Erfinder der magnetischen Linse Hans Busch: Der Initialzünder für die Elektronenmikroskopie

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Der deutsche Physiker Hans Busch war der Erste, der das Prinzip der magnetischen Linse formulierte – eine bahnbrechende Erfindung, die die Entwicklung der Elektronenmikroskopie entscheidend beeinflusste. Seine Forschung gilt heute als Grundlage der modernen Elektronenoptik.

Mit den ersten Elektronenmikroskopen entstanden in den 1930er-Jahren gänzlich neue Analysemöglichkeiten, da man dank der neuen Technik eine höhere Auflösung zur Betrachtung von Objekten nutzen konnte. Die unmittelbaren praktischen Grundlagen dafür legte der deutsche Physiker Hans Busch durch seine theoretischen Überlegungen und praktischen Forschungen.

Er erweiterte die Erkenntnisse des späteren französischen Nobelpreisträgers Louis de Broglie zur Analogie zwischen Lichtwellen und Elektronen und nahm an, dass Magnetfelder sich zu geladenen Teilchen ähnlich verhalten wie optische Medien zu Lichtwellen. Hans Busch entwickelte daraufhin die erste auf Magnetwellen basierenden Linse, auf deren Basis dann die Elektronenmikroskopie entstand. Wir blicken auf das Leben von Hans Busch sowie auch auf die Anfänge der Technik rund um das Elektronenmikroskop zurück.

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Frühes Leben und Studium

In Jüchen, etwa 25 Kilometer südwestlich von Düsseldorf, kam Hans Busch am 27. Februar 1884 auf die Welt. Dort besaß sein Vater Hugo Busch, der einen geisteswissenschaftlichen Doktorgrad innehatte, zusammen mit seiner Frau Johanna Roth eine Baumwollspinnerei. Ab 1904 studierte Hans Busch, nachdem er in Mönchengladbach sein Abitur bestanden hatte, für kurze Zeit in Straßburg, wechselte 1905 nach Berlin, um 1907 schließlich in Göttingen sein Physikstudium abzuschließen. Während seiner Studienzeit arbeitete er an der Universität Göttingen zudem als wissenschaftlicher Assistent im Bereich der angewandten Elektronik.

Nachdem Hans Busch an der Universität Göttingen im Jahr 1911 promoviert und den Titel Dr. phil. erworben hatte, blieb er für zwei Jahre als Assistent im Institut für angewandte Elektronik. Er wurde 1913 bis zum Jahr 1920 ebenfalls in Göttingen als wissenschaftlicher Hilfsarbeiter bei der Radiotechnischen Versuchsanstalt für Marine und Heer eingestellt. Dabei war Busch während des Ersten Weltkriegs von 1914 bis 1916 auch als Artillerieoffizier an der Front im Einsatz. 1920 kehrte er nach Göttingen zurück und habilitierte zu der vom Stromfluss verursachten Erwärmung von Drähten, wenn diese sich in einer Atmosphäre mit verdünnten Gasen befinden.

Akademische Karriere bis kurz nach dem Zweiten Weltkrieg

Unmittelbar nach der Habilitation in Göttingen zog Hans Busch nach Jena und arbeitete am Physikalischen Institut der Universität Jena als Assistent, wo er ab 1922 außerordentlicher Professor wurde. In diese Zeit fällt auch die Entwicklung der magnetischen Elektronenlinse, die dazu dient, Elektronenstrahlen durch Magnetfelder abzulenken. Diese Entwicklung und Buschs Grundlagen führten dazu, dass man Berechnungen anstellen konnte, die mit der Bewegung und Fokussierung von Elektronenstrahlen zusammenhingen. Daraus entstanden dann kurze Zeit später erste Elektronenmikroskope, denen wir uns später noch widmen werden.

