ELI – Extreme Light Infrastructure

Hamburg, DeutschlandHochleistungslaser bieten vielfältige Möglichkeiten für die Grundlagenforschung. Mit der geplanten Großforschungseinrichtung ELI („Extreme Light Infrastructure“) sollen ab 2018 an zunächst drei Standorten Laserquellen mit bisher unerreichten Leistungsdichten, spektraler Brillanz und Pulsfrequenzen zur Verfügung stehen.

Extrem hohe Leistungsdichten – seien es gebündelte Teilchenstrahlen, Laser-, Synchrotron- oder Röntgenlaserlicht – sind aus vielen Experimenten der physikalischen Grundlagenforschung nicht mehr wegzudenken. Um das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen zu untersuchen und deren Grundbausteine zu entdecken, werden geladene Teilchen auf hohe Energien beschleunigt und schließlich zur Kollision gebracht. Aber auch in Gebieten wie den Materialwissenschaften oder in der Medizin kommt energiereiche Strahlung unterschiedlicher Natur zum Einsatz. Zum Beispiel verwenden Ärzte sie zur Diagnose von krankhaften Veränderungen im Gewebe oder behandeln bösartige Tumore mit hochenergetischen Ionenstrahlen.

Konventionell finden sich die Experimentierplätze für energiereiche Strahlung an großen Teilchenbeschleunigern. Diese sind jedoch experimentell sehr aufwendig und außerdem kostspielig. Für viele Anwendungen könnten extrem leistungsstarke Laser, bei denen die Energie in kurzen Pulsen konzentriert ist, künftig eine vielversprechende Alternative bieten. Außerdem eignet sich das Laserlicht selbst – dank seiner physikalischen Eigenschaften – ausgezeichnet zur Analyse von Materialien und den Prozessen im Mikro- und Nanobereich.

Das Bild zeigt eine einfache Europakarte mit den politischen Ländergrenzen. Die drei ELI-Standorte in Tschechien, Rumänien und Ungarn sind mit roten Kreisen markiert und beschriftet. Oben links sind die Internetadressen der drei ELI-Laserzentren angegeben.
ELI-Standorte in Osteuropa

Das äußerst vielseitige Potenzial der Lasertechnologie ist bei Weitem noch nicht ausgeschöpft. Mit der Extreme Light Infrastructure (ELI) soll eine über verschiedene Standorte in Osteuropa verteilte Forschungsinfrastruktur entstehen, in der Wissenschaftler aus aller Welt die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie bei höchsten Intensitäten erforschen können. Darüber hinaus wird ELI andere technische Entwicklungen beeinflussen, wie etwa den Bau kompakter lasergetriebener Teilchenbeschleuniger. Nicht zuletzt dient ELI als Hotspot für die wissenschaftliche Weiterqualifikation in diesem Bereich.

Deutsche Beteiligung an ELI

Die drei Standorte von ELI befinden sich in Rumänien, Tschechien und Ungarn. Die weiteren Partner sind Deutschland, Italien und Großbritannien. Die Lasertechnologie hat eine große Bedeutung für den Innovations- und Wirtschaftsstandort Deutschland. Daher ist es für Deutschland besonders wichtig, mit exzellenten Partnern zu kooperieren und sich an der Vorbereitung von ELI aktiv zu beteiligen. So können auch Forschungseinrichtungen in Deutschland ihre Kompetenzen in diesem Bereich ausbauen. Über die Beteiligung an der Vorbereitung der ELI-Infrastruktur hinaus fördert das Bundesforschungsministerium Projekte an den ELI-Einrichtungen. Diese Mittel in Höhe von zurzeit rund 738 000 € ermöglichen es deutschen Universitäten, am Standort ELI Nuclear Physics (ELI-NP) in Rumänien eigene Experimentierplätze aufzubauen und an der Optimierung der Experimente mitzuwirken. Damit baut Deutschland seine starke Position in der Kernphysik sowie der Material- und Medizinforschung aus.

