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Das Petawatt-Projekt

Den stärksten Laser der Welt bauen Physiker im Institut für Optik und Quantenelektronik der Universität Jena. Ein Petawatt Leistung, das sind eine Billion Kilowatt, soll die nach einem technologisch vollständig neuen Konzept konstruierte Maschine auf den Punkt genau liefern – zehnmal mehr als die stärksten Forschungs-Laser derzeit bringen. Professor Roland Sauerbrey und sein Team stoßen damit das Tor in neue physikalische Dimensionen auf: Sie wollen chemische Elemente umwandeln und somit quasi alte Alchimistenträume wirklich machen, astrophysikalische Ereignisse, etwa die Implosion von Gestirnen, im Labor en miniature nachbilden oder in der relativistischen Plasmaphysik aus Licht buchstäblich Materie erzeugen.

Die Jenaer Forscher haben gemeinsam mit ihren Partnern aus der traditionellen Optik-Region Jena zwei der drei technologischen Grundsatzprobleme für den neuen Laser schon gelöst – und damit bereits eine ganze Serie von so genannten spin-off-Effekten, also unmittelbar praktisch umsetzbaren Erkenntnissen, erzielt. „Thüringer Firmen in der Optik-Industrie sichern sich damit einen spezifischen Vorsprung vor der internationalen Konkurrenz“, weiß Sauerbrey.

Das Erfurter Wissenschaftsministerium fördert – nicht zuletzt aus diesem Grund – das Jenaer Projekt mit einer millionenschweren Basisfinanzierung. Auf der „Laser 2001“, der weltweit führenden Fachmesse der Branche, sorgten im Frühsommer Sauerbreys Mitarbeiter bereits mit praxistauglichen Spezialgläsern und Messapparaturen für Aufsehen. Wenig Kühlung – viel Leistung, Klein, kompakt und – mit einem Quantenwirkungsgrad von 90 Prozent – äußerst effizient wird das neue Gerät die bisherigen Generationen von Lasern
Faszination Licht: In einem Volumen kleiner als ein Fingerhut soll der Super-Laser Bedingungen herstellen wie im Innern eines implodierenden Sterns.
einem Quantenwirkungsgrad von 90 Prozent – äußerst effizient wird das neue Gerät die bisherigen Generationen von Lasern alt aussehen lassen. „Wir haben uns von Anfang an von der üblicherweise sehr aufwändigen Blitzlampentechnik verabschiedet und deshalb unseren Laser auf der Basis optimierter Pumpdioden konstruiert“, verrät Sauerbrey das Geheimnis der Verstärkereinheit, also des Herzstücks, für den Petawatt-Laser. Im Endausbau werden darin 4 500 Laserdioden parallel eingesetzt. Sie stellen binnen zweier Millisekunden einen Energievorrat bereit, den dann ein speziell präparierter Laserimpuls regelrecht „abräumt“ – und somit monströse Potenzen erreicht.

Jenoptik liefert die Dioden
Jede einzelne dieser Dioden liefert etwa 400 Millijoule Energie, also nahezu 100 000 Mal mehr als die Dioden in handelsüblichen CD-Spielern. Die Jenoptik AG hat diese weltweit stärksten Laserdioden für Sauerbreys Projekt konstruiert und fertigt sie inzwischen in Serie für den Weltmarkt.
Wie bisherige Laser auch, „lebt“ der neue Petawatt-Laser von der Qualität seiner optischen Bauteile. Chemiker um Dr. Doris Ehrt haben im Otto-Schott-Institut der Uni Jena Spezialgläser aus Ytterbium-Ionen-dotiertem Fluorid-Phosphat entwickelt, die extrem hohe Energiemengen aufnehmen können. „Wir haben bereits die im Endausbau erforderlichen Gläser mit 70 mm Durchmesser, die die erforderliche Pumpenergie von einem Kilojoule speichern können“, rechnet Sauerbrey vor. Auch hier steht eine Serienfertigung – nicht nur für Hochleistungslaser – in Aussicht, vielleicht sogar in einer neuen Firma.
Sauerbreys Mitarbeiter, Dr. Joachim Hein und Dr. Thomas Töpfer, haben bereits ein eigenes Unternehmen gegründet, um das gewonnene Know-how zu vermarkten. Auch andere Thüringer Mittelständler, wie die Hellma-Optik Jena oder die Mellinger Layertec GmbH, profitieren von dem Know-how-Transfer aus dem Großprojekt.

Eine besonders harte Nuss haben die Jenaer Wissenschaftler allerdings noch zu knacken: Herkömmliche Beschichtungen für optische Oberflächen halten die gewaltigen Energiedichten nicht aus. „Wir brauchen dafür neue, hochreine Materialien mit extrem hoher Oberflächenqualität“, schildert Sauerbrey. Spätestens in vier Jahren wollen er und seine Mitstreiter aber soweit sein. „Als wir 1998 mit dem Projekt begonnen haben, hielten viele Experten es für technologisch vollkommen utopisch und nicht finanzierbar“, erinnert er sich.

Blick ins „Ladezentrum“: Hier stellen 4 500 Dioden die Energie bereit, mit der sich der Laser zur unvorstellbaren Leistung von einer Billiarde Watt auflädt.
Nun scheint der Durchbruch zum Greifen nahe. Wenn die Entwicklungssprünge in der Lasertechnologie ihr Tempo beibehalten, rechnet der Jenaer Physiker in etwa zehn Jahren mit einer Serienfertigung des Super-Lasers für industrielle Zwecke. Feldstärken von bis zu 1023 Watt pro cm2, Drücke bis zu einigen Terabar und eine Materiebeschleunigung bis zu 1022 g werden dann erreichbar sein.

Eingriffe in die atomare Struktur
Das mögliche Anwendungsspektrum klingt heute noch wie Science fiction: Per Kerntransmutation bei chemischen Elementen, also durch Eingriffe in die atomare Teilchenstruktur, ließen sich neue Radioisotope für die medizinische Strahlendiagnostik und -therapie erzeugen, hochgefährliche Giftstoffe wie Atommüll könnte man buchstäblich „verbrennen“. Erste Experimente zur Kernumwandlung haben bereits Dr. Heinrich Schwoerer und sein Team mit einem 20-Terawatt-Laser an Sauerbreys Institut erfolgreich durchgeführt.
Wenn der viel stärkere Petawatt-Laser erst weltweit etabliert und in Labors eingesetzt wird, nehmen Sauerbrey und seine Mitarbeiter die nächste Entwicklungsstufe in Angriff. „Jetzt sprengen wir erst einmal die Petawatt-Grenze“, so der Jenaer Physiker. „Mit diesem neuen technologischen Ansatz erscheinen uns Leistungsdichten bis zu 100 Petawatt durchaus als realistisches Ziel.“ wh

Ansprechpartner: Prof. Dr. Roland Sauerbrey Tel.: 03641/947200, Fax: 947202