Gesundheit : Uran zerbricht: Amerikanische und britische Forscher lösten erstmals mit Hilfe von Lasern Kernreaktionen aus

Thomas de Padova

Auch das Licht hat seine Unschuld verloren. Seit die sichtbaren Strahlen mit Lasern gebändigt und scharf gebündelt werden können, sind sie zum Quell ungeahnter Energien geworden. Fast alles scheint heute damit machbar zu sein. Licht taugt zum Schweißen, Schneiden oder als Waffe. Aus purem Licht, aus reiner Energie, lässt sich inzwischen sogar Materie schaffen, es lässt sich verstofflichen, wie Forscher aus Stanford in den USA vor zwei Jahren gezeigt haben. Und nun haben Physiker erstmals mit Hilfe von Licht Uran gespalten und Kernreaktionen angestoßen.

Die Methode ist freilich kaum dazu geeignet, in absehbarer Zukunft ein Kraftwerk damit zu betreiben. Zwar benötigt man bei dieser Art der Kernspaltung nicht die kritische Menge an Uran, die einen Atomreaktor so gefährlich macht. Doch für einen kommerziellen Reaktorbetrieb dürfte das Verfahren nach Ansicht von Experten zu energieaufwendig und zu unwirtschaftlich sein. Wenn Forscher aber mit Laserlicht Kernreaktionen auslösen können, dann sind sie künftig möglicherweise dazu in der Lage, die Struktur der Materie in kleinen Labors und mit erheblich geringerem Aufwand als bisher zu studieren.

Noch vor einigen Jahren hätten solche Kernspaltungs-Experimente, von denen Wissenschaftler in der am heutigen Montag erschienenen Fachzeitschrift "Physical Review Letters" berichten, jedermann überrascht. Sichtbares Licht tut keiner Fliege etwas zuleide - im Gegensatz zur UV-Strahlung oder gar Röntgenstrahlung, die unsere Haut verbrennen. Allenfalls wenn man sichtbares Licht mit Hilfe einer Lupe auf einen Brennpunkt fokussiert, lässt sich damit ein kleines Feuerchen entfachen. Aber Atomkerne aufzuspalten, die von der Kernkraft für eine halbe Ewigkeit zusammengehalten werden, dafür schienen ganz andere Mittel erforderlich zu sein.

Das Licht moderner Laser macht aus dem einstigen Feuerchen jedoch ein erstaunliches Feuerwerk. Insbesondere dann, wenn das Lasergerät keinen kontinuierlichen Strahl aussendet, sondern das Licht portionsweise in kurzen Pulsen mit sehr hoher Intensität abgibt. Solch ein gepulster Laserstrahl saust wie eine Kette aus hauchdünnen Lichtscheibchen durch die Luft.

Wissenschaftler können dieses intensive Laserlicht mit einem vergoldeten Hohlspiegel sehr genau fokussieren. Sie bringen damit ein Fleckchen zum Leuchten, das kleiner ist als der Querschnitt eines Haares. Trifft der scharfe Lichtpuls auf ein Atom, entreißt er ihm augenblicklich die Elektronen. Ein Stück Materie wird so, vom Licht getroffen, zum heißen Plasma: einem Gemisch aus entkleideten (ionisierten) Atomen und schnell herumfliegenden Elektronen.

Zwei Forschergruppen haben nun unabhängig voneinander demonstriert, dass mit Hilfe eines solchen Verfahrens Atomkerne gespalten werden können. Das Team um Thomas Cowan vom Lawrence Livermore National Laboratorium in Kalifornien löste zunächst mit einem Laser Elektronen aus festem Gold heraus. Dadurch entstand ein Plasma, auf das die Wissenschaftler das Licht des weltweit stärksten Lasers lenkten. Er liefert mit einer Leistung von einem "Petawatt" eine kurzzeitig millionenfach höhere Leistung als ein Kernkraftwerk.

