Lasertechnik: Laseranwendungen in der Forschung

Lasertechnik: Laseranwendungen in der Forschung

 

Der Laser spielt nicht nur in der Medizin, sondern auch in vielen anderen Bereichen der Wissenschaft eine große Rolle: Schon anhand der wenigen, zum Teil spektakulären Beispiele, die hier aufgeführt werden können, lässt sich erkennen, dass der Laser in der modernen Forschung jeglicher Fachrichtung ein allgegenwärtiges und oft unentbehrliches Werkzeug und Messgerät geworden ist.

 

Der Laser hat die Vielzahl seiner Anwendungsmöglichkeiten in der naturwissenschaftlichen Forschung der Kombination außergewöhnlicher Eigenschaften zu verdanken, die bereits im ersten Kapitel dieses Teils angesprochen wurden. Besonders vorteilhaft ist für die Wissenschaftler aber, dass er Licht beziehungsweise Energie von maßgeschneiderter Beschaffenheit mit sonst unerreichbarer Präzision, zeitlicher Konstanz und Reproduzierbarkeit bereitstellt. Dadurch wurden viele Messverfahren revolutioniert, andere Phänomene konnten überhaupt erst mit dem Laser entdeckt werden. Durch die Entwicklung der Piko- und Femtosekundenlaser sind sogar gänzlich neue Fachdisziplinen entstanden: die Kurzzeitphysik und Kurzzeitchemie beziehungsweise -biochemie, die den Ablauf chemischer Reaktionen auf molekularer Ebene und in extrem kurzen Zeiträumen erforschen. Bei der Untersuchung vieler Lebensvorgänge spielen diese kurzen Pulse eine entscheidende Rolle, da wichtige Reaktionen wie die Photosynthese der Pflanzen oder der Sehprozess im Auge sich in entsprechend kurzen Zeiträumen abspielen.

 

Das Einsatzspektrum des Lasers reicht heute von Astronomie und Physik, über Chemie, Biochemie und Biologie bis zu den Geo- und Umweltwissenschaften sowie den Ingenieurdisziplinen, etwa der Energietechnik. Bei kaum einem großen naturwissenschaftlichen Projekt kommt man heute ohne Laser aus: sei es die Entschlüsselung des menschlichen Erbguts in Gensequenzierungsautomaten, sei es der Nachweis von Gravitationswellen, der Aufschluss über Beginn und Ende des Kosmos liefern könnte, oder sei es die gezielte Überwachung und Steuerung chemischer Reaktionen. Es kommen aber auch noch ganz andere Möglichkeiten in Betracht: die Spurensicherung in der Kriminalistik, der Nachweis von Umweltschadstoffen oder die Erforschung von Hautkrebserkrankungen durch UV-Strahlen.

 

 Steuern von chemischen Reaktionen

 

In der Grundlagenforschung in Physik, Chemie und Biologie hat der Laser heute einen festen Platz. Durch die Verbindung von moderner Lasertechnologie und Erkenntnissen der Quantentheorie ist es heute im Prinzip möglich, atomare und molekulare Vorgänge umfassend und elegant zu steuern. Alle chemischen Reaktionen, die nicht von allein ablaufen, müssen durch Energiezufuhr in Gang gesetzt werden. Dies geschieht meist durch Erwärmen (etwa beim Kochen) oder durch Lichtzufuhr (zum Beispiel bei der Photosynthese). Durch den Einsatz des Lasers als Lichtquelle ist es nun möglich, den Ablauf chemischer Reaktionen gezielt in eine Richtung zu lenken und somit eine ganz bestimmte chemische Umsetzung auszulösen. Denn mit einem Laser kann man die zugeführte Energie exakt dosieren und selektiv für ganz bestimmte Prozesse bereitstellen, indem nur genau die dafür benötigten Wellenlängen eingestrahlt werden. Man kann mit dem Laser beispielsweise ganz bestimmte Bindungen in einem Molekül kontrolliert aufbrechen, während andere erhalten bleiben. Oft reicht jedoch die gezielte Anregung einer chemischen Bindung mit einer bestimmten Laserwellenlänge nicht aus, sondern man muss zusätzlich die Kohärenzeigenschaften und damit die Phasenbeziehung zweier Laserstrahlen nutzen.

 

Dabei fallen die Stoffe in sehr reiner Form an, und es entstehen sehr viel weniger unerwünschte Nebenprodukte als bei herkömmlichen Produktionsverfahren. Die gezieltere Beeinflussung chemischer Reaktionen hat die Entwicklung neuartiger und interessanter Produkte und Materialien zur Folge. Dadurch ist der Laser vor allem für die Industrie geeignet, beispielsweise für die Pharmaindustrie, wo Moleküle quasi vom »Reißbrett« hergestellt werden könnten. Denn dort stellt beispielsweise die Trennung von biologisch aktiven Substanzen große Ansprüche an die verwendeten Geräte. Bei einem großtechnischen Einsatz zeigt sich allerdings, dass die Laseranwendung in den meisten Fällen für große Serien und Produktionsmengen noch nicht geeignet ist. Deshalb bedarf es noch erheblicher Forschung, bis die »lasergeschneiderten« neuen Moleküle in die Fertigung und schließlich in Form von neuen Medikamenten in den Verkauf gelangen können.

