Es wird erwartet, dass der ZEUS-Laser im Laufe des Jahres eine noch höhere Leistung erbringen wird. (Bild: Marcin Szczepanski, Michigan Engineering)
Die University of Michigan hat erfolgreich den ersten Test ihres ZEUS-Lasersystems (Zettawatt-Equivalent Ultrashort pulse laser System) mit einer Leistung von 2 Petawatt durchgeführt. Benannt nach dem mächtigsten Gott der griechischen Mythologie – dem Herrscher des Olymps und Gebieter über Blitz und Donner – macht das System seinem Namensgeber alle Ehre. Mit einer Energieentladung ist der ZEUS-Laser der aktuell stärkste in den USA und einer der leistungsfähigsten weltweit. Die Leistung von 2 Petawatt – das entspricht 2 Billiarden Watt oder dem 100-fachen der weltweiten Stromerzeugung – wird allerdings nur für extrem kurze Zeit erreicht: Der Laserimpuls dauert lediglich 25 Quintillionstel Sekunden (2,5 x 10-30 s oder 0,00000000000000000000000000000025 s).
Technische Details des Hochleistungslasers
Das ZEUS-System ist in einem Raum von der Größe einer Schulturnhalle untergebracht. Der technische Aufbau beginnt mit der Erzeugung eines Infrarotimpulses in einer Ecke des Raumes. Spezielle optische Geräte, sogenannte Beugungsgitter, dehnen diesen Impuls zeitlich aus, damit er bei der anschließenden Energiezufuhr durch Pumplaser nicht so intensiv wird, dass er die Luft in Plasma verwandelt.
Animierter "Flug" durch den ZEUS-Laser
In seiner größten Ausdehnung ist der Laserstrahl etwa 30 Zentimeter breit und "mehrere Fuß" lang (Einen Wert in cm für den Rest der Welt gibt es leider nicht...). Nach vier Runden der Energieverstärkung durch Pumplaser gelangt der Impuls in Vakuumkammern. Dort wird er durch weitere Beugungsgitter zu einer 30 Zentimeter großen Scheibe geformt, die nur etwa 8 Mikrometer dick ist – zehnmal dünner als ein Blatt Papier. Selbst mit dieser Größe wäre die Intensität ausreichend, um Luft in Plasma zu verwandeln. Für die Experimente wird der Strahl schließlich auf eine Breite von nur 0,8 Mikrometern fokussiert, um maximale Intensität zu liefern.
Ein entscheidendes Bauteil des Systems ist ein mit Titanatomen angereicherter Saphirkristall mit einem Durchmesser von fast 18 Zentimetern. Dieser Kristall ist die kritische Komponente des letzten Verstärkers, der den Laserimpuls auf volle Leistung bringt. „Der Kristall, den wir im Sommer bekommen werden, wird uns auf 3 Petawatt bringen, und seine Herstellung hat viereinhalb Jahre gedauert“, erklärt Projektmanager Franko Bayer. „Die Größe des Titan-Saphir-Kristalls, den wir haben – es gibt nur wenige davon auf der Welt.“
Wie stark ist der stärkste Laser der Welt wirklich?
Handelsübliche Laserpointer kommen meist auf wenige Milliwatt Leistung, stärkere Varianten für industrielle Zwecke erreichen einige Kilowatt. Im Vergleich dazu sprengen wissenschaftliche Hochleistungslaser alle Skalen: Der aktuell stärkste aktive Laser ist der LFEX-Laser in Japan mit 2 Petawatt, also zwei Billiarden Watt, komprimiert in eine Pikosekunde. Noch intensiver ist der CoReLS-Laser aus Südkorea, der mit einer Intensität von über 10²³ Watt/cm² den Weltrekord hält. Das beschriebene ZEUS-System arbeitet bereits mit 2 Petawatt und soll bald auf 3 Petawatt gesteigert werden – in Experimenten simuliert es sogar Leistungen im Zettawatt-Bereich. Die Krönung stellt die im Bau befindliche chinesische Station of Extreme Light (SEL) dar, die bei Fertigstellung mit 100 Petawatt der leistungsstärkste Laser der Welt sein wird.
