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Lawrence Livermore National Laboratory

Auf der Suche nach Supernovas und Schwarzen Löchern? Werfen Sie einen Blick auf die National Ignition Facility nahe San Francisco!

National Ignition Facility (NIF): Hinter diesem ungewöhnlichen Namen verbirgt sich ein amerikanisches Forschungszentrum von höchster nationaler Bedeutung. Das Laserforschungszentrum in der Größe des Yankee-Stadiums, das an das Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien angegliedert ist, wird mit dem leistungsstärksten Laser der Welt – 60 mal stärker als das zweitstärkste Lasersystem – Kernforschung und Kerntests durchführen. Die Anlage ist inzwischen zu mehr als 80 % fertiggestellt und soll Mitte 2009 in Betrieb gehen. Das NIF bildet in vielerlei Hinsicht den Höhepunkt der 30-jährigen Zusammenarbeit zwischen SCHOTT und dem Lawrence Livermore National Laboratory. Jack Campbell, Physikochemiker am NIF, fasst die Arbeitsbeziehung zusammen: „Unser Zentrum tritt an SCHOTT heran und erklärt, wir werden diesen Laser bauen. Dazu brauchen wir dieses Glas, das es noch nicht gibt. Aber wir helfen euch, es zu erfinden. Das Glas wird in einem Prozess gefertigt, der ebenfalls noch entwickelt werden muss. Auch dabei werden wir euch unterstützen. Wenn wir das geschafft haben und in die Produktion gehen können, müssen die Produkte gemessen und kontrolliert werden. Falls ihr dazu spezielle Gerätschaften braucht, werden wir diese entweder kaufen oder selbst entwickeln und euch zur Verfügung stellen. Und dann schließen wir einen Fertigungsvertrag mit SCHOTT und legen los.“ Dieses Vorgehen erstreckte sich über drei Jahrzehnte, wobei der Projektumfang mit den Jahren immer mehr zunahm. „Bis zum letzten Laser waren die Glasmengen, die wir abnahmen, recht klein. Ein paar Hundert Pfund vielleicht, wir haben selten mehr als ein paar Hundert Stück geordert. In den Anfangszeiten hatten die Glasteile etwa die Größe eines Untersetzers – für eine Kaffeetasse“ erinnert sich Campbell. Zu diesen ersten Gläsern zählte unter anderem der Glastyp PH4 BK7 für das Swiva-Projekt des Lawrence Livermore National Laboratory in den 1970er Jahren. In den 1980er Jahren wurde das platinfreie Phosphat-Laserglas LG750 für die Laserprojekte Novette und Nova entwickelt. In den 1990ern schließlich kam mit dem NIF Beamlet-Projekt die Umstellung von konventionellen sphärischen Linsen – den Kaffeetassen – auf das Phosphat-Laserglas LG770. Nun wurde das Glas in rechteckigen Platten von 745 x 425 mm und einer Stärke von 45 mm produziert. Beim neu gebauten Laserzentrum ging der Glasbedarf weit, sehr weit über die anfänglichen „Untertassen“-Mengen hinaus. „Die Größe der benötigten Platten nahm immer mehr zu. Schließlich kauften wir Teile, die schon eher die Größe eines Kaffeetisches hatten“ erinnert sich Campbell zurück. Damals lag der Bedarf des NIF nicht mehr bei einigen Hundert, sondern bei mehreren Tausenden Pfund Glas für rund 10.000 Platten. Aneinandergelegt hätte alleine das Laserglas eine Strecke von fünf Meilen ergeben. Es wäre wohl möglich gewesen, ein Laserzentrum dieser Abmessungen auch nach hergebrachten industriellen Verfahren zu fertigen. Allerdings hätte dies den zeitlichen Rahmen des Projekts gesprengt. So musste beispielsweise das Spezialglas in Serienproduktion gefertigt werden, ein Vorgang, den Campbell gerne mit dem „Kuchenbacken“ vergleicht. Nach dem herkömmlichen Verfahren hätten höchstens drei Platten pro Woche hergestellt werden können. Das NIF aber benötigte Laserglas in wesentlich größeren Mengen als bis dahin üblich: Mehrere Tausend meterlange, 0,5 Meter breite und 4 Zentimeter dicke Platten. In der „Kuchenbackgeschwindigkeit“ hätte die