 

 Laserkühlung

 

Die Kühlung von Atomen mit Laserstrahlung ist ein ganz neuer Aspekt der Laseranwendung, da der Laser üblicherweise als Werkzeug zum Erhitzen eines Materials benutzt wird. Tatsächlich beruht die Wirkungsweise dieses kurz Laserkühlung genannten Prozesses auf einem gänzlich neuartigen Prinzip, das sich von herkömmlichen Kühlmethoden wie der Kältemaschine unterscheidet. Die Kältemaschine nutzt die Effekte, die sich beim Komprimieren, Verflüssigen und Verdampfen von Gasen ergeben, zur Kühlung aus (nach diesem Prinzip funktioniert auch der Kühlschrank).

 

Das Bemühen, Atome oder Moleküle auf immer tiefere Temperaturen abzukühlen, gründet sich in der Tatsache, dass viele physikalisch interessante Prozesse entweder bei tiefen Temperaturen einfacher ablaufen oder überhaupt erst bei diesen Temperaturen auftreten. Beispiele hierfür sind das verlustlose Fließen von elektrischem Strom (die Supraleitung) oder die besonderen Eigenschaften flüssigen Heliums. Auch das Einfangen von Atomen oder Molekülen in Atomfallen gelingt nur bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt (—273,15 Grad Celsius). Diese Fallen erlauben gezielte Experimente an einzelnen Atomen und gipfeln in der Entwicklung von Atomlasern. Dies sind Geräte, die anstatt kohärenter Lichtwellen kohärente Atome aussenden — dies ist möglich, weil Atome nach den Gesetzen der Quantenmechanik nicht nur Teilchen sind, sondern genau wie die Lichtteilchen, die Photonen, auch Welleneigenschaften besitzen.

 

Um Atome zu kühlen, einzufangen und »in Ruhe« untersuchen zu können, muss man zunächst in einer speziellen Apparatur einen Atomstrahl erzeugen. Das völlig neuartige Kühlprinzip für atomare Gase beruht auf einem genialen Trick: Da die Wärme physikalisch gesehen die ungeordnete Bewegung der Atome oder Moleküle eines Gases ist, stoppt ein Laserstrahl mit einer bestimmten Frequenz gezielt die Teilchen. Dadurch erniedrigt sich deren Durchschnittsgeschwindigkeit und damit ihre Temperatur nach dem Prinzip: je langsamer, desto kälter. Wie schafft der Laser dieses Kunststück? Die Photonen üben, wenn sie absorbiert werden, einen winzigen Druck auf die absorbierenden Atome aus, den Lichtdruck. Ist dieser Lichtdruck gegen die momentane Bewegungsrichtung des Atoms gerichtet, so wird es gebremst. Dies ist trotz des winzigen Lichtdrucks möglich, da die Zahl der Photonen deutlich größer ist als die Zahl der absorbierenden Atome des Gases. Um nun aber selektiv diejenigen Atome Photonen absorbieren zu lassen, die sich erstens auf den Laser zu bewegen und zweitens überdurchschnittlich schnell sind, bedarf es des Doppler-Effekts. Dieser bewirkt, dass für die bewegten Atome die Photonen eine andere Wellenlänge besitzen, als sie ruhenden Atomen erscheinen würden — und zwar richtungsabhängig und umso stärker, je schneller die Atome sind. Auf diese Weise hat jedes Atom eine von Richtung und Geschwindigkeit abhängige Vorzugsfrequenz für die Absorption, und so kann man durch Variation der Laserfrequenz tatsächlich nur die in einer gewählten Richtung jeweils schnellsten Atome abbremsen. Durch die Überlappung von sechs Laserstrahlen, die paarweise gegeneinander gerichtet sind, lässt sich ein Gas sehr stark abkühlen. Auf diese Weise können Temperaturen unter einem Millikelvin erzeugt werden — das ist nur ein Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Mittlerweile konnte man durch Ausnutzung weiterer Effekte Temperaturen von nur einem Millionstel, ja sogar nur einem Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt erreichen. So tiefe Temperaturen gibt es nach heutigem Wissen nirgendwo, außer in den Laboratorien der Tieftemperaturforscher! Für die Beschreibung dieser Phänomene und ihre experimentelle Umsetzung erhielten die Physiker Claude Cohen-Tannoudji aus Frankreich und Steven Chu und William D. Phillips aus den USA 1997 den Physiknobelpreis. Durch die Kühlung und Speicherung von Atomen mit Laserlicht kann man die Theorien der Quantenmechanik mit bis dahin unerreichbarer Präzision experimentell bestätigen und somit ein tieferes Verständnis der Natur erlangen.