Forschungsziele und Anwendungen des ZEUS-Lasers
Die NSF (National Science Foundation) unterstützt ZEUS als Nutzereinrichtung, was bedeutet, dass Forschungsteams aus den USA und der ganzen Welt Experimentvorschläge einreichen können. Nach einem unabhängigen Auswahlverfahren erhalten die Teams Zugang zur Anlage.
Das erste Nutzerexperiment bei 2 Petawatt wird von Professor Franklin Dollar von der University of California, Irvine geleitet. Sein Team versucht, Elektronenstrahlen mit Energien zu erzeugen, die denen von Teilchenbeschleunigern mit einer Länge von hunderten Metern entsprechen. Dies wäre eine 5-10-fach höhere Energie als bei allen bisher am ZEUS-System erzeugten Elektronenstrahlen.
„Wir wollen höhere Elektronenenergien mit zwei separaten Laserstrahlen erreichen – einer bildet einen Führungskanal und der andere beschleunigt Elektronen durch diesen Kanal“, erklärt Anatoly Maksimchuk, Forschungswissenschaftler an der University of Michigan, der die Entwicklung der Experimentbereiche leitet.
Die Forschung an ZEUS hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Medizin, nationale Sicherheit, Materialwissenschaft und Astrophysik sowie in der Plasma- und Quantenphysik. Vyacheslav Lukin, Programmdirektor in der NSF-Abteilung für Physik, die das ZEUS-Projekt betreut, betont: „Die Grundlagenforschung an der NSF ZEUS-Anlage hat viele mögliche Anwendungen, darunter bessere Bildgebungsverfahren für Weichgewebe und die Weiterentwicklung der Technologie zur Behandlung von Krebs und anderen Krankheiten.“
Ausblick auf zukünftige Entwicklungen
Die Demonstration der 2-Petawatt-Leistung von ZEUS ebnet den Weg für das geplante Hauptexperiment, das noch in diesem Jahr stattfinden soll. Dabei werden beschleunigte Elektronen mit Laserimpulsen kollidieren, die aus der entgegengesetzten Richtung kommen. Im bewegten Bezugssystem der Elektronen wird der 3-Petawatt-Laserimpuls scheinbar eine Million Mal leistungsstärker – ein Impuls im Zettawatt-Bereich.
John Nees, Forschungswissenschaftler für Elektro- und Computertechnik an der University of Michigan, der den Laserbau leitet, erklärt: „Als mittelgroße Anlage können wir flexibler arbeiten als Großanlagen wie Teilchenbeschleuniger oder die National Ignition Facility. Diese Offenheit zieht neue Ideen aus einer breiteren Wissenschaftsgemeinschaft an.“
In den kommenden Jahren wird die Hochleistungslasertechnologie voraussichtlich weitere Fortschritte machen. Während ZEUS derzeit mit 2 Petawatt arbeitet, ist das Ziel, die volle Leistung von 3 Petawatt zu erreichen. Dies wird durch den Einbau des neuen Titan-Saphir-Kristalls möglich sein, der für diesen Sommer erwartet wird.
Die Entwicklung solcher Ultrahochleistungslaser könnte in Zukunft zu noch kompakteren und effizienteren Systemen führen, die möglicherweise in der Lage sein werden, Teilchenbeschleuniger zu ersetzen oder neue Wege in der Krebstherapie zu eröffnen. Darüber hinaus könnten solche Laser auch für die Erforschung extremer astrophysikalischer Phänomene wie Magnetare (Neutronensterne mit extrem starken Magnetfeldern) und aktive galaktische Kerne, die von heißem Plasma umgeben sind, genutzt werden.
Der Autor: Dr. Martin Large
Aus dem Schoß einer Lehrerfamilie entsprungen (Vater, Großvater, Bruder und Onkel), war es Martin Large schon immer ein Anliegen, Wissen an andere aufzubereiten und zu vermitteln. Ob in der Schule oder im (Biologie)-Studium, er versuchte immer, seine Mitmenschen mitzunehmen und ihr Leben angenehmer zu gestalten. Diese Leidenschaft kann er nun als Redakteur ausleben. Zudem kümmert er sich um die Themen SEO und alles was dazu gehört bei all-electronics.de.