculaire chaos
Onderzoekers beschieten complexe materie, zoals die virale eiwitten waar we tijdens de pandemie over lazen, met deze supersnelle pulsen. Natuurlijk wordt de probe door de intensiteit vernietigd. Maar hier is de slimme vondst die men vaak over het hoofd ziet:
De pulsen volgen elkaar op met intervallen van slechts 220 nanoseconden. Dit betekent dat we een reeks röntgenbeelden krijgen die snel genoeg zijn om een chemische reactie letterlijk in realtime vast te leggen, als een extreem hoge-snelheidsfilm.
De datadruk: meer data dan je kunt opslaan
Dit proces genereert een lawine aan informatie. Denk aan 27.000 beelden per seconde die een detector moet verwerken. Opslaan is simpelweg geen optie; de pijplijn zou verstopt raken. Daarom hebben ze een unieke oplossing bedacht voor elk pixeltje op de sensor:
Elke pixel is uitgerust met een kleine buffer in de vorm van condensatoren. Dit is vergelijkbaar met een kleine emmer die het water (de data) tijdelijk opvangt, voordat het naar de hoofdbekken wordt verplaatst.
In totaal produceert deze faciliteit, die bijna het hele jaar door 24/7 draait, meer dan 30 Petabyte aan gegevens per jaar. Ter vergelijking: dat is de hoeveelheid om miljarden foto’s op te slaan. Dit is het Nederlandse equivalent van de grootste data-opslagcentra, maar gefocust op het ontrafelen van de natuur.
Van sterrenkunde tot auto-onderdelen: de impact in Nederland
De XFEL is meer dan alleen een microscoop; het is een venster in de tijd. Zelfs Nederlandse wetenschappers en industrie profiteren hiervan:
- Astrofysici simuleren hiermee de processen binnenin verre planeten.
- Biowetenschappers kregen cruciale inzichten in de replicatie-eiwitten van het coronavirus.
- De automobielindustrie kan eindelijk de moleculaire processen in katalysatoren tot op de nanoseconde volgen.
Het is fascinerend dat technologie die zo complex is, zelfs heeft bijgedragen aan werk waarvoor recent de Nobelprijs voor Scheikunde is uitgereikt, dankzij de resultaten van Omar Yaghi. Dit soort onderzoek is de motor achter de innovaties die we morgen in onze dagelijkse producten zullen zien.
Wat zou jij als eerste willen filmen met een camera die 27.000 beelden per seconde kan maken? De explosie van een vuurwerkpijl of iets veel kleiner?