 

 Die optische Pinzette

 

Per Lichtdruck lassen sich aber nicht nur Atome abbremsen und kühlen, sondern man kann damit auch Atome oder ganze Atom- und Molekülverbände einfangen und gezielt bewegen. Dabei wird ein solcher Teilchenverband ähnlich wie ein Gummiball über einer Fontäne balanciert. Hierfür eignet sich zum Beispiel ein Argonionenlaser mit einer Leistung von nur 250 Milliwatt, der immerhin ein Glaskügelchen mit 25 Mikrometern Durchmesser tragen kann.

 

Diese Form der Teilchenmanipulation mit Lasern kann man als optische Pinzette nutzen. Mit ihr lassen sich Makromoleküle und noch größere Teilchen wie ganze Zellen greifen, transportieren und an bestimmter Stelle ablegen. Dies geschieht in speziellen Mikroskopen, in die Laserstrahlen eingekoppelt werden. Optische Pinzetten auf der Basis von infrarot strahlenden Neodym-YAG-Lasern werden beispielsweise bei der Klonierung von Säugetier-Eizellen verwendet. Wenn der isolierte Zellkern der zu klonierenden Eizelle mit einem stark fokussierten Laserstrahl beleuchtet wird, verhält er sich wie eine Linse, in der das Licht gebrochen wird. Ist der Strahl in der Mitte intensiver als am Rand, so entsteht eine Kraft, welche den Zellkern in den Brennpunkt des Laserstrahls zieht. Verändert man den Fokus des Laserstrahls, so wandert der dort fixierte Zellkern mit, ohne dass er berührt wird. Mit einem weiteren Laser, der gepulste Ultraviolettstrahlung abgibt, lassen sich nun auf einem winzigen Punkt der empfangenden Eizelle extrem hohe Temperaturen erzeugen. Damit entsteht dort eine kleine Öffnung, während die Umgebung aufgrund der kurzen Wechselwirkungszeit kaum geschädigt wird. Durch diese Öffnung bringt man dann den an der Laserpinzette festgehaltenen Zellkern in die Eizelle ein.

 

Die hier beschriebenen Lasermikrostrahlen werden in der Molekular- und Zellbiologie, aber auch in der Krebsforschung eingesetzt. Dort werden regelrechte Operationen an einzelnen Zellen durchgeführt, Zellen werden verschmolzen, oder es werden kleinste Mengen von Medikamenten, genetischem Material oder radioaktive Markierungen in die Zellen geschleust. Diese Arbeiten gehören teilweise zur medizinisch-biologischen Grundlagenforschung, teilweise werden sie aber auch schon in der Therapie eingesetzt. Der größte Vorteil neben dem berührungslosen Arbeiten, mit dem viele Manipulationen überhaupt erst möglich werden, liegt vor allem in der höheren Sterilität dieser Verfahren, die das Risiko für Infektionen oder andere Komplikationen deutlich herabsetzt. Auch außerhalb der Medizin werden Lasermikrostrahlen eingesetzt, und zwar vor allem in der Mikrosystemtechnik, die nicht nur elektronische Schaltungen, sondern auch miniaturisierte Ventile, Zahnräder oder andere mikromechanische Bauelemente herstellt.

 

 Gravitationswellen

 

Der Laser wird aber nicht nur zur Manipulation winziger Atome, Moleküle und Zellbestandteile eingesetzt, er ermöglicht auch die Erforschung der schwersten und größten Objekte, mit denen sich die Naturwissenschaft beschäftigt, wie Schwarze Löcher und Galaxien. Speziell Schwarze Löcher stellen die Astronomen vor große Probleme: Diese von Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie postulierten Objekte senden keinerlei elektromagnetische Wellen und damit auch kein Licht aus. Daher konnten sie bisher auch nur indirekt, durch ihre Auswirkungen auf benachbarte normale Sterne, nachgewiesen werden. Nun gibt es aber noch eine weitere Konsequenz aus Einsteins Relativitätstheorie, mit deren Hilfe Schwarze Löcher und andere weit entfernte, massereiche Objekte eventuell doch direkt beobachtet werden könnten: Einstein stellte nämlich fest, dass die uns allen bekannte Schwerkraft oder Gravitation in vielen Aspekten der elektromagnetischen Kraft ähnlich ist; insbesondere sollten beschleunigte schwere Objekte genau wie beschleunigte elektrische Ladungen eine Strahlung abgeben, die sich in Form von Gravitationswellen im Weltall ausbreitet. Wären wir imstande, diese wahrzunehmen, so könnten wir die oben genannten Objekte »sehen«, auch wenn sie kein Licht aussenden. Die Sache hat nur einen Haken: Die von Einstein vorausgesagten Gravitationswellen besitzen in den allermeisten Fällen nur winzige Auslenkungen und äußerst große Wellenlängen. Betrachten wir zum Beispiel eine Gravitationswelle, die von einem 100 Meter langen Eisenstab mit einer Masse von einer Tonne ausgesandt wird, der sich in einer Sekunde dreimal um sich selbst dreht: Diese Gravitationswelle bewirkt bei einer als Antenne aufgestellten Probemasse eine Längenänderung um den unvorstellbar kleinen Betrag von 10^-40 Metern — das sind 39 Nullen hinter dem Komma. Ein anderes Beispiel: Der Planet Jupiter erzeugt bei seinem Lauf um die Sonne Gravitationswellen mit einer Leistung von einigen Kilowatt und einer Wellenlänge von zwölf Lichtjahren, das ist das Dreifache der Strecke zum nächsten Fixstern. Diese Wellen können mit keinem Gerät der Welt detektiert werden.

