Xcool Lab am European XFEL: ein Ort, um die wissenschaftliche Neugier von Schüler:innen zu wecken Inspire article

Author(s): Sarah Aretz

Besuche das Xcool Lab und erlebe eine inspirierende Erfahrung in einer hochmodernen Forschungseinrichtung mit praktischen Experimenten, die die Konzepte aus dem Unterricht zum Leben erwecken.

Sind Sie eine Lehrkraft, die bei Ihren Schüler:innen die Neugierde für MINT wecken möchte? Das Xcool Lab am European XFEL bietet Oberstufenschüler:innen eine großartige Gelegenheit, in einer hochmodernen Forschungseinrichtung in praktische wissenschaftliche Experimente einzutauchen.

European XFEL

Der European XFEL ist ein Freie-Elektronen-Röntgenlaser, der etwa 27 000 Mal pro Sekunde extrem kurze, helle Röntgenblitze erzeugt. Der European XFEL befindet sich bei Hamburg, Deutschland, und ist in unterirdischen Tunneln untergebracht, die sich über eine Strecke von 3,4 km erstrecken. Um die Röntgenstrahlung zu erzeugen, werden die Elektronen zunächst auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Nachdem sie 1,7 km durch den Beschleuniger gerast sind, gelangen sie in Strukturen, die „Undulatoren“ genannt werden, wo eine Reihe von wechselnden Magneten die Elektronen auf einen engen Slalomkurs zwingt. Wenn die Elektronen auf eine solche gekrümmte Bahn geschickt werden, senden sie Röntgenstrahlen aus, die dem Laserlicht ähneln. Forschende aus der ganzen Welt kommen zum European XFEL, um diese Röntgenblitze für ihre Forschung zu nutzen.

Arbeiten an der Verbindung zwischen den Modulen des European XFEL-Linearbeschleunigers
© European XFEL

Ab November 2024 lädt das Xcool Lab Schüler:innen im Alter von 16 bis 19 Jahren ein, an praktischen Experimenten teilzunehmen, bei denen sie in hochmodernen Laboren physikalische und molekularbiologische Konzepte aus dem Klassenzimmer zum Leben erwecken können. Unser Ziel ist es, die nächste Generation von Wissenschaftler:innen zu inspirieren: Wir möchten, dass die Schüler:innen die Spannung echter Forschung spüren und verstehen, wie die in der Schule erlernten Grundsätze in der Spitzenforschung Anwendung finden.

Ein Tag der Entdeckung und Innovation

Im Xcool Lab begeben sich die Schüler:innen auf eine ganztägige Reise durch die Welt der Wissenschaft. Ob sie Beta-Teilchen ablenken, Röntgenspektren erforschen oder DNA-Proben vervielfältigen – jedes Experiment soll das Verständnis für wissenschaftliche Konzepte vertiefen und die Neugierde fördern. Das Xcool Lab ist auch ein Ort, an dem die Schüler:innen sich selbst als die Wissenschaftler:innen von morgen sehen können. Wir möchten, dass die Schüler:innen das Labor mit der Gewissheit verlassen, dass sie einen Beitrag zur Welt der Wissenschaft leisten können. Indem wir ihnen die Werkzeuge und das Wissen an die Hand geben, helfen wir ihnen, die ersten Schritte in Richtung einer Zukunft in MINT-Bereichen zu machen.

Schülerinnen arbeiten im Xcool Lab
© European XFEL

Physiklabor: Die unsichtbare Welt der Röntgenstrahlung

Der erste Kurs, der im Physiklabor angeboten wird, beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Röntgenstrahlung, die unsichtbar ist, aber in vielen Bereichen des täglichen Lebens vorkommt. Eines der drei Experimente beschäftigt sich mit der Röntgenspektroskopie. Dabei messen die Schüler:innen das Röntgenspektrum verschiedener Materialien und lernen, wie die Energien der Röntgenstrahlen verteilt sind. Mit Hilfe eines Röntgengeräts und Kristallen zur Beugung der Strahlen analysieren sie die charakteristische Strahlung sowie die Bremsstrahlung, die durch die Abbremsung der Elektronen entsteht.

Schülerinnen messen Röntgenspektren mittels Bragg-Reflexion, um u.a. Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung zu verstehen
© European XFEL

Im zweiten Experiment untersuchen die Schüler:innen die Ablenkung von Beta-Teilchen im Magnetfeld. Diese Teilchen, Elektronen oder Positronen, die beim Kernzerfall entstehen, erfahren eine Kraft, wenn sie ein Magnetfeld durchqueren. Mit Hilfe eines Geiger-Müller-Zählers und radioaktiver Quellen zeichnen die Schüler:innen die Wege der Teilchen auf, analysieren ihre Ablenkung und lernen, wie Magnetfelder die Flugbahnen der Teilchen verändern. Mit diesem Experiment lernen die Schüler:innen die physikalischen Prinzipien kennen, die zur Erzeugung von Röntgenlaserlicht am European XFEL verwendet werden. Sie verstehen, dass das, was sie in der Schule lernen, direkt mit der Spitzentechnologie verbunden ist.