ELI ist als europäisches Gemeinschaftsprojekt nicht nur Teil der deutschen Roadmap für Forschungsinfrastrukturen, sondern auch der Roadmap des Europäischen Strategieforums für Forschungsinfrastrukturen (ESFRI). Die Infrastruktur wird aus drei Laserzentren bestehen, die sich in ihrer wissenschaftlichen Ausrichtung ergänzen. Die drei genannten Standorte befinden sich derzeit im Bau, ein vierter ist noch in Planung. ELI ist die erste europäische Forschungsinfrastruktur, deren Bau mit Mitteln aus einem EU-Strukturfonds, dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), finanziert wird.

ELI-Beamlines: Röntgenlaser und Teilchenbeschleuniger

In der Einrichtung „ELI-Beamlines“ in Dolní Břežany bei Prag soll, wie in allen ELI-Zentren, Lasertechnologie entwickelt und deren Anwendungsspektrum erweitert werden. Zusätzlich werden den Wissenschaftlern dort Experimentierplätze für Grundlagenforschung zur Verfügung stehen.

Von einem längsgestreckten Gebäude fällt ein bogenartig geschwungenes Dach bis auf den Boden herab. Das Dach ist mit Gras bewachsen; in regelmäßigen Abstanden ist der Grasbewuchs von Rinnen durchbrochen, in denen Wasser zum Boden hinunter fließt.
ELI-Beamlines in Tschechien

ELI-Beamlines wird vier verschiedene primäre Lasersysteme betreiben, welche die Basis für verschiedene sekundäre Laser- wie auch Teilchenquellen bilden. Aus dem Licht eines klassischen Infrarotlasers werden über nichtlineare optische Prozesse hochfrequente Röntgenlaserpulse erzeugt. Mit diesen Pulsen lassen sich auch Elektronen oder deren Antiteilchen, die Positronen, auf einer Strecke von wenigen Millimetern auf eine Energie im Gigaelektronenvolt-Bereich beschleunigen. In einem Linearbeschleuniger würde dazu eine Strecke von rund einem Kilometer benötigt.

Die sekundär erzeugten, hochfrequenten Laserpulse, deren Länge jeweils im Femtosekundenbereich (eine Billiardstel Sekunde) liegt, sollen zur Diagnostik in der Medizin sowie in der Biologie und Materialforschung zum Einsatz kommen. Die erzeugten Teilchenstrahlen können für die therapeutische Medizin eingesetzt werden. Weitere geplante Forschungsfelder sind Laserplasmaphysik sowie Physik bei hohen Energien und Felddichten. Mit den gepulsten Lasern von ELI-Beamlines lassen sich Leistungen von bis zu zehn Petawatt während eines 150 Femtosekunden dauernden Laserblitzes erreichen.

ELI-ALPS: Attosekundenlaser

Grafischer Entwurf eines verwinkelten Gebäudes, das von schräg oben dargestellt ist. Der vordere, rechte Gebäudeteil besteht aus einer Glaskonstruktion, in der eine Art riesiger Ballon durchscheint. Im Hintergrund erstreckt sich eine Landschaft aus Wiesen und Bäumen.
ELI-ALPS in Ungarn

Die Einrichtung „ELI-ALPS“ bei Szeged in Ungarn wird vornehmlich hochfrequente Laserpulse im extremen Ultraviolett- und im Röntgenwellenbereich bei einer Pulsdauer im Bereich von Attosekunden (Tausendstel Femtosekunden) und mit Wiederholraten zwischen 10 Hertz und 100 Kilohertz bereitstellen. Durch die ultrakurzen Pulse können Momentaufnahmen von extrem schnellen Vorgängen in Atomen, Molekülen, Plasmen und Festkörpern aufgenommen werden. Aus den Messungen wollen die Forscher etwa den zeitlichen Ablauf von Ionisationsprozessen in Molekülen ermitteln oder Schwingungen und andere Bewegungen von Ladungen oder Ladungsansammlungen in Molekülverbindungen untersuchen. Außerdem lassen sich die Laserquellen von ELI-ALPS in der Festkörperphysik einsetzen, etwa um an Oberflächen von Festkörpern Plasmen auf der Nanoskala zu erzeugen oder Elektronentransferprozesse zu beobachten. Weiterhin wird in ELI-ALPS das Ziel verfolgt, extrem hochenergetische Laserpulse mit zweihundert Petawatt Leistung zu erzeugen.