 

Gibt es überhaupt eine Chance, Gravitationswellen nachzuweisen? Ja, und zwar wenn es sich um extrem massereiche, stark beschleunigte kosmische Objekte handelt. So senden zwei einander umkreisende Schwarze Löcher oder explodierende Sterne Gravitationswellen mit Leistungen aus, die um das 10³⁰- bis 10⁴⁰fache über den eben genannten Werten liegen. Diese können auf der Erde bei einer Antenne von einem Meter Länge immerhin Längenänderungen zwischen 10^-18 und 10^-21 Metern hervorrufen — das ist allerdings immer noch nur höchstens ein Tausendstel bis ein Millionstel des Durchmessers eines Atomkerns — oder sie können den Abstand Erde —Sonne um einen Atomdurchmesser verändern. Der andere Grund, warum Gravitationswellen vielleicht doch nachgewiesen werden können, liegt darin, dass man mithilfe von Lasern höchstempfindliche Detektoren für solche winzigen Längenänderungen bauen kann. Es handelt sich dabei um Laserinterferometer, deren Messprinzip bereits als Hilfsmittel der industriellen Messtechnik angesprochen wurde. Allerdings muss hier die Länge der Interferometerarme entsprechend vergrößert werden: Je größer die Antenne selbst, desto größer ist die winzige Längenänderung, die in ihr hervorgerufen wird. Bisher ist zwar noch keinem der als Prototypen bereits fertig gestellten Gravitationswellendetektoren der Nachweis dieser Wellen gelungen, doch die Forscher sind zuversichtlich, mit neuen und verbesserten Anlagen den Durchbruch in den nächsten Jahren schaffen zu können.

 

Mehrere Forschungsgruppen auf der ganzen Welt arbeiten derzeit daran, die Existenz von Gravitationswellen erstmalig direkt nachzuweisen. Beispielsweise wird von der Universität Hannover und einer schottischen Gruppe aus Glasgow das GEO 600-Interferometer entwickelt. Dies ist ein Laserinterferometer mit einer Armlänge von 600 Metern, das südlich von Hannover entsteht und im Rahmen der Weltausstellung »Expo 2000« in Betrieb genommen werden soll. Diese Messanlage wird mit einem Dauerstrichlaser mit zehn Watt Ausgangsleistung betrieben. Die winzigen Verschiebungen beim Durchgang einer Gravitationswelle durch die beiden Interferometerarme bewirken eine Phasenverschiebung zwischen den durch die beiden Arme laufenden Teilstrahlen. Diese kann auch dann noch nachgewiesen werden, wenn sie nur einen winzigen Teil der Lichtwellenlänge ausmacht. Die Interferometerarme selbst bestehen aus unter der Erde verlaufenden evakuierten Röhren, da schon die Bewegung der Luftmoleküle jeglichen Effekt von Gravitationswellen überdecken würde. Auch Spiegel und Strahlteiler sind gegen geringste Bodenerschütterungen oder von Fahrzeugen verursachte Schwingungen geschützt.

 

Während GEO 600 mit 600 Metern Armlänge arbeitet, wird das LIGO-Projekt, das zurzeit (1999) in den USA gebaut wird, sogar vier Kilometer lange Arme haben. Weltweit befinden sich noch weitere Anlagen in Planung, Aufbau und Aktion. Schließlich kann nur das Zusammenwirken möglichst vieler Detektoren einen sicheren Nachweis von Gravitationswellen gewährleisten; um etwa die Lage einer Quelle und die Schwingungsrichtung der Wellen bestimmen zu können, benötigt man mindestens vier Detektoren. Es wird sogar geplant, ein Michelson-Interferometer zur Messung von Gravitationswellen in einer Umlaufbahn um die Sonne im Weltall zu stationieren. Dieses LISA (Laser-Interferometer-Space-Antenna) genannte Projekt mit fünf Millionen Kilometern Armlänge soll ab 2009 in Betrieb genommen werden.

