Sonnenplasma im Labor

Fort Collins (USA) - Die Hitze des Sonnenplasmas ins Labor zu holen, ist keine einfache Sache. An der Sonnenoberfläche herrschen zwar noch vergleichsweise milde Bedingungen. Tief im Kern der Sonne, wo die Kernfusion stattfindet, liegen jedoch extreme Temperaturen und Drücke vor. US-amerikanische Forscher haben nun ein interessantes Verfahren ersonnen, mit relativ energiearmen Laserblitzen diesem Sonnenplasma näher zu kommen. Ihr Experiment beruht auf der Idee, keinen glatt polierten Festkörper mit Laserstrahlung zu beschießen. Stattdessen konzentrieren sie einen ultrakurzen Laserblitz auf eine Schicht aus kurzen, dünnen Nanostäbchen. Durch diesen Trick kann das Laserlicht besser in das Material eindringen und es auf extrem hohe Temperaturen bringen, schreiben die Forscher im Fachblatt „Nature Photonics“. Die Leistung ihres Lasers ist dabei gegenüber anderen Experimenten sogar noch recht niedrig.

„Wenn wir zu höheren Laserenergien gehen, könnten wir Plasmen mit Temperaturen und Dichten erzeugen, die an diejenigen im Zentrum der Sonne heranreichen“, berichtet Michael Purvis von der Colorado State University. Die Forscher führten den Versuch mit Nanostäbchen aus Nickel und aus Gold durch. Deren Durchmesser betrug zwischen 55 und 80 Nanometern und war damit etwa um einen Faktor tausend schmaler als ein menschliches Haar. Die Stäbchen stellten sie auf einer dünnen Aluminiumoxid-Membran so her, dass sie wie ein dichter Wald nebeneinander standen. Auf die Nanostäbchen schossen die Forscher dann von oben einen ultrakurzen Laserblitz von nur 60 Femtosekunden Dauer, also 60 Billiardstel Sekunden. Da die Stäbchen zwar nahe aneinander standen, aber noch genug Platz zwischen ihnen bestand, konnte der Laserblitz fast seine gesamte Energie in den Stäbchenwald einbringen und sie praktisch sofort verdampfen lassen. Dabei erzeugten die Forscher enorm hohe Temperaturen und Drücke, die nicht mehr weit vom Sonnenplasma entfernt waren.

Erstaunlicherweise benötigten die Wissenschaftler hierzu nur einen Laser, der ein halbes Joule Leistung lieferte – diese allerdings exakt auf den Punkt gebracht. Große Anlagen erreichen mehrere Tausend Mal höhere Laserstärken. Der besondere Aufbau ermöglichte aber eine äußerst effektive Umsetzung der Laserenergie in Plasmatemperaturen. „Wir konnten außerordentlich hohe Ionisierungsgrade erreichen“, schreiben die Forscher. Beim Nickel, das normalerweise 28 Elektronen aufweist, konnten sie alle bis auf zwei entfernen. Beim Gold zogen sie bis zu 52 seiner 79 Elektronen ab. Diese Zahlen zeigen die Effektivität des Verfahrens, das die Forscher nun mit höheren Laserenergien weiter entwickeln wollen.