Grenzen?
Welche Grenzen?

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Prof. Ulrich Wittrock, Leiter des Labors für Photonik an der Fachhochschule Münster, fragt nach den ultimativen Grenzen der Lasertechnik

Der Traum eines Ingenieurs, der für die Entwicklung von Verbrennungsmotoren zuständig ist: Könnte man nicht den 300-kW-V8-Motor für die Oberklasselimousine auf Größe und Gewicht eines Motorradmotors schrumpfen und den Wirkungsgrad vervielfachen, sodass der Kraftstoffverbrauch drastisch sinkt?

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Scheibenlaser:

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Scheibenlaser sind Festkörperlaser deren laseraktives Medium die Form einer Scheibe hat. Der Pumpstrahl trifft die Scheibe bei jedem Durchgang von vorne und wird von der verspiegelten Rückseite reflektiert. Die kleine dünne Scheibe lässt sich deshalb von der Rückseite hervorragend kühlen. Scheibenlaser erzielen auf diese Weise hohe Laserleistungen bei ausgezeichneter Strahlqualität.

Forschung:

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Wir wissen: Das ist unmöglich. Die physikalischen Grenzen von Verbrennungsmotoren werden leider durch den unerbittlichen, fundamentalen zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt. Der besagt, dass man viel höhere Verbrennungstemperaturen benötigen würde, um dieses Ziel zu erreichen, als alle bekannten Materialien aushalten.

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Prof.Ulrich Wittrock ist Leiter des Labors für Photonik und Sprecher des Instituts für Optische Technologien an der Fachhochschule Münster.

 

Die Lasertechnik macht’s möglich

Wir empfehlen dem Ingenieur daher, das Fach zu wechseln. In der Lasertechnik sind derartige Erfolge möglich. Moderne Scheibenlaser mit vier Kilowatt Ausgangsleistung sind um ein Vielfaches kleiner als vergleichbare Stablaser vor 20 Jahren. Dennoch haben diese Scheibenlaser einen fünfmal höheren Wirkungsgrad.

Sie verbrauchen also fünfmal weniger Energie, um die gleichen vier Kilowatt zu liefern. Man fragt sich: Gibt es hier keine physikalischen Grenzen? Leider doch. Interessanterweise scheint es der gleiche zweite Hauptsatz zu sein, der auch beim Laser die Grenzen für die Baugröße und den Wirkungsgrad vorgibt.

Der Scheibenlaser im Fokus der Forschung

Beim Verbrennungsmotor wie beim Laser wird eine Energie von geringerem Wert in eine hochwertige Form verwandelt. Wärmeenergie des verbrennenden Benzins verrichtet mechanische Arbeit. Das Pumplicht von Lampen oder Laserdioden wird zum scharf fokussierbaren Arbeitsstrahl.

Anders als beim Verbrennungsmotor können wir uns weiterhin neue Lasermaterialien und Laserkonzepte vorstellen, die die thermischen Probleme in handhabbaren Dimensionen halten.

Dabei gilt: Je hochwertiger die Eingangsenergie, umso besser gelingt diese Verwandlung. Der Scheibenlaser profitiert dabei von den Fortschritten der Laserdioden, die immer hochwertigeres Pumplicht liefern. Von den theoretischen Grenzen dieses Prozesses ist man aber, anders als bei Verbrennungsmotoren, noch weit entfernt.

Bis hierher und viel weiter

Ja, genau genommen wissen wir noch nicht wirklich, wo sie liegen. Das fundamentale technische Hindernis, das sie ziehen könnte, ist beim Laser noch nicht entdeckt. Beim Verbrennungsmotor war es die maximale Verbrennungstemperatur. Aber was ist es beim Laser? Zwar haben auch die Laseringenieure schon immer gegen thermische Probleme gekämpft und der aus der Motorentechnik abgeworbene Ingenieur kann sich gleich kreativ einbringen.

Dennoch ist es im Kern etwas anderes, was die grundsätzlichen Grenzen markiert. Anders als beim Verbrennungsmotor können wir uns weiterhin neue Lasermaterialien und Laserkonzepte vorstellen, die die thermischen Probleme auch künftig in handhabbaren Dimensionen halten.

Ingenieursträume werden wahr

Während die Physiker versuchen, die grundsätzlichen Grenzen zu erforschen, gehen die Ingenieure pragmatisch vor. Sie probieren aus und optimieren Schritt für Schritt. Auf diese Art haben sie schon in der Vergangenheit gezeigt, dass sich die praktische Grenze immer weiter hinausschieben lässt.

Auch aus physikalischer Sicht spricht noch nichts gegen einen Scheibenlaser mit 300 Kilowatt Ausgangsleistung und der Baugröße eines V8-Motors. Damit hätte dieser Laser die gleiche Leistung wie der eingangs erwähnte Verbrennungsmotor. Auch der Wirkungsgrad dürfte ähnlich sein. Es bleibt also spannend und es können noch so einige Ingenieursträume verwirklicht werden. Grenzen? Nicht in Sicht.

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