 

Wenn die großen Laserinterferometer tatsächlich Gravitationswellen nachweisen könnten, würde sich der Astronomie ein völlig neuer Blickwinkel erschließen. So werden Gravitationswellen möglicherweise auch von exotischen Galaxien aus dunkler Materie ausgesandt, die man damit zum ersten Mal direkt beobachten könnte. Da Gravitationswellen so gut wie überhaupt nicht gestreut und absorbiert werden, sollte man darüber hinaus noch Reste der beim Urknall erzeugten Gravitationsstrahlung empfangen. Es würden also Einblicke in die Entstehungszeit des Universums bis zum Urknall zurück möglich. Am Ende könnten durch solche Messungen die bestehenden Theorien über Entstehung und Struktur des Universums bestätigt oder durch neue Ideen ersetzt werden.

 

 Laserinduzierte Kernfusion

 

Auch eines der größten heutigen Probleme der Menschheit, die Suche nach einer sicheren und auf Dauer verfügbaren Energiequelle, könnte eines Tages mithilfe des Lasers gelöst werden. Die Technologie, die eine solche Energiequelle zur Verfügung stellen könnte, ist die laserinduzierte Kernfusion. Kernfusion ist die Verschmelzung zweier leichter Atomkerne, bei der Energie freigesetzt wird. In heutigen Kernkraftwerken wird bei der Spaltung von schweren Atomkernen Energie frei. Die Kernfusion tritt im Inneren der Sonne und aller anderen Sterne auf, sie ist die wichtigste Energiequelle der Natur und die Grundlage für alles Leben.

 

Der Unterschied zwischen Kernspaltung und Kernfusion besteht zum einen darin, dass bei der Kernspaltung die teuren und gefährlichen Rohstoffe Uran und Plutonium benötigt werden. Dagegen kommt die Kernfusion im Prinzip mit dem im Wassermolekül enthaltenen Wasserstoff als Ausgangssubstanz aus — er bietet also ein schier unerschöpfliches Energiereservoir. Zum anderen ist die Möglichkeit einer unkontrollierten Kettenreaktion, wie sie 1986 bei der Reaktorkatastrophe im ukrainischen Tschernobyl aufgetreten ist, bei der Kernfusion ausgeschlossen.

 

Die Kernfusion konnte vom Menschen bisher lediglich als unkontrollierte Wasserstoffbombe gezündet werden; eine friedliche Nutzung der Kernfusion ist noch nicht gelungen. Woran liegt das? Im Sonneninneren findet die Kernfusion sozusagen natürlich statt; dort herrschen extrem hohe Temperaturen von bis zu 16 Millionen Grad, eine Massendichte von 135 Kilogramm pro Liter und ein Druck von 200 Milliarden Bar. Die Materie liegt dort als Plasma aus geladenen Atomkernen und Elektronen vor. Bei diesen extremen Bedingungen können Atomkerne ihre starke elektrische Abstoßung überwinden und sich so nahe kommen, dass sie verschmelzen. Genau hier liegt das Problem: Es müssen auf der Erde in einem Labor beziehungsweise einem Kraftwerk die extremen Bedingungen des Sonneninneren geschaffen werden. Hierfür muss zunächst sehr viel Energie aufgebracht und auf engstem Raum konzentriert werden. Nur dann kann ein Fusionsplasma »zünden«, also Energie liefern. Und nur wenn das Plasma mehr Energie liefert, als zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Plasmas aufgebracht werden muss, hat man ein echtes Fusionskraftwerk konstruiert. Die dabei auftretenden technischen Probleme sind immens, nur in wenigen Fällen kann auf bekannte Lösungsansätze aus anderen Technologien zurückgegriffen werden. Es gibt derzeit für eine kontrollierte Kernfusion zwei Konzepte: einerseits den Einschluss des Plasmas durch magnetische Kräfte und andererseits die lasergesteuerte Kernfusion.

 

Im Mittelpunkt des Geschehens stehen bei der laserinduzierten Kernfusion kleine Brennstoffkügelchen oder Pellets. Diese werden mit Höchstleistungslasern beschossen. Die Pellets bestehen aus Kunststoff oder Glas und enthalten ein Gemisch der schweren Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium. Diese sind als Fusionsbrennstoff besonders gut geeignet. Der eigentliche Brennstoff ist von einer Umhüllung umgeben, die eintreffendes Laserlicht in Röntgenstrahlung umwandelt. In Zukunft ist auch an den Einsatz von Röntgenlasern gedacht. Die Röntgenstrahlung ist so energiereich, dass sich der Brennstoff innerhalb einer Milliardstel Sekunde auf Temperaturen von 100 Millionen Grad aufheizt, im Prinzip ausreichend zur Zündung der Fusionsreaktion.

