Chemisches Analysegerät für Astronauten – Prototyp für ESA in Betrieb

Das „Fluoreszenz-Tomographiegerät“ hat noch nicht ganz die handliche Größe des Tricorders erreicht, mit dessen Hilfe Mr. Spock seine Kollegen von der „Enterprise“ in Sekundenschnelle über die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre eines fremden Planeten informiert. Dafür kann es aber mehr: Das schreibtischgroße Gerät erstellt automatisch ein detailliertes Bild der Verteilung chemischer Elemente in einer biologischen oder mineralischen Probe und ermöglicht einen zerstörungsfreien Blick ins Innere. Entwickelt wurde es von Wissenschaftlern der Technischen Hochschule Aachen und des Forschungszentrums Jülich.

„Wir haben selber nicht geglaubt, dass es so schnell gehen würde“, kommentiert der Biophysiker Dr. Walter Schröder vom Institut Phytosphäre des Forschungszentrums Jülich die Fertigstellung des rund eine halbe Millionen Euro teuren Prototyps und dessen erfolgreiche TÜV-Abnahme Ende August. Vor zwei Jahren hatte die europäische Weltraumbehörde ESA das Jülich-Aachener-Team damit beauftragt zu zeigen, dass der Bau eines derartigen chemischen Analysegerätes im Labormaßstab möglich ist. Wichtig war für die ESA zunächst, dass das Gerät weitgehend selbständig arbeitet. Damit wird eine umfangreiche Einarbeitung von Astronauten in die Bedienung des Gerätes überflüssig. Die Wissenschaftler „am Boden“ erweitern mit dem transportablen Prototyp ihre analytischen Möglichkeiten.

In der Arztpraxis wird ein Körper großflächig mit Röntgenstrahlen durchleuchtet, um eine Fotografie des Körperinnern zu erstellen. Bei der Fluoreszenz-Tomographie wird hingegen ein „Mikrostrahl“ mit harter, also energiereicher Röntgenstrahlung dazu benutzt, Atome in der zu untersuchenden Probe anzuregen. Daraufhin senden diese Atome eine Strahlung die Röntgenfluoreszenz aus, die charakteristisch für das jeweilige chemische Element ist und von einem Detektor erfasst wird.

Um ein Bild der Verteilung eines bestimmten chemischen Elementes erstellen zu können, müssten die Wissenschaftler die Probe mit dem Mikrostrahl Punkt für Punkt abtasten. „Das tun wir nicht wirklich“, sagt Schröder. „Wir schießen einen Röntgenstrahl entlang einer geraden Linie durch die Probe. Dann versetzen wir die Probe etwas und regen die nächste Linie an, bis die ganze Probe nach schrittweisen Drehungen abgedeckt ist.“ Aus den gesammelten Daten errechnen die Wissenschaftler dann mit einem komplizierten mathematischen Verfahren das Bild. Die vollständige Abtastung der Probe dauert zwei Tage.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Mikrosonden-Analysemthoden bei denen Elektronenstrahlen oder Partikelstrahlen verwendet werden liegt der große Vorteil bei der Abtastung mit Röntgenstrahlen in der vollständigen Durchdringung der Probe. Dadurch wird es möglich, „virtuelle Schnitte“ zu erzeugen, und es ist nicht mehr notwendig, das zu untersuchende Material in dünne Scheiben zu schneiden. Denn insbesondere bei biologischen und medizinischen Proben werden durch die Schnitte die chemischen Elemente umverteilt und die Ergebnisbilder verfälscht. „Bei Pflanzenmaterial, dessen chemische Analyse uns im Institut Phytosphäre besonders interessiert, sind solche Schnitte oft gar nicht möglich“, erläutert Walter Schröder.

Die Auflösung des Analysebildes hängt vom Durchmesser des Röntgenstrahls ab. Das in Kooperation mit der Aachener Gruppe um Prof. Bruno Lengeler und Dr. Christian Schroer entwickelte Tischgerät verwendet als Strahlungsquelle eine „Microfocus“ Röntgenröhre, die einen fein gebündelten Mikrostrahl erzeugt. So wird eine Auflösung von zehn Tausendstel Millimetern erreicht. „Damit können wir die zelluläre Ebene biologischer Proben untersuchen, was für uns sehr wichtig ist“, erklärt Walter Schröder.

Bis vor kurzem benötigten die Wissenschaftler für ihre Experimente noch den im Durchmesser etwa 270 Meter großen Speicherring des europäischen Synchrotrons ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble als Röntgenquelle. Dieser bietet zwar mit etwa 250 Millionstel Millimetern eine bessere Auflösung, hat jedoch mit allem Zubehör die Größe und den Energiehunger einer Kleinstadt. Bei dem ESA-Projekt stand die Verkleinerung des Gerätes im Vordergrund, die jetzt mit dem Prototyp erfolgreich demonstriert wurde.