Ich habe einen der stärksten Laser der Welt abgefeuert – so sieht ein Schusstag aus

Wenn Sie über den offenen Hof vor dem Gebäude für Physik, Mathematik und Astronomie der University of Texas in Austin gehen, sehen Sie einen 17-stöckigen Turm und ein riesiges L-förmiges Gebäude. Was Sie nicht sehen werden, ist das, was sich unter Ihnen befindet. Zwei Stockwerke unter der Erde, hinter schweren Doppeltüren mit einem Logo, das den meisten Studenten nie aufgefallen ist, befindet sich einer der leistungsstärksten Laser der Vereinigten Staaten.

Ich war von 2020 bis 2024 der leitende Laserwissenschaftler am Texas Petawatt, oder TPW, wie wir es nannten. Texas Petawatt, das derzeit aufgrund von Finanzierungskürzungen geschlossen ist, war ein staatlich finanziertes Forschungszentrum, in dem Wissenschaftler aus dem ganzen Land Zeit für die Nutzung spezieller Ausrüstung beantragten. Es war Teil von LaserNetUS, einem Netzwerk von Hochleistungslaserlaboren des Energieministeriums.

Diese Art von Laser nimmt einen winzigen Lichtimpuls auf, dehnt ihn aus, damit er die Optik nicht in Stücke sprengt, und verstärkt ihn, bis er für einen kurzen Moment mehr Energie überträgt als das gesamte US-Stromnetz. Dann komprimiert es den Puls wieder auf eine Billionstelsekunde, um in einer Vakuumkammer einen Stern zu erzeugen.

An einem typischen Schusstag könnte das Ziel ein Stück Metallfolie sein, das dünner als ein menschliches Haar ist, ein Gasstrahl oder ein winziges Plastikpellet – jedes davon soll eine andere wissenschaftliche Frage beantworten.

Wissenschaftler aus dem ganzen Land haben sich für eine Zeit bei TPW beworben, um alles von der Physik des Sterneninneren und der Fusionsenergie bis hin zu neuen Ansätzen zur Krebsbehandlung zu untersuchen.

Die meisten Menschen hören von Petawatt-Lasern und stellen sich etwas aus einem Film vor. Ein „Shot-Tag“ besteht eigentlich aus Stunden stiller, sich wiederholender Arbeit, gefolgt von etwa 10 Sekunden, in denen niemand atmet.

Ich arbeite jetzt als Forschungswissenschaftler an der University of Texas-Austin und erforsche die Wechselwirkung von Lasern mit verschiedenen Materialien, aber ein typischer Aufnahmetag während meiner Zeit bei TPW würde so aussehen:

7 Uhr morgens

Ich komme zwei Stunden vor der ersten geplanten Aufnahme an. Ich ziehe meinen Kittel, meine Stiefel und mein Haarnetz an und betrete den kalten Reinraum. Der Laser schaltet sich nicht einfach ein. Du lockst es wach.

Ich beginne mit dem Oszillator, einem kleinen Kasten, der den ersten Lichtkeim erzeugt. Ich schreibe die Parameter auf, die bestimmen, wie sich der Laser während des Schusses verhält: Energie, Mittenfrequenz, Vakuumdruck in den Röhren, Kühlwasserstand und -fluss. Zu diesem Zeitpunkt sind sie unabhängig vom Experiment behoben. Der Laser muss jedes Mal die gleiche Leistung erbringen, bevor die Wissenschaft beginnen kann. Dann schalte ich den Pumplaser ein, der diesen winzigen Impuls von Nanojoule auf etwa ein halbes Joule verstärkt.

Das System benötigt mindestens 30 Minuten, um sich zu stabilisieren. Während dieser Zeit überprüfe ich die Ausrichtung durch jede Lochblende und jede Kamera entlang des Strahlengangs. Eine leichte Fehlausrichtung in diesem Stadium ist nicht nur ein Problem; Es kann katastrophal sein – ein fehlgeleiteter Strahl mit voller Leistung kann durch Optiken brennen, deren Beschaffung und Austausch Monate in Anspruch nimmt, und den gesamten Laser außer Betrieb setzen.

Den Balken bauen

Sobald das System aufgewärmt ist, schicke ich den Strahl in den ersten Verstärker: einen Glasstab, der von hellen Blitzlampen umgeben ist, die Licht in das Glas pumpen – als würde man eine Batterie laden. Mit jedem Durchgang absorbiert der Strahl Energie vom Glas und wird stärker. Dann wandert der Strahl in einen größeren Stab, wo er vier Durchgänge durchführt und jedes Mal mehr Energie aufnimmt, bis er etwa 12 Joule erreicht, ungefähr die Energie eines Balls, der hart durch einen Raum geworfen wird.

Allein dieser Vorgang nimmt fast eine Stunde in Anspruch, wobei die meiste Zeit damit verbracht wird, die Ausrichtung und Energie in jeder Phase zu überprüfen und zu bestätigen.