 

Dabei ist aber eine große Schwierigkeit zu überwinden: Der Anregungspuls muss so kurz sein, dass die Fusion einsetzt, bevor das Pellet explodiert. Die für die Fusion notwendige Komprimierung des Brennstoffs selbst geschieht folgendermaßen: Bei der Bestrahlung mit Laserenergie werden die obersten Schichten des Kunststoffs sehr schnell erhitzt und verdampft; das entstehende Plasma expandiert. Dadurch erfährt die darunter liegende Pelletschicht einen Rückstoß zum Zentrum hin, wodurch die darin eingeschlossene Materie komprimiert und schließlich gezündet wird. Dieses Verfahren wird auch Trägheitseinschluss genannt, da der Brennstoff durch die Trägheit der Materie zusammengehalten wird.

 

Die laserinduzierte Kernfusion stellt extreme Anforderungen an die dabei benutzten Laser. Es müssen sehr kurze Pulse von möglichst energiereichen Laserstrahlen, am besten im Röntgenbereich, erzeugt werden. Mit heutigen Versuchsanlagen lassen sich bereits Fusionsreaktionen herbeiführen, es muss dafür aber immer noch mehr Energie aufgewendet werden, als gewonnen wird. Trotz intensiver Forschung liegt die kontrollierte Energiegewinnung aus Kernfusionsreaktionen noch in ferner Zukunft, und es bedarf noch weiterer umfangreicher Arbeiten, bis das Ziel erreicht sein wird. Außer dem Problem, überhaupt eine energieliefernde Fusionsreaktion zu erreichen, treten dabei auch noch andere Schwierigkeiten auf. Vor allem ist dies die extreme Belastung des Wandmaterials, das bei den erforderlichen Temperaturen noch zuverlässig und stabil bleiben muss. Außerdem wird das Wandmaterial mit der Zeit aktiviert, es wird also radioaktives Material erzeugt. Aus heutiger Sicht wird jedoch weniger radioaktiver Abfall mit kürzeren Halbwertszeiten anfallen als in derzeitigen Kernkraftwerken. Durch die Entwicklung neuer Konzepte bei der Brennstoffzündung und die Verwendung anderer Brennstoffe wird versucht, den radioaktiven Abfall weiter zu reduzieren und die Gefahren für Mensch und Umwelt zu verringern.

 

Eine berühmte Experimentieranlage für die Laserfusion wird in den USA am Lawrence-Livermore-National-Laboratory (LLNL) in Kalifornien betrieben. Dort befindet sich unter anderem der NOVA-Laser. Dieser kann kurze Pulse mit Leistungen im Terawattbereich abgeben. Ein Terawatt entspricht einer Billion Watt. In dieser Anlage wird unter anderem untersucht, wie sich Materie bei extremen Drücken und Temperaturen verhält. Dies betrifft nicht nur das Plasma in einem Fusionsreaktor, sondern auch die Verhältnisse in explodierenden Sternen, die für die Astrophysik von großem Interesse sind. Ein anderes Forschungsgebiet am LLNL ist die Simulation von Kernwaffentests. Alle bisherigen Laseranlagen werden von einer in Livermore geplanten neuen Anlage in den Schatten gestellt werden. Diese National Ignition Facility (NIF) soll 2003 in Betrieb gehen. Sie wird 196 UV-Laser enthalten, mit deren Hilfe unter anderem ein echtes Kernfusionskraftwerk betrieben werden soll, also ein Kraftwerk, das mehr Energie liefert, als hineingesteckt wird.

 

 Umweltanalytik

 

Der Laser hilft nicht nur bei der Erforschung des Mikrokosmos, sondern findet seinen Einsatz auch, wenn es um die globale Erdbeobachtung oder die Ortung und Konzentrationsmessung von Gasen über große Entfernungen geht. Bei dieser Fernerkundung hat der Laser gegenüber anderen Messmethoden den Vorteil, dass er aktiv arbeitet und unabhängig von den Beleuchtungsverhältnissen ist. Weitere Pluspunkte der Laserfernerkundung sind, dass sie binnen Sekunden genaue Messwerte liefert, die für einen großen Raumbereich gelten, der mit anderen Methoden nur schwer erfasst werden kann. Dadurch lassen sich räumliche und zeitliche Veränderungen von Schadstoffkonzentrationen in der Luft gut verfolgen.

 

Die wichtigsten Laserfernmessmethoden für die Bestimmung von Luftschadstoffen basieren auf Absorptionsmessungen. Ein Messsystem für Fernmessungen besteht aus einem Lasersender, der ein Strahlungsbündel durch das Messgebiet schickt, aus einer Empfängereinheit mit zugehöriger Empfangsoptik und aus der Auswerteelektronik. Dabei können Lasersender und Empfängereinheit räumlich voneinander getrennt angeordnet sein, allerdings ist es für die meisten Anwendungen wünschenswert, wenn beide Einheiten an einem Ort sind. Um das zu erreichen, muss der Laserstrahl wieder zurückgeführt werden, was auf verschiedene Weise erreicht werden kann. Beim Durchqueren des Messgebiets wird das Laserlicht durch die in der Luft befindlichen Teilchen gestreut und zum Teil absorbiert und somit abgeschwächt. Aus der gemessenen Abschwächung der Laserintensität ergibt sich die über die Wegstrecke summierte Schadstoffmenge, allerdings noch keine Information über deren räumliche Verteilung.

