Zahlen, bitte: Mit 12.000-facher Vergrößerung durch die Pforten der Wahrnehmung

Vor 90 Jahren begann die Geschichte eines Meilensteins der Forschungsgeschichte: Ein junger Elektrotechniker präsentiert das Prinzip des Elektronenmikroskops.

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Von
  • Detlef Borchers

Wer kennt sie nicht, die Fotos vom Coronavirus SARS-CoV-2, diesem Ball mit Saugnäpfchen, nach denen zahllose Illustrationen angefertigt wurden. Die Fotos selbst entstanden mithilfe von Elektronenmikroskopen, deren Auflösung weit über die der Lichtmikroskope hinausgeht. Auf den Tag genau vor 90 Jahren demonstrierten der junge Ingenieur Ernst Ruska und sein Forschungsleiter Max Knoll mit magnetischen Linsen im Labor erstmals das Prinzip des Elektronenmikroskops. Nach zahllosen Versuchsreihen entwickelte Ernst Ruska einen Prototyp, mit dem ihm am 23. September 1933 Aufnahmen mit 12000-facher Vergrößerung gelangen, die die maximale Auflösung des Lichtmikroskops deutlich überschritten.

Aufnahmen des Coronavirus mit dem Elektronenmikroskop

Ruskas Bruder Helmut, ein Humanmediziner, gelangen dann mit der Technik die ersten Aufnahmen eines Bakteriophagen. Für seine Entwicklung des Elektronenmikroskops erhielt Ernst Ruska im Jahr 1986 den Physik-Nobelpreis, zusammen mit Gerd Binnig und Heinrich Rohrer vom Schweizer IBM-Forschungslabor, die für die Entwicklung des technisch völlig anders arbeitenden Rastertunnelmikroskops ausgezeichnet wurden.

Zahlen, bitte!

In dieser Rubrik stellen wir immer dienstags verblüffende, beeindruckende, informative und witzige Zahlen aus den Bereichen IT, Wissenschaft, Kunst, Wirtschaft, Politik und natürlich der Mathematik vor.

Ernst Ruska war am 25. Dezember 1906 als fünftes von sieben Kindern in Heidelberg geboren worden. Nach dem Besuch eines humanistischen Gymnasiums begann er 1925 gegen den Willen seines Vaters Julius Ruska ein Studium der Elektrotechnik an der TU München, das er 1927 in Berlin fortsetzte: Dort baute sein Vater, ein Professor für Naturwissenschaftsgeschichte, ein neues Institut auf, das heute als "Institut für Geschichte der Medizin" der Charité bekannt ist. In Berlin meldete sich der 20-jährige Ernst an der TU Charlottenburg zur Mitarbeit an einer Forschungsgruppe unter der Leitung von Max Knoll.

Die Gruppe sollte aus der Braun'schen Röhre einen leistungsfähigen Kathodenstrahloszillografen entwickeln. Der Bildpunkt oder Kurvenzug (damals Schreiblecks genannt), der auf dem Leuchtschirm des Oszilloskops auftauchen sollte, sollte möglichst intensiv leuchten. So beschäftigte sich Ernst Ruska mit der von Hans Busch in Jena errechneten Vermutung, dass das Magnetfeld einer Spule auf ein durchlaufendes Bündel von Elektronenstrahlen wie eine Lichtlinse mit einer definierten Brennweite auf Lichtbündel wirken kann. Daraus entstand seine Diplomarbeit "Effekt magnetischer Linsen auf Elektronenbahnen".

Über die Erkenntnisse zum elektromagnetischen Linsengesetz machten sich Ruska und Knoll daran, die Funktionsweise eines Lichtmikroskops, wie es von Ernst Abbe in Jena entwickelt worden war, praktisch 1:1 auf ein von ihnen zu konstruierendes "Elektronenmikroskop" umzusetzen, das anstelle des Lichts mit durchschießenden Elektronen arbeitet. Schon Abbe wusste, dass dem Auflösungsvermögen von Lichtmikrospen Grenzen gesetzt waren und schrieb im Jahre 1876: "Nach allem, was im Gesichtskreis unserer heutigen Wissenschaft liegt, ist der Tragweite unseres Sehorgans durch die Natur des Lichts selbst eine Grenze gesetzt, die mit dem Rüstzeug unserer dermaligen Naturerkenntnis nicht zu überschreiten ist."

Doch Ernst Abbe glaubte an den Fortschritt der Naturwissenschaften und schrieb so: "Nur glaube ich, dass diejenigen Werkzeuge, welche dereinst vielleicht unsere Sinne in der Erforschung der letzten Elemente der Körperwelt wirksamer als die heutigen Mikroskope unterstützen, mit diesen kaum etwas anderes als den Namen gemeinsam haben werden."

Er sollte Recht behalten: Von seinem Mikroskop blieb nur der Name übrig, als das erste elektrooptische Mikroskop mit zwei Linsen und einer Photoplatte entstand. Beim Elektronenmikroskop überwanden Ruska, Knoll und der hinzugekommene Bodo von Boerries – künftiger Schwager von Ruska – eine Reihe von Problemen. Ruska konnte schließlich mit einer Arbeit "Über ein magnetisches Objektiv für das Elektronenmikroskop" 1933 promovieren und mit von Boerries auf die bis heute wichtige "Polschuhlinse" ein Patent anmelden, während Knoll in die Industrie wechselte. Dort wurde die Erfindung unter dem Namen "Übermikrosop" vermarktet und gehört heute zu den Meisterwerken deutscher Ingenieurskunst, mit dem sich viele Darstellungen eingehend beschäftigen.

