Röntgenbilder: Von mächtigen Schwarzen Löchern zu winzigen Viren

Mimi-Virus
14 März 2013

Kameras, die ursprünglich zum Fotografieren Schwarzer Löcher entwickelt wurden, werden heute zur Erforschung ganz anderer Dimensionen eingesetzt: Für Nahaufnahmen von Viren hier auf der Erde, die zu völlig neuen medizinischen Erkenntnissen führen können.

Diese Weltraumkameras eröffnen neue biowissenschaftliche Dimensionen, denn sie halten ultraschnell ablaufende physikalische, chemische und biochemische Prozessen auf atomarer Ebene fest, wodurch wir ein klareres Bild von Strukturen wie Viren und Proteinen erhalten.

So gelangen mit einem von einer Weltraum-Röntgenkamera abgeleiteten Apparat die ersten Aufnahmen vom Mimi-Virus, dem bisher größten und komplexesten Virus. Die Untersuchung dieses faszinierenden Virus könnte Antworten auf grundlegende Fragen zur Entwicklung von Viren und vielleicht zum Ursprung des Lebens liefern.

Spin-off des Weltraumprogramms

XMM-Newton

Forscher der britischen Universität Leicester entwickelten Anfang der 1990er Jahre spezielle Röntgenkameras für den Satelliten XMM-Newton der ESA.

„Ein Großteil dieser frühen Arbeiten zur Entwicklung der Röntgensensoren wurde von der ESA finanziert“, so Karen Holland, Geschäftsführerin der 1995 als Spin-off der Universität gegründeten Firma XCAM, die sich mit der Entwicklung und Vermarktung dieser hochentwickelten Technologien beschäftigt.

Röntgen-Schnappschüsse vom Universum bedürfen komplexer Technik. Freigesetzt wird Röntgen­strahlung von extrem heißen Objekten oder starken Magnet- bzw. Gravitationsfeldern. 

XMM-Newton-Aufnahme des Sterns AB Aurigae

„Diese Technik eignet sich wirklich hervorragend zum Aufspüren von Objekten wie beispielsweise Schwarzen Löchern“, so Karen Holland.

„Für ein Weltraumfoto sind häufig zahlreiche Detektoren notwendig, daher stellt der mechanische Kamerakopf auf einem satellitengestützten Röntgenteleskop einen äußerst komplexen Apparat dar. Er muss eine ganze Reihe von Detektoren beinhalten und dabei dennoch möglichst leicht sein.“

„Das Ganze muss so konstruiert sein, dass der Bereich um den Detektor herum extrem sauber bleibt, und alles muss im luftleeren Raum funktionieren. Für Ausrichtung und Betrieb der Detektoren ist spezielle Elektronik vonnöten.“

Weltraumtechnik findet Mimi-Virus auf der Erde

DESY Beschleunigung

Nachdem diese Technologien für die Röntgenkamera von XXM-Newton einsatzbereit waren, fiel den Entwicklern auf, dass ihr Know-how auch für eine Menge ganz irdischer Anwendungen von Nutzen ist.

Neben leistungsfähigen mechanischen Kameras entwickelte XCAM auch eine Röntgenkamera neuen Typs, die bessere Bilder für terrestrische Anwendungen lieferte, mit kleineren Pixeln und höherer Auflösung.

So konnte XCAM auch Kameras für den Freie-Elektronen-Röntgenlaser am Hamburger Deutschen Elektronen-Synchrotron-Forschungszentrum (DESY) liefern. Die Erkenntnisse über die Virusstruktur tragen möglicherweise zur Entwicklung besserer Medikamente und der Verbesserung unserer Gesundheit bei.

FLASH-Röntgenlaser

„Es ist der weltweit erste Röntgenlaser“, so Karen Holland. „Im Verlauf der Konstruktion und Realisierung wurde offenbar, dass die Anlage auch eine Kamera benötigen würde.“

Dank der jahrzehntelangen Erfahrung von XCAM „konnten wir ein Kamerasystem fürs DESY entwickeln und bauen, mit dem die ersten Bilder vom Mimi-Virus aufgenommen wurden.“

XCAM entwickelte auch ein neues Detektorkonzept, das bereits in einer ähnlichen Anlage in Japan zum Einsatz kommt. 

Die Lösung: Technologie von XXM-Newton

Kamera Entwicklung

„Die umfassenden Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten für die XXM-Newton-Kamera ermöglichte XCAM die Erschließung neuer Geschäftsbereiche - zunächst für die Hochtechnologieeinrichtung DESY und anschließend für den vergleichbaren japanischen Röntgenlaser“, so Matthew Edwards von STFC Innovations, Makler im Technologietransfer-Netzwerk des ESA-Büros für das Technologietransferprogramm.

„Das ist ein hervorragendes Beispiel für das Potential europäischer Spitzen-Weltraumtechnologie. Die Errungenschaften beleben die Wirtschaft. Das gilt nicht nur für Firmen wie XCAM, die direkt an Weltraumprogrammen beteiligt sind und ihre Weltraumtechnologien und -kompetenzen unmittelbar in weiteren Bereichen zum Einsatz bringen, sondern auch für Unternehmen, die mit der Raumfahrt im eigentlichen Sinn nichts zu tun haben, aber von Weltraumtechnik profitieren, die auch auf der Erde eingesetzt werden kann.“

XCAM Kamera

Weitere potentielle Anwendungen umfassen industrielle Nutzungsmöglichkeiten, etwa medizinische Röntgengeräte oder Röntgenmikroskope. Bislang scheint die biowissenschaftliche Forschung, etwa im Bereich der Virologie, jedoch am vielversprechendsten.

„Am DESY musste alles sehr schnell gehen“, erinnert sich Karen Holland. „Dank jahrelanger Erfahrung bei der Entwicklung von XMM-Newton konnten wir diesem Anspruch auch gerecht werden.“

Das ESA-Büro für das Technologietransferprogramm war mit seinem Technologietransfer-Netzwerk aus Technologiemaklern bei der Übertragung von Technologien und Know-how der ESA und der europäischen Weltraumprogramme auf raumfahrtfremde Industrien und Systeme behilflich.

Derzeit kommen über 200 Weltraumtechnologien in raumfahrtfremden Bereichen zum Tragen. Darunter in so vielfältigen Anwendungen wie Kühlanzügen für Formel-1-Teams, Erdradaranlagen zur Risserkennung in Bergwerksstollen oder auch im medizinischen Bereich.

Zur Unterstützung von Spin-offs sowie der Erschließung neuer Geschäftsfelder für die europäische Wirtschaft wurden europaweit sieben „Business Incubation Centres“ aufgebaut, die Jahr für Jahr über 60 Startup-Firmen betreuen.

Das Weltraumteleskop XMM-Newton wird seit seinem Start 1999 vom Europäischen Satellitenkontrollzentrum der ESA (ESOC) in Darmstadt gesteuert.

Im Raumzeit-Podcast von ESA und DLR gibt Markus Kirsch, Flugleiter der XMM-Mission, einen Einblick in die Arbeitsweise dieses bedeutenden Weltraumteleskops.

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