Von Jena führte es Hans Busch im Jahr 1927 zunächst nach Berlin, wo er der technische Leiter des AEG-Fernmeldewerkes wurde. Bereits nach drei Jahren wechselte er an die Technische Hochschule Darmstadt (TH Darmstadt), um als Professor das Fach Elektrotechnik zu lehren. Der Wechsel nach Darmstadt hatte auch damit zu tun, dass man dort wegen des überraschenden Todes des Professors Karl Wirtz einen Nachfolger suchte. Der Kommission, die einen Nachfolger finden sollte, gehörte auch das AEG-Vorstandsmitglied Waldemar Petersen an, der unbedingt Busch als Professor in Darmstadt etablieren wollte.

Nur da dieser sich persönlich einsetzte und durch seine Kontakte industrielle Geldgeber finden konnte, war es der TH Darmstadt möglich, die Forderungen von Hans Busch zu erfüllen, sodass dieser 1930 zusagte. Zu den Forderungen gehörte auch der Neubau des Institutes für Fernmeldetechnik, welcher 1934 fertiggestellt wurde. In diesem Jahr sowie auch schon im Jahr davor war Hans Busch zudem der Rektor der TH Darmstadt. Zudem hatte er von 1937 bis 1939 sowie von 1944 bis 1947 den Posten des Dekans der dortigen Fakultät für Elektrotechnik inne.

Umstrittene Rollen von 1925 bis 1945

Gewisse dunkle Wolken liegen allerdings über der Rolle von Hans Busch während der Nazi-Zeit in Deutschland. Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs wurde er aus politischen Gründen entlassen, da man im Rahmen der Entnazifizierung keine Personen in öffentlichen Stellen haben wollte, bei denen man eine Zugehörigkeit zum Nazi-Regime vermutete oder gar nachweisen konnte. Im Falle von Hans Busch gab es zudem noch eine Anklage, bei der er allerdings nur als Mitläufer zu einer Geldstrafe verurteilt wurde. Ein Jahr danach wurde das Verfahren eingestellt.

Während des Zweiten Weltkriegs war Hans Busch nämlich von 1933 bis 1939 ein förderndes Mitglied der SS, was bedeutete, dass er die nationalsozialistische Schutzstaffel monetär unterstützte, aber keine aktive Rolle in der SS einnahm. In den Jahren 1925 und 1926 war er zudem Mitglied der DNVO (Deutschnationale Volkspartei), die auf Monarchie basierende, nationalistische Ansichten mit teilweise völkischen Elementen vertrat und zudem offen antisemitisch eingestellt war. Nach Auflösung der Partei im Jahr 1933 wechselten die Abgeordneten der DNVO übrigens zur NSDAP. Was man Busch wohl eher nicht vorwerfen kann, ist die Tatsache, dass er – wie viele andere Professoren der TH Darmstadt – ab 1940 an einem Projekt in Peenemünde (Insel Usedom) beteiligt war, das für die Kriegsführung Deutschlands wichtig war.

In der Heeresversuchsanstalt Peenemünde wurde vor allem die Angriffsraketen V2 entwickelt und erprobt. Das Forschungsgebiet von Hans Busch in Peenemünde war die Datenübertragung, da er auch an der TH Darmstadt vor allem im Fernmeldebereich forschte. Für seine Dienste erhielt er 1942 das Kriegsverdienstkreuz Zweiter Klasse. Trotzdem ernannte die Deutsche Gesellschaft für Elektronenmikroskopie Busch im Jahr 1949 zum Ehrenmitglied.

Ehrungen und die Grundidee der Magnetlinse

In den formalen Ruhestand ging Hans Busch im Jahr 1952, also im Alter von 68 Jahren. 1958 erhielt er den Ehrenring der Elektrotechnik-Gesellschaft VDR, 1964 die Philipp-Reis-Plakette der Bundespost, die Persönlichkeiten aus dem Fernmeldewesen ehrt. Verstorben ist Hans Busch in einem hohen Alter in Darmstadt, und zwar nur elf Tage vor seinem 89. Geburtstag, genauer gesagt am 16. Februar 1973. Kurz vor seinem Tod wurde an der TH Darmstadt noch ein neu gebautes Gebäude des Fachbereichs Elektrotechnik nach Hans Busch benannt. Obgleich Hans Busch auch im deutschen Fernmeldewesen eine wichtige Figur war, ist sicher seine Grundlagenforschung im Bereich der Elektronenoptik für die weltweite Wissenschaft die eindeutig wichtigere Thematik.