ELI-NP: Gammaquelle für die Kernphysik

Die Abbildung zeigt zwei nebeneinander liegende, rechteckige Gebäudekomplexe mit Flachdach aus der Perspektive von schräg oben. Der Gebäudeteil im Vordergrund ist länger als der im Hintergrund. Um das Gebäude herum befinden sich Wege und Parkanlagen.
ELI-NP in Rumänien

An der Forschungseinrichtung „ELI-NP“ in Măgurele nahe der rumänischen Hauptstadt Bukarest wollen die Wissenschaftler mithilfe neuartiger Lasertechnologie vor allem kernphysikalische Reaktionen untersuchen. Da diese Vorgänge bei extrem hohen Energien und in kurzen Zeiträumen ablaufen, war es bisher nicht möglich, diese Reaktionen anzuregen und zu beobachten. ELI-NP soll künftig Laserstrahlung mit den dazu notwendigen Eigenschaften erzeugen. Hierbei wird die Laserstrahlung nicht direkt mit den Kernen in Wechselwirkung treten, sondern sie wird für die Erzeugung von Ionen- und Elektronenstrahlen sowie hochbrillanter Gammastrahlung eingesetzt, die dann mit den Kernen interagieren. Für die Erzeugung der Gammastrahlen wird ein kurzer Laserpuls mit einem nahezu lichtschnellen Elektronenstrahl zur Kollision gebracht. Dabei entsteht Gammastrahlung, die Lasereigenschaften besitzt und sich dazu eignet, kernphysikalische Reaktionen zu untersuchen. Eines der Forschungsziele ist es, die schädliche Wirkung radioaktiver Abfälle zu reduzieren.

Steckbrief ELI

Typ:

Hochleistungslaser / Mehrzweck-Laserzentrum

Technologien:

ELI-BL: u.a. optisch-parametrische Verstärkung mit gestreckten Pulsen, diodengepumpte Festkörperlaser

ELI-ALPS: Erzeugung höherer harmonischer Wellen in Festkörpern und Gasen

ELI-NP: Compton-Rückstreuung von Laserlicht an Elektronen

Standorte:

Rumänien, Tschechien und Ungarn

Projektleitung:

ELI Delivery Consortium International Association (AISBL)

Baukosten:

850 Millionen Euro

Finanzierung:

ca. 85 Prozent EU und ca. 15 Prozent Sitzland

Geplanter Nutzerbetrieb:

ab 2018

Bestandteil folgender Roadmaps:

BMBF, ESFRI sowie nationale Roadmaps der Länder Bulgarien, Litauen, Polen, Rumänien, Tschechien, Ungarn

Beteiligte Länder:

Deutschland, Großbritannien, Italien, Rumänien, Tschechische Republik, Ungarn

ELI-Beamlines

Standort:

Dolní Břežany, Tschechische Republik

Baukosten:

272 Millionen Euro

Baubeginn:

2012

Ausstattung:

4 primäre Lasersysteme und 6 Experimentierhallen

Oszillatorlaser:

Titan-Saphir-Laser mit einer Wellenlänge von 830 Nanometern

Strahlungsenergie und -leistung:

Pulsenergie von 200 Millijoule bis 1,5 Kilojoule, Leistung bis max. 10 Petawatt

Intensität:

max. 1023 Watt pro Quadratzentimeter

Pulsdauer:

10 – 100 Femtosekunden

Wiederholrate:

0,1 – 1000 Hertz

ELI-ALPS

Standort:

Szeged, Ungarn

Baukosten:

185 Millionen Euro

Baubeginn:

2014

Ausstattung:

3 primäre Laserquellen und 10 Experimentierhallen

Pulsenergie:

100 Millijoule bis 300 Joule

Pulsdauer:

einige 10 Attosekunden

Wiederholrate:

1 – 100 Kilohertz

ELI-NP

Standort:

Măgurele, Rumänien

Baukosten:

293 Millionen Euro

Baubeginn:

2013

Ausstattung:

2 Laser, 1 Gammastrahlungsquelle, 7 Experimentierhallen

Leistung (Laser):

max. 10 Petawatt

Intensität (Laser):

max. 1023 – 1024 Watt pro Quadratzentimeter

Photonenenergie (Gammaquelle):

19 MeV (Megaelektronenvolt)

Bandbreite (Gammaquelle):

0,1 Prozent