Kernphysik auf dem Labortisch - wissenschaft.de
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Kernphysik auf dem Labortisch

Die Kernspaltung mit Laserlicht ist geglückt. Damit sind auch kleine preiswerte Protonenquellen für medizinische Bestrahlungen in Sicht.

Riesige Teilchenbeschleuniger und Reaktoranlagen könnten überflüssig werden, wenn kleine Laser die Kernphysik revolutionieren. In den USA und Großbritannien ist es erstmals gelungen, mit Hilfe von Laserlicht Atomkerne zu spalten. Schon im letzten Herbst war in den USA das Verschmelzen zweier Atome per Laserblitz geglückt. Zwar liegt die Nutzung als Energiequelle noch in weiter Ferne, doch die experimentellen Erfolge gelten als richtungweisend. Bereits vor einem Jahrzehnt hatten Physiker errechnet, daß der zur Kernspaltung nötige Energiestoß theoretisch auch ohne Teilchenbeschleuniger zu erreichen wäre: Im Prinzip seien auch Laser-Photonen in der Lage, ausreichend Energie zu transportieren, um Uran oder andere schwere Elemente zum Zerfall zu animieren. Doch erst heute bringen die „ Lichtkanonen“ genug Leistung für eine Atomspaltung. Das Team der University of Glasgow nutzte einen sogenannten VULCAN 50-Terawatt-Laser, die US-Gruppe am staatlichen Lawrence Livermore National Laboratory in Lawrence/Kalifornien setzte einen 20mal stärkeren NOVA Petawatt-Laser ein.

Bei der herkömmlichen Nuklearphysik bombardiert man die Atome schwerer Elemente wie Uran mit Neutronen aus dem Teilchenbeschleuniger. Durch die Aufnahme von Neutronen werden die Atome instabil und zerfallen in kleinere, stabilere Isotope. Dabei werden neben Energie auch weitere Neutronen frei – der mögliche Beginn einer Kettenreaktion. Die Nuklearphysik mit dem Hochleistungslaser funktioniert dagegen über einen kleinen Umweg. Zunächst löst ein relativ schwacher Photonenpuls Elektronen aus einem kleinen Stück Tantal oder Gold und erzeugt ein Elektronenplasma direkt über der Metalloberfläche. Dort hinein „ schlägt“ ein zweiter, wesentlich stärkerer Photonenstrahl aus dem Laser. „Die Elektronen absorbieren eine enorme Energiemenge aus diesem Licht-Puls“, sagt der Physiker Kenneth Ledingham vom britischen Team. Die hochenergetischen Elektronen fallen zurück ins Metall, treffen auf dessen Atomkerne und geben ihre Energie in mächtigen Gammastrahlen wieder ab. Erst diese treffen auf ein nahes Uran-Ziel und regen dessen Atome zum Zerfall an. Am Lawrence Livermore National Laboratory war bereits im Herbst das entgegengesetzte Experiment gelungen, die Kernfusion per Laserblitz. Durch Beschuß mit ultrakurzen Laserblitzen konnte das Team um Todd R. Ditmire Wasserstoffatome zu Helium verschmelzen. Für die herkömmliche Kernfusion benötigt man dagegen riesige, teure Reaktoranlagen, in denen es bis zu 100 Millionen Grad heiß ist. Zwar ist der Bau von Laser-Kernreaktoren für die kommerzielle Energieerzeugung – durch Spaltung oder Fusion – in naher Zukunft nicht zu erwarten. Dennoch leiten die Experimente eine neue Ära in der Kernforschung ein: Die vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Versuchsanordnungen werden es Wissenschaftlern rund um den Globus ermöglichen, die Forschung auch in kleinen Labors voranzutreiben. Zudem winkt der Medizin eine preiswerte kleine Protonenquelle, etwa für die Bestrahlung von Krebspatienten. Ersetzt man im Versuchsaufbau das Uran beispielsweise durch einen dünnen Aluminium-Film, so werden dort Protonen herausgeschlagen. Zum Strahl gebündelt, könnten sie Tumore sehr effektiv bekämpfen.

Dörte Saße

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