Volle Konzentration

© Grafik | ELI Beamline, Gernot Walter

Nahe Prag entsteht ein einmaliges Laserzentrum, das völlig neue Forschungsmöglichkeiten für Physiker, Mediziner und Materialwissenschaftler bietet.

Eine Lichtquelle mit der zweihundertfachen Leistung aller irdischen Kraftwerke zusammen, die so kurz aufblitzt, dass ihr Lichtstrahl in dieser Zeitspanne weniger als eine Haaresbreite weit kommt: unmöglich? Nicht bei ELI Beamline. Nahe Prag entsteht gerade das Forschungszentrum mit den stärksten Lasern weltweit. Es ist Teil von ELI (Extreme Light Infrastructure), vier Laserzentren, mit denen sich die Europäische Union an die Spitze der Laserforschung setzen will. Laser haben sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Es gibt nicht nur Laser mit ultrakurzen Pulsen und immer höheren Leistungen, sondern auch vielversprechende Versuche, mit Lasern Teilchen zu beschleunigen und Röntgenlicht zu erzeugen.

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Über ELI Beamline:

Extreme Light Infrastructure (ELI) ist ein europäisches Laserforschungsprojekt, das durch das European Strategy Forum for Research Infrastructures (ESFRI) unterstützt wird. Es orientiert sich an den Richtlinien der European research infrastructures (ERIC).

Im Rahmen von ELI werden drei Institute mit unterschiedlichen Schwerpunkten aufgebaut:

  • ELI Beamlines, mit Sitz in Tschechien, legt seinen Schwerpunkt auf neue Sekundärstrahlquellen für interdisziplinäre Anwendungen in Physik , Medizin, Biologie und Materialwissenschaften.
  • ELI Attosecond, mit Sitz in Ungarn, fokussiert sich auf ultrakurze Lichtimpulse in der Attosekundenphysik.
  • ELI Nuclear Physics in Rumänien zielt auf neue Ergebnisse im Bereich der Kernphysik ab.

Ausführliche Projektbeschreibung:

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Ziel des Forschungsprojekts ist es, das Lasersystem zu schaffen, dass als wichtigstes Werkzeug und Rückgrad für die Forschungsarbeit der ELI Einrichtung dienen wird. Weiterlesen (auf Englisch)

Über den Autor:

Dr. Georg Korn stammt aus Berlin, wo er lange am Max-Born-Institut geforscht hat. Nach einer Zwischenstation bei einem Hersteller von Augenlasern ging der heute 62-Jährige in die USA, zunächst an das Laserzentrum der Universität Michigan, danach an die University of California in San Diego. Seit einem Jahr ist er wissenschaftlich-technischer Direktor und leitender Wissenschaftler an ELI Beamline bei Prag.

Full-Service-Laserzentren

Was es bisher nicht gibt: Orte, wo Wissenschaftler alle diese Eigenschaften als Werkzeug aus einer Hand zur Verfügung gestellt bekommen, sodass sie sich voll auf ihre Forschungsfragen konzentrieren können — Full-Service-Laserzentren sozusagen. Genau das ist die Idee von ELI: In Szeged (Ungarn), Măgurele (Rumänien) und bei Prag (Tschechien) entstehen drei solche Zentren mit unterschiedlichen Forschungsschwerpunkten. Eine vierte Einrichtung ist geplant, ihr Ort steht noch nicht fest.

ELI Beamline wird vieles können — sogar Antimaterie erzeugen und in Sekunden­bruchteilen Moleküle umsortieren.

Der Bau der ELI-Zentren in den neuen Mitgliedsstaaten wird zu 85 Prozent finanziert aus Infrastrukturmitteln der Europäischen Union. Die Betriebskosten bringt das European Research Infrastructure Consortium auf. Als wissenschaftlich-technischer Direktor bin ich für ELI Beamline verantwortlich. Nahe der tschechischen Hauptstadt Prag bauen wir derzeit die erste High-Power-Facility, die Nutzern aus Wissenschaft und Industrie zur Verfügung steht. Sie wird die stärksten Laser sowie eine bequeme Forschungsinfrastruktur unter einem Dach beherbergen. Bis 2015 soll das Gebäude stehen, dann werden auch die ersten Laser installiert, der Start des regulären Forschungsbetriebs ist für 2018 geplant.

Welcher Strahl darf es sein?

In ELI Beamline sollen vier Laser mit unterschiedlichen Eigenschaften zum Einsatz kommen, die Maßstäbe setzen. Der Stärkste von ihnen wird eine Leistung von zehn Petawatt (zehn Billiarden Watt) liefern — das ist Weltrekord. Zum Vergleich: Die Leistung aller Kraftwerke weltweit beträgt nur etwa 50 Terawatt, also ein Zweihundertstel. Möglich ist das, weil die Leistung auf eine extrem kurze Zeitspanne von ungefähr 20 Femtosekunden (20 billiardstel Sekunden) konzentriert wird. Auch dazu ein verblüffender Vergleich: Schaltet man eine Taschenlampe für eine Sekunde ein, reist das Licht in dieser Zeit von der Erde zum Mond. Wenn wir unseren Laser einschalten, kommt das Licht in der Zeit eines Pulses nur sechs Mikrometer weit — nicht einmal eine Haaresbreite also.