 

Die Absorptionsmesstechnik ist ein wichtiger Bestandteil der Umweltüberwachung. Ein Beispiel hierfür ist die lasergestützte Untersuchung von Autoabgasen vom Straßenrand aus, bei der Fahrzeuge, welche die zulässigen Grenzwerte überschreiten, sofort identifiziert werden können. Aber auch in der Klimatologie, Meteorologie und bei der Eigenüberwachung von industriellen Anlagen wird die Laserfernmessung eingesetzt.

 

 LIDAR

 

Um aber nicht nur die Schadstoffmenge in der Atmosphäre zu bestimmen, sondern auch deren räumliche Verteilung und die Entfernung zu messen, wird ein spezielles Verfahren der Laserfernmessung eingesetzt, das mit kurzen Laserpulsen arbeitet: das LIDAR-Verfahren. Ein LIDAR-Messgerät kann auf dem Boden installiert sein oder sich in Flugzeugen, Fahrzeugen, Satelliten oder Schiffen befinden. LIDAR steht für den englischen Ausdruck »Light Detection and Ranging«, »Lichterfassung und Entfernungsbestimmung«. Dieser Name lehnt sich an die Radartechnik an, bei der ganz ähnlich, allerdings mit Radiowellen, vorgegangen wird. Auch dem LIDAR-Verfahren liegt vorwiegend eine Absorptionsmessung zugrunde, allerdings wird mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen gearbeitet, deren Streulichtintensitäten dann verglichen werden. Dadurch können ganz bestimmte Schadstoffmoleküle wie Schwefeldioxid, Stickoxide oder Kohlenmonoxid beziehungsweise -dioxid unterschieden werden, da jedes Molekül ganz spezifische Wellenlängen absorbiert. Das LIDAR-Gerät wird bei einer Messung immer auf eine spezielle Molekülsorte abgestimmt. Dies geschieht dadurch, dass ein Laserpuls genau auf eine Absorptionslinie eingestellt wird und als Referenzstrahl ein zweiter Puls bei einer dicht benachbarten Wellenlänge verwendet wird, bei der das Molekül nicht mehr absorbiert. Diese beiden Pulse werden gleichzeitig oder kurz hintereinander mit einem schwenkbaren Spiegel ausgesandt, deshalb werden auch zwei Laser benötigt. Man erhält also zwei Signalverläufe unterschiedlicher Intensität. Aus dem Unterschied kann man auf die Konzentration des Schadstoffs schließen, wenn er vorhanden ist. Dabei erfolgt eine besonders genaue Bestimmung. Dieses Verfahren wird auch DIAL — differenzielles Absorptions-LIDAR — genannt. Aus den Messwer- ten lassen sich dreidimensionale Konzentrationskarten innerhalb von Minuten erstellen. Auch Smoglagen, Ozonkonzentrationsmessungen und Inversionswetterlagen können daraus bestimmt werden.

 

 Trinkwasserkontrolle mit Fluoreszenzmessungen

 

Eine andere wissenschaftliche Messmethode für Spurenstoffe ist die Fluoreszenzmessung. Ähnlich wie das Absorptionsspektrum gibt es ein Fluoreszenzspektrum, welches ebenso unverwechselbar eine bestimmte Atom- oder Molekülart charakterisiert. Werden Atome oder Moleküle mit Laserlicht angeregt, so senden sie kurze Zeit später unterschiedlich starkes Fluoreszenzlicht in alle Richtungen aus. Dieses ist für jede Molekülsorte auf charakteristische Weise anders. Dadurch lassen sich zum Beispiel Schwermetalle in Trinkwasser und Schadstoffe in Gewässern nachweisen. Dieser Nachweis zeichnet sich durch hohe Genauigkeit aus — man kann sogar so geringe Mengen wie 0,7 Milliardstel Gramm Blei in einem Liter Wasser nachweisen. Für den Schadstoffnachweis werden unter anderem Farbstofflaser eingesetzt, mit denen die Fluoreszenzstrahlung erzeugt wird. Mit Laserpulsen, die im ultravioletten Bereich liegen, können Öl- und Wassergemische untersucht werden: Aus Stärke und spektraler Verteilung des Fluoreszenzlichts lassen sich Zusammensetzung und Dicke des Ölfilms auf dem Wasser bestimmen. Aus Vergleichsproben kann man dann unter Umständen den Urheber des Ölfilms ermitteln. Das Schwermetall Blei (genauer: seine Verbindungen) ist eine für fast alle Lebewesen sehr giftige Substanz. Versuche zum Fluoreszenzverhalten zeigen jedoch, dass Blei in Süßwasser nur wenig fluoresziert. Im Meerwasser dagegen erweist sich ein Nachweis als viel einfacher, denn die darin enthaltenen Chloridionen (Bestandteile von Kochsalz, NaCl) bilden mit dem Blei Komplexe, molekülartige Gruppierungen, in denen Blei von Chlor umgeben ist. Diese Komplexe fluoreszieren und können daher durch Fluoreszenzmessungen nachgewiesen werden.