Bemerkenswert dabei: Erst nachdem Ernst Ruska Aufnahmen mit höherer Auflösung gelungen waren, lernte er die bahnbrechende Dissertation von Louis de Broglie von 1927 kennen, die die theoretischen Grundlagen für das nachlieferte, was die Ingenieure in praktischen Versuchen entwickelt hatten. De Broglie erklärte in "Recherches sur la théorie des Quanta" den "Welle-Teilchen-Dualismus" der festen Materie, die zur Erkenntnis der Wellennatur der Elektronen führte, von der "Licht" nur ein Sonderfall ist.

Ruska schrieb später in seinen Erinnerungen: "Ich erinnere mich auch heute noch lebhaft an die erste Diskussion zwischen Max Knoll und mir über diese neue Wellenart, denn ich war damals zunächst sehr enttäuscht darüber, dass nun doch wieder ein Wellenvorgang die Auflösung begrenzen sollte. Ich war erst wieder erleichtert, als ich mir unmittelbar danach anhand der de Broglie-Gleichung klargemacht hatte, dass diese Wellen um rund fünf Zehnerpotenzen kürzer als Lichtwellen sein sollten." Mit dem Einsetzen der Formel von de Broglie über die Wellenlänge in die Abbe'sche Theorie wurde Ruska klar, dass die neue Form der Mikroskopie theoretisch Abbildungen bis auf die Ebene der Atome ermöglichte.

An einer Universität wird ein Prinzip bewiesen, doch die industrielle Entwicklung ist eine andere Sache. Entscheidend für den weiteren Lebensweg des jungen Ernst Ruska war ein sehr positives Gutachten, das Richard Siebeck, Direktor der Medizinischen Klinik der Berliner Charité verfasste. Als Doktorvater von Helmut Ruska kannte er dessen Versuche mit dem neuen Mikroskop und war davon angetan, Abbildungen von Bakterien und Viren zu erstellen, die damals nicht sichtbar waren. Das Gutachten führte dazu, dass sich sowohl Siemens wie Zeiss bereit erklärten ein "Übermikroskop" zu entwickeln und für die Leitung Ernst Ruska einzustellen, der damals schon in die Industrie gewechselt war. Ruska und sein Entwicklungspartner entschieden sich für Siemens und bauten das "Labor für Übermikroskopie" in Berlin-Spandau auf.

Bis zum Kriegsende wurden 35 Mikroskope gebaut und ausgeliefert. Hauptauftraggeber war die IG-Farben, die Mikroskope für alle großen Werke orderte. Nach dem II. Weltkrieg ging es relativ schnell wieder aufwärts, es wurde das Siemens ÜM 100d entwickelt. Ein großer Verkaufserfolg war das Elmiskop I mit einer Auflösung von 0,8 Nanometern. Von diesem Typ verkauft Siemens von 1954 bis 1965 über 1200 Exemplare und war damit Marktführer. Die I deutet an, dass weitere, bessere Geräte folgen sollten, doch das Management verlor das Interesse an der deutschen Führungstechnologie. Ernst Ruska kehrte an die Universität zurück und hielt an der FU und der TU Berlin Vorlesungen über Elektronenmikroskopie und Elektronenoptik.

Dann kam als späte Ehrung der Nobelpreis für Physik im Jahre 1986. Die Nachricht von der Ehrung überraschte viele. Berühmt wurde der Kommentar von Harro Zimmer im RIAS: "Unter den drei gekürten Physiker war ein Name dabei, der wie eine Bombe einschlug: Ernst Ruska. Ein Mann der seit sechs Jahrzehnten hier in dieser Stadt ansässig ist, der das biblische Alter von 80 Jahren fast erreicht hat. Ein Forscher, der zu einer Berliner Institution geworden war, sich aber in den letzten Jahren von öffentlichen Aktivitäten zurückgezogen hatte. Die Reaktionen reichten vom flapsigen: 'Ja lebt er denn noch?' bis zur ahnungslosen Frage: 'Hat er denn den Preis nicht schon längst?'"

Ernst Ruska jedenfalls freute sich und skizzierte in seiner Nobelpreis-Rede seine Geschichte wie die der Entwicklung der Elektronenmikroskopie. Dabei vergaß er nicht, die immer wichtigere Rolle der Computer zu erwähnen, die Artefakte aus den Abbildungen herausrechnen und aus ihnen 3D-Modelle kreieren können. Er starb wenig später am 27. Mai 1988 in Berlin.

"Das Lichtmikroskop öffnete das erste Tor zum Mikrokosmos. Das Elektronenmikroskop öffnete das zweite Tor zum Mikrokosmos. Was werden wir finden, wenn wir das dritte Tor öffnen?"

Das schrieb Ernst Ruska 1985 in Anspielung auf einen Satz von William Blake:

"Würden die Pforten der Wahrnehmung gereinigt, erschiene den Menschen alles, wie es ist: unendlich."

(mho)