Forschungszentrum in der Dämmerung

ELI-ALPS

Gebäude mit weißen Gitter über dem Dach

ELI BEAMLINES

Springbrunnen im Vordergrund, im Hintergrund modernes Bürogebäude

ELI-NP

Apparatur hält eine durchsichtige Linse, dahinter eine Wissenschaftlerin

ELI-ALPS

ELI – Laserforschung von morgen

Unerreichte Leistungsdichten, spektrale Brillanz und hohe Pulsfrequenzen – mit ELI („Extreme Light Infrastructure“) entsteht eine weltweit einzigartige Laser-Großforschungseinrichtung. Sie verteilt sich auf drei osteuropäische Standorte und erlaubt Forschenden, Fragstellungen aus der Kernphysik, Materialforschung und den Lebenswissenschaften nachzugehen. Schrittweise werden die Laserzentren nun in Betrieb genommen.

  • Ort:
    Rumänien, Tschechien und Ungarn

  • Baukosten:
    850 Millionen Euro

  • Beteiligte Länder:
    Deutschland, Italien, Rumänien, Tschechien, Ungarn, Vereinigtes Königreich

  • Ziel:
    Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie bei höchster Intensität und auf kürzesten Zeitskalen untersuchen

  • Anwendungsbeispiel:
    Entschärfung radioaktiver Abfälle, Transporteigenschaften

  • Gerätetyp:
    Hochleistungslaser

  • Messmethode:
    Verschiedene

  • Untersuchungsobjekt:
    Materie, Atomkerne

  • Bauphase:
    2012 bis 2018

  • Rechtsform & beteiligte Institutionen:
    ELI Delivery Consortium International Association

  • Größe:
    3 Standorte

  • Experimentdetails:
    Max. Leistung: 10 Petawatt
    Max. Photonenenergie: 19 Megaelektronvolt

Welche Erkenntnisse ELI liefert

Normalerweise nutzen Physikerinnen und Physiker große Teilchenbeschleuniger, wenn sie Experimente mit energiereicher Strahlung durchführen wollen. Für viele Forschungsfragen bieten extrem leistungsstarke Laser mit kurzen Pulsraten allerdings eine vielversprechende und günstige Alternative. Auch um Materialien und schnelle Vorgänge in Atomen, Molekülen, Plasmen oder Festkörpern zu analysieren, eignet sich die Lasertechnologie. Sie eröffnet Möglichkeiten, die noch längst nicht ausgeschöpft sind. Und hier knüpft die europäische Großforschungseinrichtung Extreme Light Infrastructure (ELI) an, die zunächst in den drei Ländern Tschechien, Rumänien und Ungarn installiert wird und schrittweise ihren Betrieb aufnimmt. Ein weiterer Standort ist geplant. Die Laserzentren ergänzen sich in ihrer wissenschaftlichen Ausrichtung und stehen künftig Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus der ganzen Welt offen, um die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie bei höchster Strahlungsstärke zu erforschen. Jeder Standort konzentriert sich dabei auf verschiedene Fragestellungen aus der Kernphysik, Materialforschung und den Lebenswissenschaften. Zusätzlich werden alle ELI-Zentren Lasertechnologie entwickeln und das Anwendungsspektrum erweitern.

Drei Wissenschaftler stehen an einer Laservorrichtung

Laserforschung

Die Einrichtung „ELI Beamlines“ in Dolní Břežany nahe Prag wird Forschenden sehr unterschiedlicher Fachgebiete Experimentierplätze für die Grundlagenforschung bieten. ELI-Beamlines betreibt vier primäre Lasersysteme, welche die Basis für sekundäre Laser- wie auch Teilchenquellen bilden. Die sekundär erzeugten, hochfrequenten Laserpulse, deren Länge jeweils im Femtosekundenbereich (eine Billiardstel Sekunde) liegt, können die Forscherinnen und Forscher zur Diagnostik in der Medizin sowie in der Biologie und Materialforschung nutzen. Die Teilchenstrahlen wiederum eignen sich für die therapeutische Medizin. Schon heute setzen Ärzte hochenergetische Ionenstrahlen ein, um bösartige Tumore zu behandeln. 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.

Das ELI-Zentrum „ELI-ALPS“ bei Szeged in Ungarn stellt künftig 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 bereit. Durch die ultrakurzen Pulse können Momentaufnahmen von extrem schnellen Vorgängen in Atomen, Molekülen, Plasmen und Festkörpern aufgenommen werden. Aus den Messungen wollen die Forscherinnen und Forscher etwa den zeitlichen Ablauf von Ionisationsprozessen in Molekülen ermitteln oder Schwingungen und andere Bewegungen von Ladungen oder Ladungsansammlungen in Molekülverbindungen untersuchen. Außerdem eignen sich die Laserquellen von ELI-ALPS für die Festkörperphysik, etwa um an Oberflächen von Festkörpern Plasmen auf der Nanoskala zu erzeugen oder Elektronentransferprozesse zu beobachten. Weiterhin verfolgt ELI-ALPS das Ziel, extrem hochenergetische Laserpulse mit zweihundert Petawatt Leistung zu erzeugen.