Ich erweitere den Strahl und schicke ihn durch die letzte Stufe: die Scheibenverstärker. Zwei Verstärker, die jeweils aus zwei massiven 30-Zentimeter-Glasscheiben bestehen, werden von einer riesigen Bank aus Blitzlampen gepumpt, die von Kondensatorbänken gespeist werden – im Wesentlichen riesigen Batterien, die elektrische Energie speichern und sie in einem plötzlichen Stoß wieder abgeben. Sie sind so groß, dass sie auf einer separaten Etage ein eigenes Zimmer haben. Schnelle optische Verschlüsse zwischen den einzelnen Stufen fungieren als Tore und steuern genau, wann und wohin sich der Strahl bewegt.

Der Schuss

Wenn das Experimentalteam bestätigt, dass das Ziel in Position ist, fordert es mich auf, mich auf einen Systemschuss vorzubereiten. Ich gehe die lange Checkliste durch. Wir testen die Verschlüsse und wechseln in den Systemaufnahmemodus. Auf allen Monitoren in der Anlage wird die gleiche Meldung angezeigt – „System Shot Mode“ – und sie blinkt rot.

Ich lehne mich in das Mikrofon am Kontrollpult, ein Vintage-Stück, das aussieht, als gehöre es in einen Funkraum aus dem Zweiten Weltkrieg, und verkünde, dass wir mit einer Systemaufnahme beginnen. Dann öffne ich den Kompressorstrahl-Dump: eine schwere Glasplatte, die normalerweise verhindert, dass der Strahl das Ziel erreicht. Die Bewegung dauert etwa zwei Minuten.

„Kehren, fegen für einen Systemschuss.“

Die Durchsage erfolgt über Lautsprecher im gesamten Gebäude. Ich schnappe mir einen kleinen Sicherheitsschlüssel, setze meine Laserschutzbrille auf und gehe nach unten. Ich gehe in einem bestimmten Muster durch jeden Raum und stelle sicher, dass sich noch niemand darin befindet. Während ich gehe, schließe ich jede Tür mit dem Schlüssel ab. Wenn jemand eine dieser Türen öffnet, nachdem ich sie abgeschlossen habe, bricht die gesamte Einstellung ab.

Zurück im Kontrollraum setze ich mich hin und beginne mit dem Laden der Kondensatorbänke. An diesem Punkt gibt es kein Zurück mehr, außer einer Notabschaltung, und das bedeutet, den Schuss zu verlieren und darauf zu warten, dass alles abgekühlt ist.

„Laden.“

Im Raum wird es still. Alle Augen sind auf die Monitore gerichtet. Niemand redet.

Normalerweise werfe ich einen Blick mit dem Forscher, für dessen Projekt die Aufnahme gedacht ist – heute ist es Joe, ein Gastwissenschaftler vom Los Alamos National Lab, der das Ziel entworfen hat, das wir gleich verdampfen werden. Er umklammert seine Kaffeetasse, als ob sie ihm Geld schulde. Ich wende mich wieder der Konsole zu.

„Ladung abgeschlossen. Feueranlage geschossen: Drei, zwei, eins. Feuer.“

Ich drücke den Knopf. Ein lauter Knall rollt durch das Gebäude, während die gesamte gespeicherte Energie in den Strahl strömt. Die Monitore frieren ein und erfassen alles im Moment des Schusses: Strahlprofile, Spektren, Diagnose – diese Messwerte liefern ein vollständiges Bild der genauen Leistung des Lasers und ob der Schuss sauber war. Unten in der Vakuumkammer erreichte ein Fleck, der kleiner als ein menschliches Haar war, gerade Temperaturen von mehreren Millionen Grad.

Ich lehne mich in meinem Stuhl zurück und beginne, die Laserparameter aufzuzeichnen, während alle ausatmen. Ein Strahlenschutzbeauftragter macht sich zuerst auf den Weg nach unten, um die Messwerte rund um die Zielkammer zu überprüfen, bevor jemand anderes eintreten kann. Das Experimentierteam folgt, um Daten zu sammeln.

Manchmal funktioniert alles perfekt. Manchmal öffnet sich ein Verschluss nicht und die Aufnahme geht verloren.

An einem Nachmittag im Jahr 2023 hatten wir beispielsweise drei Stunden damit verbracht, uns auf eine Aufnahme mit hoher Priorität vorzubereiten. Ziel ausgerichtet. Kondensatoren geladen. Ich drückte den Knopf und hörte nichts. Irgendwo in der Kette war ein Verschluss ausgefallen. Die Monitore blieben eingefroren und zeigten Schwarz. Niemand sagte etwas. Ich schrieb SCHUSS FEHLGESCHLAGEN ins Logbuch und startete die einstündige Abklingsequenz. Das ist der Teil, den sie in Filmen nicht zeigen: still sitzen und darauf warten, es noch einmal zu versuchen. Vier Stunden später bekamen wir den Schuss.

Diese Vorfreude ist Teil des Jobs: Stundenlange Geduld für 10 Sekunden, an die man sich nie ganz gewöhnt. Alles geschieht unter einem Campus, auf dem Tausende von Menschen herumlaufen, ohne zu ahnen, dass für den Bruchteil einer Sekunde ein winziger Punkt Materie, heißer als die Oberfläche der Sonne, unter ihren Füßen existierte.