24.05.1982

FORSCHUNGWundersames Licht

Laserstrahlen schweißen Stahl, tasten Bildplatten ab und verschließen Wunden. Mit ultrakurzen Blitzen des scharf gebündelten energiereichen Lichts könnte nun auch eine völlig neue Chemie entwickelt werden.
Charles V. Shank hat sich an das Extreme gewöhnt. Aber um anderen verständlich zu machen, mit welch kleinen Bereichen von Zeit und Raum er es zu tun hat, muß er weit ausholen.
"In einer Sekunde kann Licht von der Erde fast bis zum Mond reisen", erläutert der Forscher der amerikanischen Bell Laboratories. "In 30 Femtosekunden kommt es etwa zehn Mikrometer weit, das entspricht beispielsweise einem Drittel der Stärke eines menschlichen Haares."
Lichtblitze von 30 Femtosekunden Dauer - trotz des auschaulichen Vergleichs schwer vorstellbar - kann ein von Shank geleitetes Team seit neuestem erzeugen, berichtete er auf einer Fachkonferenz in Phoenix (Arizona). Die Impulse, deren Zeitmaß auch mit 0,03 Pico- oder 0,00003 Nano- oder 30 Billiardstelsekunden angegeben werden könnte, sind die wohl kürzesten je von Menschen in Gang gebrachten Ereignisse.
Abgesehen von der fälligen Eintragung im "Guinness Book of Records" ist das wissenschaftliche Unterfangen durchaus nützlich: Damit werden sich erstmals ultraschnelle Prozesse aufklären lassen, insbesondere was im einzelnen beim chemischen Aufbau und Zerfall von Molekülen geschieht, wie etwa der Sehvorgang funktioniert oder auf welche Weise in den Pflanzen die Photosynthese abläuft.
"Unterhalb von 0,1 Picosekunden haben wir es mit Impulsen zu tun, die kürzer sind als die Vibrationen eines einzelnen Atoms", erklärt Dr. Shank. "So können wir untersuchen, wie sich Atome verbinden und wie Energie von einem Teil eines Moleküls zu einem anderen übertragen wird."
Shank und seine Mitarbeiter experimentieren mit einem Laser: Es ist eine Lichtverstärkungsanlage vom gleichen Prinzip wie jene, die modernste Video- oder Schallplatten abtasten, die zur Landvermessung, zur Datenübertragung durch Glasfaserkabel oder zum Anheften abgelöster Augennetzhaut eingesetzt werden.
Durch sogenanntes optisches Pumpen erzeugt das Gerät Strahlen, die nahezu monochrom sind, also von einheitlicher Frequenz, dazu kohärent, also von gleichem Schwingungstakt, sehr energiereich und scharf gebündelt.
Laser, Ende der fünfziger Jahre entwickelt, galten als Wunderlampen, die leider nur keinen praktischen Nutzen S.230 hatten. Mittlerweile ist die Zahl der Anwendungen unübersehbar.
Mit Laserlicht können Zahnärzte frühzeitig Karies erkennen. Als "unblutiges Skalpell" erlaubt es Chirurgen, verklebte Eileiter zu öffnen, verbrannte Haut abzutragen, Magenblutungen zu stillen, ohne daß sie den Bauch aufschneiden müßten, und empfindliche Organe wie Leber und Nieren schonend zu operieren.
Laserstrahlen entdecken Schadstoffe in der Atmosphäre, übermitteln gleichzeitig Zehntausende von Telephongesprächen und reinigen - so in Venedig - taubendreckverkrustete Statuen. Sie erzeugen räumliche Bilder (Hologramme), die zu Show-Effekten wie zur Prüfung von Flugzeugreifen verwendet werden, beheben Defekte an elektronischen Schaltkreisen und werden womöglich die Energieversorgung der Welt sichern.
Forscher wie die einer Arbeitsgruppe am Garchinger Max-Planck-Institut für Plasmaphysik suchen mit den energiereichen Blitzen die atomare Kernfusion - das Feuer der Sonne - auf Erden zu entzünden. Militärtechniker basteln an Laserstrahl-Kanonen, die feindliche Satelliten und Interkontinentalraketen vom Himmel holen sollen; in den USA haben sie damit bereits Hubschrauber und Lenkgeschosse außer Gefecht gesetzt.
In der industriellen Produktion, konstatierte jüngst der Fiat-Ingenieur Dr. Aldo V. La Rocca in der Wissenschaftszeitschrift "Scientific American", ist der Einsatz von Lasern inzwischen eine "ausgereifte Technologie": Sie schweißen Pipeline-Röhren und hochbeanspruchte Automobilteile, vergüten Oberflächen von Dieselmotor-Komponenten, brennen Kühlkanäle in Turbinenschaufeln, bohren Achslager in Rubine für Armbanduhren, Düsen in die Plastikköpfe von Spraydosen, Sauglöcher in Babyschnuller und schneiden Anzugstoffe fransenfrei zu.