An der Forschungseinrichtung „ELI-NP“ in Măgurele nahe der rumänischen Hauptstadt Bukarest wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mithilfe neuartiger Lasertechnologie vor allem kernphysikalische Reaktionen untersuchen. Da diese Vorgänge bei extrem hohen Energien und in kurzen Zeiträumen ablaufen, war es bisher unmöglich, diese Reaktionen anzuregen und zu beobachten. ELI-NP kann Laserstrahlung mit den notwendigen Eigenschaften generieren. Hierbei wird die Laserstrahlung nicht direkt mit den Kernen in Wechselwirkung treten, sondern sie wird eingesetzt, um Ionen- und Elektronenstrahlen sowie hochbrillante Gammastrahlung zu erzeugen. Diese interagiert dann mit den Kernen. Eines der Forschungsziele ist es, die schädliche Wirkung radioaktiver Abfälle zu reduzieren.

Wie ELI funktioniert

Blaue Apparaturen

Undulatoren

Die Lasersysteme in den drei Zentren variieren in ihrem Aufbau, ihrer Intensität und ihrer Laserpulsdauer. Eines haben aber alle Laserquellen gemein: Sie funktionieren im Wesentlichen wie ein klassischer Laser. Die Technik dahinter beruht auf einem speziellen physikalischen Effekt mit dem Namen „stimulierte Emission“. Dieser Effekt ist auch in der Bezeichnung Laser verankert, was für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ steht. Übersetzt heißt dies „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“ und funktioniert, vereinfacht dargestellt, folgendermaßen: Wenn Strom oder Licht auf Atome in einem bestimmten Material trifft, dann setzen die Atome überschüssige Energie in Form von Licht (Photonen) frei. Danach kehren sie in den Normalzustand zurück. Das Material kann fest, flüssig oder gasförmig sein und wird als Lasermedium bezeichnet. Die Photonen regen weitere Atome an, die vorübergehend ihren Energielevel verändern und überschüssige Energie in Form von Licht abgeben. Beim Laser sorgt ein sogenannter Resonator im Inneren dafür, dass der Vorgang synchron abläuft und die Photonen im Gleichtakt schwingen. Der Resonator ist mit zwei Spiegeln ausgestattet. Diese reflektieren den Lichtstrahl, der wieder auf Atome trifft und die Reaktionskette erneut anstößt. Generell gilt: Die Anzahl der Atome mit überschüssiger Energie muss höher sein, als jene im Normalzustand. Sie sind die Voraussetzung, damit der Laser funktioniert. Das gewünschte Ungleichgewicht hält eine permanente Quelle aufrecht, auch als Pumpe bezeichnet. Sie speist kontinuierlich neue Energie in das System. Damit ein Teil des Lichts den geschlossenen Kreislauf verlassen kann, ist einer der Spiegel minimal durchlässig. So dringt ein Photonenstrahl nach außen. Dies ist der typische Laserstrahl, den wir beim Laser sehen. Im Vergleich zu konventionellen Lasern erreichen die ELI-Systeme sehr hohe Strahlungsstärken in Relation zu der Gesamtstrahlungsleistung. Erst durch diese besonderen Eigenschaften erlaubt ELI den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, mit den Lasern extreme Materiezustände zu erforschen

Wer an ELI beteiligt ist

Gebäude aus der Luft

ELI-ALPS

Neben Rumänien, Tschechien und Ungarn sind als weitere Partner Deutschland, Italien und das Vereinigte Königreich an der Extreme Light Infrastructure ELI beteiligt. Die Lasertechnologie hat eine große Bedeutung für den Innovations- und Wirtschaftsstandort Deutschland. Daher ist es für Deutschland maßgeblich, in diesem Sektor mit exzellenten Partnern zu kooperieren und sich an ELI aktiv zu beteiligen. So können auch Forschungseinrichtungen in Deutschland ihre Kompetenzen weiter ausbauen. Ergänzend fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung gezielt Projekte an den ELI-Einrichtungen. Für den Zeitraum 2015 bis heute stehen 1,54 Millionen Euro zur Verfügung. Damit stärkt Deutschland seine Position in der Kernphysik sowie der Material- und Medizinforschung weiter. Darüber hinaus wird ELI zusätzliche technische Entwicklungen beeinflussen, wie etwa den Bau kompakter lasergetriebener Teilchenbeschleuniger. Außerdem sind die Strukturen ideal, um wissenschaftlichen Nachwuchs auszubilden.

ELI ist als europäisches Gemeinschaftsprojekt Teil der deutschen Roadmap für Forschungsinfrastrukturen und der Roadmap des Europäischen Strategieforums für Forschungsinfrastrukturen (ESFRI). ELI ist die erste europäische Forschungsinfrastruktur, deren Bau mit Mitteln aus einem EU-Strukturfonds, dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), finanziert wurde.

Was gerade an ELI passiert

Große Halle an einem Bassin

Laserhalle

Die Extreme Light Infrastructure ist an vielen Stellen bereits erfolgreich installiert worden. Neben abschließenden Bauarbeiten werden die ELI-Verantwortlichen in der nächsten Phase die gesamte ELI-Infrastruktur schrittweise in Betrieb nehmen. Eine wesentliche Aufgabe ist außerdem, die notwendigen Voraussetzungen für den künftigen Betrieb von ELI als paneuropäische internationale Laser-Nutzereinrichtung zu schaffen. Dafür ist eine neue Rechtsform erforderlich, welche die derzeit rechtlich selbstständigen Zentren in eine gemeinsame Betreibergesellschaft – ELI European Research Infrastructure Consortium (ELI-ERIC) – überführt.


Stand: Januar 2019

Quelle: https://fis-landschaft.de/materie/eli/