Der Stärkste Laser von ELI Beamline  wird eine Leistung von zehn Petawatt (zehn Billiarden Watt) liefern — das ist Weltrekord.

Als Masterlaser verwenden wir einen sehr stabilen, von einem diodengepumpten Festkörperlaser gepumpten Ti:Sa-Laser mit einer Wellenlänge von 830 Nanometern, also nahem Infrarotlicht. Mit 80 Megahertz Wiederholrate sendet er scharfe Lichtimpulse aus, die wir mit einer Kombination von clever aufgebauten Gittern und Spiegeln auseinanderziehen. Unterschiedliche Lichtwellenlängen kommen dadurch zu unterschiedlichen Zeiten an. Das Lichtspektrum kann man so in hintereinandergeschalteten oder mit Neodym dotierten Gläsern portionsweise verstärken. Anders wären die enormen Leistungen gar nicht möglich.

ELI Beamline bricht Rekorde

Hinter den Verstärkern wird das Spektrum wieder zu dem ultrakurzen Puls komprimiert, der nun eine hunderttausendfach höhere Spitzenleistung aufweist. Der zunächst 20 Zentimeter breite Lichtstrahl wird auf wenige Mikrometer fokussiert. So versuchen wir, bis in den Bereich von zehn hoch 24 Watt pro Quadratzentimeter vorzudringen — auch das wird Weltrekord sein. Solche Rekorde sind beeindruckend, sie sind aber nicht der Zweck von ELI Beamline.

Die Kombination von zwei oder drei Strahlarten eröffnet völlig neue Forschungs­optionen.

Die Laser sollen vielmehr Forschern helfen, noch genauer in neue Materialien oder biologische Proben zu blicken. Und sie sollen ganz neue Forschungsperspektiven eröffnen, etwa besondere Effekte in der Quantenelektrodynamik finden. So vermuten Physiker, dass sich Photonen, die Energiequanten des Lichts, bei hohen Energiedichten und Intensitäten in Materie — in ein Elektron und ein Positron — umwandeln. Und zwar im Vakuum, also wie aus dem Nichts. Ob wir diesen Effekt an ELI Beamline sehen werden, ist nicht sicher, die Chancen stehen aber besser als irgendwo anders.

Geschickt kombiniert

Eine interessante Option, die es so ebenfalls noch nirgends gibt, ist die Kombination verschiedener Strahlarten. ELI Beamline erzeugt neben Laserlicht auch hochenergetische Elektronen und Protonen. Die Elektronen werden beschleunigt, indem sie quasi auf der Lichtwelle reiten und so fast Lichtgeschwindigkeit erreichen. Elektronen erzeugen wir mit einer Energie von deutlich über einem Gigaelektronenvolt, Protonen mit über 100 Megaelektronenvolt. Damit dringen wir in die Energiebereiche großer Beschleuniger vor, die mehrere Kilometer lang sind. Mit dem Laser brauchen wir aber nur wenige Zentimeter, um den Teilchen dieselbe Energie mitzugeben.

Gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum DESY in Hamburg entwickeln wir LUX (Laser Undulator X-ray). LUX ist ein kompakter Elektronenbeschleuniger, der das Elektronenpaket so aufbereitet, dass es direkt in einem Undulator zur Röntgenstrahl erzeugung im Wasserfenster genutzt werden kann. Neben Laserlicht und Teilchen (Elektronen, Protonen) können die Wis-senschaftler bei ELI Beamline auch mit Röntgenstrahlung experimentieren. Die Kombination von zwei oder drei Strahlarten eröffnet völlig neue Forschungsoptionen.

Das Licht jedes Lasers lässt sich über ein Verteilersystem in jedes Labor leiten.

So ist es zum Beispiel denkbar, Proteine mit Elektronen oder Photonen anzuregen und gleichzeitig mit Röntgenlicht zu beobachten, wie sich die komplizierten Moleküle in Sekundenbruchteilen umordnen. Die Faltungsprozesse der Proteine bei unterschiedlichen Anregungen lassen sich so wie in einem Movie darstellen. ELI Beamline ist zwar ein Forschungsgerät, es profitiert aber von der Industrie. Umgekehrt befruchtet es deren Entwicklungen, weil die beteiligten Unternehmen ihre Produkte an vorderster Forschungsfront testen und verbessern können.

Hohe Qualitäts­ansprüche

Viele der hoch repetierenden Picosekundenpumplaser, die das Ausgangslicht für die Verstärkerstrecken liefern, kommen von TRUMPF Scientific Lasers. Für uns ist die Erfahrung etwa aus dem Einsatz in der Automobilindustrie wichtig, weil dort höchste Anforderungen an Qualität und Zuverlässigkeit gestellt werden. ELI Beamline versteht sich als Serviceeinrichtung, die von der Zufriedenheit der Nutzer lebt. Nur wenn unsere Kunden ihre Forschungsziele in der geplanten Zeit erreichen, erhalten sie weiter Förderung für ihre nationalen Forschungsorganisationen, die auch den Betrieb von ELI Beamline finanzieren.

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