Art und Stärke des wundersamen Lichts lassen sich fast schon beliebig auf jeden nur denkbaren Zweck abstimmen. Dabei ist von Vorteil, daß Laser sowohl mit stetem Strahl wie mit Flackerfeuer betrieben werden können - das gerade wäre ein ideales Werkzeug für eine völlig neuartige Chemie.
Zwar sandte schon der erste funktionstüchtige Laser, gebaut 1960 von dem Amerikaner Theodore Maiman, im Millisekundentakt gepulstes Licht aus. Aber erst Geräte mit hyperschneller Blitzfolge, wie die Bell-Forscher sie nun erproben, taugen für gezielte Eingriffe in die Feinstruktur der Materie.
"Wenn Moleküle wahllos erhitzt werden", so beschreibt der US-Forscher Ahmed H. Zewail den Hauptnachteil eines Grundverfahrens klassischer Chemie, "brechen die jeweils schwächsten Atombindungen." Auf diese Weise - Reagenzien ins Glas, Bunsenbrenner an - lassen sich immer nur gewisse Reaktionen einleiten, keineswegs alle erwünschten.
Mit genügend kurzen und intensiven Laser-Impulsen hingegen, erläutert der Professor vom California Institute of Technology weiter, "hoffen wir Moleküle präzise dort knacken zu können, wo wir es wollen": Ein exakt bemessener Lichtblitz würde seine Energie an ausgesuchten Molekül-Bindungsstellen abgeben und die übrigen gleichsam kalt und damit intakt lassen.
Außer der Herstellung ganzer Gruppen bisher unbekannter Stoffe sieht etwa Professor W. S. Letochow, Chef des Labors für Laser-Spektroskopie der sowjetischen Akademie der Wissenschaften, Anwendungen bis hin zu großindustriellen Prozessen:
* Abtrennen von Isotopen, meist seltenen Abarten der chemischen Elemente, die beispielsweise als Markierungssubstanzen für medizinische, biologische oder technische Untersuchungen gebraucht werden und vorerst kaum je mit Gold aufzuwiegen sind;
* Herstellen von chemischen Stoffen mit bisher unerreichbarem Reinheitsgrad dadurch, daß mit Laserlicht geringste Spuren von Verunreinigungen - selbst einzelne Moleküle - zu identifizieren und auszulesen sind;
* planvolle Eingriffe in komplexe Bio-Moleküle, insbesondere Analyse und gezielte Veränderung von Erbsubstanz.
Ein eigener Bereich wäre die Behandlung radioaktiver Substanzen der Atomindustrie. Mit Laserstrahlen könnten die Reste von spaltbarem Uran aus dem Abraum herkömmlicher Anreicherungsanlagen gewonnen und so die Ressourcen an Kernbrennstoff fast um ein Fünftel erhöht werden.
Ebenso ließe sich die Aufbereitung von radioaktiven Abfällen, die derzeit Dutzende von Prozessen erfordert, bei denen wiederum Strahlenmüll anfällt, vereinfachen und verbessern. Langlebige und besonders gefährliche Radionuklide könnten abgetrennt und zurück in die Reaktoren gebracht, nützliche Isotope extrahiert werden.
Noch wären viele solcher exotisch anmutenden Anwendungen des Lasers unwirtschaftlich. Geräte, die Impulse im Picosekunden-Bereich aussenden, kosten nach Auskunft des Laser-Experten John Ryan von der US-Firma Coherent mindestens 80 000 und mit allen Zusatzeinrichtungen leicht 300 000 Dollar.
Einstweilen treiben solchen Aufwand nur wenige Forschungsinstitute und Industrielabors wie das von Dr. Shank. "Die meisten Leute in der Laser-Welt", so Ryan, "können sich Systeme wie das S.231 der Bell Laboratories noch gar nicht leisten." Die Unterwelt allerdings, war bei einem Seminar von Interpol in Paris zu erfahren, arbeitet schon mit der raffinierten Technologie: Sie verwendet Laser-Farbabtaster zur Herstellung von Druckplatten für Falschgeld.

DER SPIEGEL 21/1982
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung


DER SPIEGEL 21/1982
Titelbild
Abo-Angebote

Den SPIEGEL lesen oder verschenken und Vorteile sichern!

Jetzt Abo sichern
Ältere SPIEGEL-Ausgaben

Kostenloses Archiv:
Stöbern Sie im kompletten SPIEGEL-Archiv seit
1947 – bis auf die vergangenen zwölf Monate kostenlos für Sie.

Wollen Sie ältere SPIEGEL-Ausgaben bestellen?
Hier erhalten Sie Ausgaben, die älter als drei Jahre sind.

Artikel als PDF
Artikel als PDF ansehen

FORSCHUNG:
Wundersames Licht

  • Ex-US-Botschafterin über Trump: "Das passiert halt in sozialen Netzwerken"
  • Airline testet Ultralangstreckenflug: Stretchen nicht vergessen!
  • Dreidimensionales Bild: Ein Hologramm zum Anfassen
  • Emotionaler Hoeneß-Abschied: "Dieser Tanker muss geradeaus fahren"