Seine bahnbrechende Idee basiert auf den 1924 formulierten Erkenntnissen des französischen Wissenschaftlers Louis de Broglie (1892–1987), wonach Elektronen die gleichen Wellen- und Teilcheneigenschaften wie Licht besitzen. Broglie bekam dafür im Jahr 1928 den Nobelpreis für Physik. Durch diese Aussagen über die Analogien zwischen Optik und magnetischen oder elektrischen Feldern entstand bei Hans Busch die Idee, durch Magnetfelder eine Linse für Elektronen zu erzeugen. Die Felder könnten auf Elektronen so wirken wie eine Glaslinse auf Lichtwellen. Elektronenstrahlen können somit, genau wie Lichtstrahlen, mithilfe einer optischen Linse, gelenkt werden.

Diese Entwicklung war die Basis für Erfindungen wie verschiedene Bildröhren oder auch Oszilloskope. Für die Elektronenmikroskopie waren aber andere Schritte nötig. Die Grundidee dahinter besteht darin, dass Elektronen ein Objekt oder auch dessen Inneres abbilden können, indem man das Objekt mit Elektronen beschießt. Dies tut man durch einen gezielten Elektronenstrahl, der das Objekt rasterweise abtastet. Die abgelenkten Elektronen treffen auf Detektoren, sodass daraus dann ein Bild dargestellt werden kann.

Die Anfänge der Elektronenmikroskopie

Der große Vorteil hinter der Elektronenmikroskopie ist die Auflösung. Denn das Studium eines Objektes mit normalen optischen Mitteln hat wegen der Längenwelle von Licht seine Grenze bei etwa 200 Nanometern. Indem man aber einen Elektronenstrahl verwendet, kann man deutlich kleinere Werte erreichen und somit Objekte noch genauer betrachten, obgleich die Abbildung kein optisches Abbild ist, sondern aus den registrierten Elektronen hergeleitet wird. Die Darstellungen sind daher auch nicht farbig, allerdings werden mit Elektronenmikroskopen entstandene Bilder häufig zur besseren Anschaulichkeit eingefärbt, wobei man bei dem Verfahren von False Coloring spricht.

Das erste Elektronenmikroskop wurde 1931 vom Elektroingenieur Ernst Ruska und dem Elektrotechniker Max Knoll entwickelt, und zwar unmittelbar inspiriert von den Arbeiten Hans Buschs zur 1926 entwickelten magnetischen Linse. Bei diesem ersten Elektronenmikroskop, dessen Elektronenstrahl das Objekt durchdringt, weswegen es maximal wenige Mikrometer dick sein konnte, spricht man heute von einem TEM (Transmissionen-Elektronenmikroskop). Parallel dazu gab es auch ein Elektronenmikroskop des in den USA ansässigen deutschen Elektroingenieurs Reinhold Rüdenberg, das er 1931 patentieren ließ.

Das TEM von Ruska und Knoll wurde von Ruska in Zusammenarbeit mit dem Physiker Bodo von Borries verbessert und ab 1938 als kommerzielle Version für die Biologie und Medizin angeboten. Damals sprach man noch von Übermikroskopie und Übermikroskopen. Ernst Ruska erhielt für seine Arbeit im Jahr 1986 den Nobelpreis, zwei Jahre später verstarb er im Alter von 81 Jahren. Auch Max Knoll, Bodo von Borries und Reinhold Rüdenberg sowie Hans Busch hätten auf die gleiche Weise für ihre Beiträge zur Erfindung des Elektronenmikroskops geehrt werden können. Allerdings starben die drei weiteren Pioniere der Elektronenmikroskopie bereits zwischen 1956 und 1969, und der Nobelpreis wird bekanntermaßen nicht posthum vergeben. (sb)

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