Das Licht treibt die Elektronen in dem Plasma zu enormen Geschwindigkeiten an. Sie jagen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit davon und verhalten sich geradeso, als kämen sie aus einem riesigen Teilchenbeschleuniger, aus einer jener Millionen oder Milliarden Mark teuren Apparaturen, mit denen Wissenschaftler seit Jahrzehnten erforschen, woraus Atome aufgebaut sind.

In Cowans Experiment lösten die flotten Elektronen eine Kaskade von Reaktionen aus: Beim Durchgang durch die Materialprobe wurden sie abgebremst und sendeten nun ihrerseits hochenergetisches Licht in Form von Gammastrahlung aus. Die Gammastrahlung befreite Neutronen aus den Gold-Atomkernen und aus der Kupferhalterung, auf der das Gold in dem Labor befestigt war. Diese Neutronen spalteten letztlich das ebenfalls in der Kupferverankerung enthaltene Uran-238 in kleinere Bruchstücke auf. Sie verursachten außerdem weitere Kernreaktionen, wie Cowan und seine Kollegen feststellten.

Mit einem etwas schwächeren Laser gelangten britische Forscher des Rutherford Appleton Laboratoriums in Oxfordshire zu dem gleichen Ziel, allerdings nicht mit Gold, sondern mit Tantal als Ausgangsmaterial. Auch sie spalteten Uran mit Laserlicht. "Mit dieser Klasse neuer Laser können wir jetzt Kernphysik betreiben", sagte Thomas Cowan. "Wir sind nun in der Lage, mit Lasern das zu erreichen, was zuvor nur mit Teilchenbeschleunigern möglich war."

Schreibtischgroße Laser werden die kilometerlangen Beschleunigerringe und Forschungsreaktoren aber so bald nicht ablösen können. Die Anlage des Lawrence Livermore National Laboratoriums füllte noch eine ganze Halle und lief zudem nur in großen zeitlichen Abständen zu ihrer vollen Leistung auf. Der stärkste Laser der Welt - man glaubt es kaum - hat inzwischen sogar schon wieder ausgedient. Er soll einem 1,2 Milliarden Dollar teuren Nachfolgemodell, der "National Ignition Facility", Platz machen. Damit wollen die Amerikaner der Kernfusion mit Laserlicht näher kommen, um aus einer solchen Verschmelzung von Atomen Energie zu gewinnen. Sie verfolgen mit dem Superlaser auch militärische Ziele: Unter anderem erhoffen sie sich, den Ablauf von Atombombendetonationen mit dem Laser simulieren zu können, um unterirdische Atomtests überflüssig zu machen.

Die Konstruktion der "National Ignition Facility" wird noch einige Jahre in Anspruch nehmen. In der Zwischenzeit wollen deutsche Wissenschaftler der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt die wichtigsten Komponenten des ausgedienten amerikanischen Spitzenlasers erwerben, um sie in ein neues Gerät zu integrieren. "Damit könnten wir eine Zeitlang konkurrenzlos forschen", sagt Dieter Hoffmann, Leiter der Abteilung Plasmaphysik bei der GSI. "Wir könnten dann die Eigenschaften von Materie unter physikalischen Bedingungen untersuchen, wie sie im Zentrum der Sonne herrschen." Das Gebäude für den rund sechs bis sieben Millionen Mark teuren Laser sei bereits im Bau.

Einige kernphysikalische Experimente lassen sich heute aber auch schon mit kleineren Lasergeräten machen. Nach erfolgreichen Versuchen mit Neutronen suchen Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching mit ihren Lasern nun nach Positronen, den Antiteilchen der Elektronen. In Labors, in denen dieselben Strahlenschutz-Richtlinien befolgt werden müssen wie in den Instituten, in denen Atomkerne mit Teilchenbeschleunigern zertrümmert werden. Wer weiß, ob an ihren Türen eines Tages Schilder mit der Aufschrift hängen werden: Vorsicht Licht!

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