Schülerinnen messen die Ablenkung von Beta-Teilchen mit Magneten aufgrund der Lorentz-Kraft und verstehen, wie ein Undulator funktioniert.
© European XFEL

Ein weiteres Experiment befasst sich mit Beugung und Interferenz bei elektromagnetischen Wellen. Indem sie sichtbares Licht durch Gitter und komplexere Strukturen leiten, beobachten die Schüler:innen Beugungsmuster und lernen, wie sich Wellen um Objekte herum biegen, interferieren und verschiedene Arten von Beugungsmustern erzeugen. Diese Prinzipien sind wichtig, um fortgeschrittenere Techniken wie die Röntgenbeugung zu verstehen, die Forschende zur Untersuchung der Struktur von Molekülen wie der DNA einsetzen. Das Experiment soll den Schüler:innen ein besseres Verständnis der physikalischen Prinzipien von Beugung und Interferenz vermitteln. Sie lernen, wie etwas so Grundlegendes wie die Beugung zu wichtigen wissenschaftlichen Entdeckungen beigetragen hat, darunter die berühmte DNA-Doppelhelixstruktur.

Schüler: innen betrachten Beugungsbilder mit ihren Augen als Detektor
© European XFEL

Molekularbiologie-Labor: Viren auf der Spur

Eine ebenso spannende Erfahrung machen die Schüler:innen im Biologielabor, wo sie eine Polymerase-Kettenreaktion (PCR) durchführen können, um verschiedene SARS-CoV-2-Varianten nachzuweisen. Dieses praktische Experiment führt die Schüler:innen in wichtige molekularbiologische Techniken ein, wie z. B. Pipettieren, PCR-Tests und Gelelektrophorese.

Nach der Durchführung von PCR-Zyklen analysieren die Schüler:innen ihre DNA-Proben mithilfe der Gelelektrophorese und interpretieren die Ergebnisse, um festzustellen, welche Variante – Wildtyp, Delta oder Omikron – vorhanden ist. Die PCR ist ein unverzichtbares Werkzeug in der biologischen Forschung. Indem sie die PCR selbst durchführen, bekommen die Schüler:innen ein Gefühl dafür, wie die Molekularbiologie zur Lösung einiger der dringendsten Probleme beiträgt, z. B. zur Identifizierung von Virusvarianten. Dies ist echte Wissenschaft vom Feinsten, die den jungen Lernenden sowohl theoretische als auch praktische Fähigkeiten vermittelt.

Ein Schüler lädt DNA-Proben zur Analyse auf ein Agarosegel
© European XFEL

Praktische Informationen

Das Xcool Lab befindet sich am European XFEL bei Hamburg. Jedes Labor verfügt über 32 voll ausgestattete Arbeitsplätze. Die Aktivitäten richten sich an Schüler:innen im Alter von 16 bis 19 Jahren, obwohl für die Zukunft auch Aktivitäten für jüngere Schüler:innen geplant sind. Das Xcool Lab ist von Montag bis Freitag geöffnet und bietet seine Kurse auf Englisch oder Deutsch an. Die Programme des Xcool Labs sind für Schulen kostenlos, so dass Schüler:innen aus allen Schichten von dem Angebot profitieren können.

Es besteht auch die Möglichkeit, eine zusätzliche Führung durch die Experimentierhalle des European XFEL, des größten Röntgenlasers der Welt, zu buchen. Darüber hinaus kann das Besucherzentrum Lighthouse, das auch das Xcool Lab beherbergt, unabhängig besichtigt werden.

Werden Sie Teil des Abenteuers Xcool Lab!

Wenn Sie bereit sind, Ihre Schüler zu inspirieren und ihr Interesse für MINT zu wecken, ist das Xcool Lab bereit, Sie willkommen zu heißen. Buchungen für Schulgruppen können direkt online auf der Xcool Lab-Webseite vorgenommen werden, und der Xcool Lab-Newsletter informiert über neue Kursangebote, spezielle Aktivitäten und verfügbare Termine.

Das Xcool Lab Team freut sich darauf, Schüler:innen und Lehrkräfte willkommen zu heißen und die nächste Generation von Wissenschaftler:innen zu inspirieren. Wenn Sie Fragen haben, können Sie uns direkt kontaktieren unter Xcoollab@xfel.eu.

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Author(s)

Sarah Aretz ist Physikerin und koordiniert das Xcool Lab am European XFEL in der Nähe von Hamburg, wo sie sowohl ein physikalisches als auch ein molekularbiologisches Schülerlabor leitet. Darüber hinaus ist sie stellvertretende Gruppenleiterin der Kommunikationsgruppe und engagiert sich besonders für Besuche und Öffentlichkeitsarbeit.

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