Fertigung in solchen Mengen gut 20 Jahre gedauert. Gemeinsam mit SCHOTT Advanced Optics entwickelten Wissenschaftler des NIF eine völlig neuartige Methode zur Herstellung von Laserglas in einem kontinuierlichen Wannenprozess, der nicht nur die Produktionsgeschwindigkeit um das Zwanzigfache erhöht und die Produktionskosten um 80 % sinken lässt, sondern sogar die Herstellung von noch hochwertigerem Laserglas erlaubt. „SCHOTT übernahm die Entwicklung der Maschinen und des Prozesses und sagte uns all die chemischen Komponenten, die wir besorgen mussten“, erzählt Campbell. „Livermore beschaffte die von SCHOTT benötigten Gerätschaften, und SCHOTT baute ein Werk mit dem von uns bereitgestellten Equipment. Das war in diesem Umfang noch nie gemacht worden. Wir wussten nicht, ob es funktionieren würde. Man muss viel Geduld mit dem Partner und mit sich selbst haben. Und streckenweise waren die Ergebnisse wirklich sehr ernüchternd. Es dauerte rund vier oder fünf Jahre, bis der Prozess entwickelt und das Werk betriebsbereit war. Die ersten Fertigungsläufe waren das reinste Desaster. Aber wir ließen uns nicht entmutigen. Mit Partnern, die eng kooperieren und sich gegenseitig vertrauen, kann man alles schaffen.“ Die Zusammenarbeit mit einem einfallsreichen Partner kann nicht nur komplizierte Technik einfach machen, sondern auch viel Geld sparen. Eine wichtige Komponente, die SCHOTT benötigte, war Platin – und zwar eine ganze Tonne. Bei einem Platinpreis von 1.000 Dollar pro Unze hätte alleine dies mit 25 Millionen Dollar zu Buche geschlagen. „SCHOTT erklärte uns, dass der Kauf des Metalls ein Vermögen kosten würde“, erinnert sich Campbell. „Deshalb rieten sie uns zuzusehen, ob wir das Metall nicht von der Regierung leihen könnten. Schließlich besitzen die USA enorme Vorräte. Eine wirklich clevere Idee, die dem Steuerzahler viel Geld sparte. Wir wendeten uns also an die Regierung, die uns eine metrische Tonne Platin aus ihren strategischen Metallvorräten zur Verfügung stellte. Diese gaben wir nach Projektende zurück und mussten lediglich die minimalen Platinmengen ersetzen, die im Produktionsprozess verloren gegangen waren.“ In der Pilotphase des Systems wurden im SCHOTT Werk in Duryea/Pennsylvania, 200 Glasplatten gefertigt. Dies entsprach 5 % der benötigten Gesamtmenge. Die technischen Spezifikationen wurden optimal erfüllt. Neben den Gläsern für das NIF wird im neuen Wannenprozess auch Laserglas für das französische Laser Mégajoule-Projekt gefertigt. Darüber hinaus wird das Verfahren auch für die Fertigung anderer Spezialtypen optischer Gläser adaptiert, die in industriellen Anwendungen ebenso wie im Konsumgüterbereich Einsatz finden, etwa in präzisionsoptischen Instrumenten und in Kameras. Für seine Arbeiten in der Entwicklung verbesserter Optiken und der Methoden, diese wirtschaftlicher herzustellen wurde Campbell von der American Ceramic Society geehrt. Noch fünf weitere kritische technische Innovationen waren für die Realisierung des NIF erforderlich. Vier davon wurden bereits mit Erfolg realisiert, darunter optische Schalter mit großer Apertur, stabile hochverstärkende Vorverstärker, servogesteuerte verformbare Spiegel mit großer Apertur und große, schnellwachsende Kristalle für die Frequenzkonvertierung. Diese Entwicklungen revolutionieren nicht nur den Stand der Technik, sondern bringen in den Projekten auch konkrete Zeitvorteile. Das NIF produzierte den schnellstwachsenden Kristall der Welt mit einem Gewicht von 701 Pfund in gerade einmal zwei Monaten. Früher hätte dies ganze zwei Jahre in Anspruch genommen. Und auch für die nächste große technische Herausforderung stehen SCHOTT und das Lawrence Livermore National Laboratory schon in den Startlöchern.