 

Neuere Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit einer Modifikation dieses Verfahrens: Da viele umweltrelevante Substanzen nicht selbst fluoreszieren, wird der Einsatz von Algen als Bioindikator geprüft. Die Algen enthalten ihrerseits fluoreszierende Substanzen, wie zum Beispiel das Chlorophyll oder bestimmte Proteine. Wenn Chemikalien einen schädlichen Einfluss auf die Algen ausüben, so lässt sich dieses oft an einer Änderung der Fluoreszenzsignale erkennen. Wenn zum Beispiel ein Pflanzenschutzmittel Zellen abtötet, dann äußert sich das durch eine deutliche Änderung im Fluoreszenzsignal. In der Umweltforschung werden noch andere Lasermessmethoden eingesetzt — sie sind heute ein wichtiger Bestandteil nicht nur der ökologischen, sondern auch der industriellen Messtechnik. Das liegt nicht nur daran, dass die Industrie Verursacher von Umweltschäden ist, sondern auch daran, dass in der Industrie wie in der Umwelttechnik das berührungslose Bestimmen kleinster Substanzmengen eine immer größere Rolle spielt.

 

 Verbrennungsprozesse in Motoren

 

Ein Beispiel, wo industrielle und ökologische Interessen zusammenlaufen und zum Einsatz von hoch entwickelter Lasermesstechnik führen, sind die in Automotoren ablaufenden Verbrennungsprozesse. Sowohl Umweltschützer als auch Entwicklungsingenieure sind darauf aus, Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß zu senken und dabei gleichzeitig die Lebensdauer und Störanfälligkeit der Motoren zu verbessern. Dies kann mit laserdiagnostischen Messverfahren erreicht oder zumindest unterstützt werden. Die dafür notwendige Erforschung der Verbrennungsprozesse wird durch staatliche Fördermittel, aber auch durch eigene Bemühungen verschiedener Automobilfirmen unterstützt. Durch den Einsatz des Lasers ist es möglich, den jeweiligen Verbrennungsprozess direkt in der Brennkammer an Modellmotoren zeitlich hoch aufgelöst und ohne Eingriff in den Prozess selber zu beobachten. Dadurch lässt sich der Ablauf genau verfolgen; man kann viel genauer eingreifen, um Motoraufbau und -funktion zu optimieren.

 

Bei der Untersuchung solcher Verbrennungsprozesse hat sich gezeigt, dass Schadstoffe vor allem mit Infrarotlasern detektiert werden können, da die Moleküle von vielen Schadgasen sehr deutliche Absorptionsspektren im Infraroten zeigen. Dadurch lassen sich schon geringste Konzentrationen nachweisen. Durch Verwendung von Mehrfachreflexionszellen, die wie Spiegel wirken, kann die Messempfindlichkeit noch weiter gesteigert werden.

 

Integrierte Lasermesssysteme sind heute aus der angewandten Forschung nicht mehr fortzudenken, gleichzeitig helfen sie der Grundlagenforschung, die Natur auf der Erde und das Weltall besser zu verstehen. Manche Anwendungen in der Quantenphysik werfen sogar tief greifende philosophische Fragen auf. Laser werden einerseits bei Großexperimenten wie der National Ignition Facility und dem LISA-Projekt eingesetzt, andererseits werden sie weiterhin die Untersuchung mikroskopischer räumlicher und zeitlicher Strukturen voranbringen. Röntgenlaser werden es zukünftig erlauben, noch kleinere Raumstrukturen als bisher zu erfassen und somit in den nächsten Jahren technische Möglichkeiten und grundlegende Erkenntnisse schaffen, die wir uns heute vielleicht noch gar nicht vorstellen können.

 

Prof. Dr. Angelika Anders von Ahlften; Dr. Beate Brase und Dr. Holger Lubatschowski

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Lasertechnik: Laseranwendungen in der Medizin

 

Literatur:

 

Dossier: Laser in neuen Anwendungen, bearbeitet von Dieter Beste u. a. Heidelberg 1998. Sonderheft »Dossier 2/1998« der Zeitschrift »Spektrum der Wissenschaft«.

 Demtröder, Wolfgang: Laserspektroskopie. Grundlagen und Techniken. Berlin u. a. ³1993.

 Donges, Axel / Noll, Reinhard: Lasermeßtechnik. Grundlagen und Anwendungen. Heidelberg 1993.

 Haken, Hermann: Licht und Materie. 2 Bände. Mannheim ²1989-95.

 Stafast, Herbert: Angewandte Laserchemie. Verfahren und Anwendungen. Berlin u. a. 1993.