Das ist der neue Mega-Laser der USA

Die USA haben einen neuen Laser-Rekord aufgestellt. Im ZEUS-Laserlabor an der University of Michigan erreichte ein Laserpuls erstmals eine Spitzenleistung von 2 Petawatt. Das entspricht dem Doppelten der bisherigen Rekordleistung von Lasern in den USA. 

Die enorme Leistung übertrifft damit auch das 100-fache der weltweiten Stromleistung, kann aber nur für einen kurzen Moment aufrechterhalten werden. Konkret kann sie für 25 Trillionstel einer Sekunde (eine Trillion hat 18 Nullen) gehalten werden. Blinzeln darf man also nicht unbedingt. 

Labor für die vielversprechendsten Forschungsvorhaben 

Das Laserprojekt ZEUS wird von der National Science Foundation (NSF) gefördert. Es handelt sich dabei um eine sogenannte Einrichtung, in der Forschungsteams aus den USA oder dem Ausland Versuche durchführen können. 

Die vielversprechendsten Projektideen werden dann in einem unabhängigen Auswahlverfahren ausgewählt, wie es in der Pressemitteilung heißt. 

Die Forschung mit ZEUS soll beispielsweise neue Erkenntnisse in den Bereichen Materialwissenschaft oder Quantenphysik bringen. Anwendung soll der Laser beispielsweise auch in der Weiterentwicklung der Technologie zur Krebsbehandlung finden.

Wie ZEUS funktioniert 

Ein Vorteil von ZEUS ist, dass das Licht des Lasers auf mehrere Strahlen aufgeteilt werden kann. Indem die Wissenschaftler 2 getrennte Laserstrahlen verwenden, wollen sie Energie erzeugen, die jener eines Teilchenbeschleunigers entspricht. Damit wäre sie 5 bis 10 Mal höher als bisher in ZEUS-Anlagen erzeugte Elektronenstrahlen.

Dabei erzeugt ein Laserstrahl einen leitenden Kanal. Der andere beschleunigt die Elektronen. Um das zu erreichen, wurde die Gaszelle, in die der Laser eindringt, überarbeitet und verlängert. Für den Versuch wurde Helium verwendet. 

Durch den Laserpuls wird das Gas in Plasma verwandelt. Darin sind dann die Atome von Elektronen getrennt, sodass eine Mischung aus freien Elektronen und positiv geladenen Ionen entsteht. Diese freien Elektronen werden dann durch den Laserpuls beschleunigt. 

Da sich Licht in Plasma langsamer bewegt, können die Elektronen es “einholen” und dabei mehr Energie aufnehmen. So erreichen sie Höchstgeschwindigkeiten. 

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Der nächste Schritt 

Im nächsten Schritt sollen die beschleunigten Elektronen auf einen 2. Laserpuls treffen, der ihnen entgegengerichtet ist. Dadurch wird der 3-Petawatt-Laserpuls millionenfach stärker erscheinen, was der Grund für den Namen von ZEUS ist: “Zettawatt Equivalent Ultrashort Laser Pulse System”. 

Um dieses Ziel zu erreichen, muss die ZEUS-Anlage ungefähr so groß wie eine Turnhalle sein. Dort beginnt der Laserpuls als schwacher Infrarotstrahl, der durch optische Elemente gestreckt wird, damit er nicht zu intensiv wird und Luft in Plasma verwandelt.  In seiner größten Ausprägung hat der Laserstrahl einen Durchmesser von 12 Zoll (30 Zentimeter) und eine Länge von einigen Metern. 

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Hürden und Herausforderungen

Damit das Experiment erfolgreich verläuft, mussten aber einige Hürden überwunden werden. Als eine der größten Herausforderungen nennt das Team die Beschaffung eines entsprechend großen Saphirkristalls, der mit Titanatomen angereichert ist. 

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Dabei handelt es sich um die entscheidende Komponente, die den Laserpuls auf die volle Leistung bringt. "Der Kristall, den wir im Sommer bekommen werden, wird uns auf 3 Petawatt bringen, und seine Herstellung hat viereinhalb Jahre gedauert", sagt Franko Bayer, Projektleiter bei ZEUS. 

Seit der Eröffnung von ZEUS im Oktober 2023 hat das Wissenschaftler-Team viele Experimente durchgeführt. Im Laufe des Jahres will das Team ZEUS weiter aufrüsten, um eine Leistung von 3 Petawatt zu erreichen.