Laserglas

Kurzzeitig soll eine Leistung von 500 Billionen Watt entstehen, wenn 192 gebündelte Laserstrahlen in der National Ignition Facility auf ein winziges kugelförmiges Ziel treffen.
Bernd Müller

Zündende Ideen aus Glas für heiße Öfen

Am kalifornischen Lawrence Livermore National Laboratory entsteht derzeit der leistungsstärkste Laser der Welt – mit einigen Tausend Spezialgläsern von SCHOTT. Die dreißigjährige Partnerschaft zwischen Physikern und Glasexperten hat diese technologische Meisterleistung ermöglicht.

„Wir alle bestehen aus Sternenstaub”, pflegte Carl Sagan zu sagen. Damit wollte der amerikanische Astronom und Autor darauf hinweisen, dass die chemischen Elemente, aus denen alle Materie und auch wir Menschen aufgebaut sind, vor Milliarden Jahren und auch noch heute in Supernovä gebraut wurden. Diese heißen Sterne sind bisher unerreichbar und nur mit Teleskopen zu sehen. Spätestens 2010 soll sich das ändern: Dann wird die National Ignition Facility, kurz NIF, für wenige Milliardstel Sekunden eine zwar winzige, aber extrem heiße Supernova leuchten lassen und helfen, die frühesten Ursprünge der Materie zu entschlüsseln. Das dabei entstehende Fusionsplasma könnte eines Tages sogar zur Stromerzeugung in einem Kraftwerk dienen.
Dieser Beamlet-Laser liefert die Energie für die NIF-Laseranlage und dient der Erprobung neuer Materialien und Verfahren. (Foto: LLNL)
Wenn die 192 Laser am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien eine Leistung von 500 Billionen Watt (eine 5 mit 14 Nullen) auf ein wenige Millimeter großes kugelförmiges Ziel, gefüllt mit Deuterium und Tritium, den schweren Brüdern des Wasserstoffs, schießen und ein 100 Millionen Grad heißes Plasma zünden, wird dies auch ein Erfolg für das Nordamerika-Team von SCHOTT Advanced Optics sein. Die Gläser aus dem Werk in Duryea, Pennsylvania, sind eine entscheidende Komponente, denn das Licht der Neodym-Glas-Laser entsteht in mehreren Tausend Glasplatten mit den Abmessungen 745 mal 425 mal 45 Millimeter. Dieses Glas ist, was Größe, chemische Zusammensetzung und Präzision anbelangt, einzigartig in der Welt.

Möglich ist so eine technologische Meisterleistung nur, wenn Kunde und Lieferant eng zusammenarbeiten und gemeinsam die Hürden meistern, die bei einem solchen Mammutprojekt zwangsläufig auftauchen. Die Partnerschaft zwischen LLNL und SCHOTT besteht mittlerweile seit 30 Jahren. Schon in den 70er Jahren produzierte SCHOTT Phosphatglas für Laser, damals noch mit konventioneller sphärischer Form. Die Ansprüche des Forschungslabors stiegen mit der Zeit, doch SCHOTT hielt mit immer neuen Glastypen und Fertigungsmethoden Schritt. So war es fast selbstverständlich, dass LLNL wieder auf den Technologiekonzern zuging, als die Planung der nif Gestalt annahm. Gemeinsam entwickelten SCHOTT-Experten mit LLNL-Forschern eine neue Glassorte sowie ein neues Produktionsverfahren zur Herstellung der Scheiben. Dabei wurde zuerst in einzelnen Arbeitsschritten, später in einem kontinuierlichen Prozess das Laserglas aufgeschmolzen. So wurde die Produktion schließlich um das 20fache beschleunigt und die Kosten wurden um den Faktor 5 reduziert.

Fast fünf Jahre dauerte die Entwicklung der Gläser für die NIF-Laser. Nicht alles ging glatt – kein Wunder, wenn man zur Grenze des technologisch Machbaren vordringt – doch in einer Pilotanlage fertigte SCHOTT zunächst 200 Glasscheiben mit den erforderlichen Eigenschaften. 2005 bestätigten erste Experimente, dass die Laser wie gewünscht arbeiten und dass die Zündung des Plasmas – wenn einmal alle 192 Laser in Betrieb sind – tatsächlich wie vorausberechnet erfolgen wird. Auch für SCHOTT hat sich die Anstrengung gelohnt. Das Herstellungsverfahren für das NIF-Glas wird auch für den französischen Megajoule-Laser genutzt, der gerade in der Nähe von Bordeaux entsteht.
Herz aus Glas

Das Licht der NIF-Laser wird in speziellen Glasplatten erzeugt, hergestellt am SCHOTT Standort Duryea, USA (Foto). Dies gelingt aber nur, wenn die exakte chemische Rezeptur stimmt. Die Hauptrolle spielen Neodym-Atome, die dem Glas eine violette Farbe verleihen und die mit Lichtblitzen angeregt werden. Bei der Rückkehr in den Grundzustand wird Infrarotlicht frei, das sich im Glas wie eine Lawine selbst verstärkt. Der Lichtstrahl, der das Glas verlässt, ist auf einen winzigen Punkt fokussiert und nur wenige Milliardstel Sekunden kurz.