Meilenstein für die Laserfusion 14.04.2026, 13:30 Uhr

Laser schießt Elektronen aus Atomen und zeigt erstmals jede Phase

Wie entstehen Plasmen? HZDR-Forschende filmen die Ionisation von Kupferatomen am European XFEL. Wichtige Daten für die zukünftige Laserfusion.

Laser schießt Elektronen aus Atomen

Im Experiment wurde die XFEL-Photonenenergie gezielt so eingestellt, dass sie einer bestimmten elektronischen Übergangsenergie in hochgeladenen Kupferionen entspricht, die mithilfe eines Hochleistungslasers (rot) erzeugt wurden. Unter diesen Bedingungen regt das Röntgenlicht (bläulich) Elektronen innerhalb der Ionen an, wodurch sich die Absorptions- und Emissionseigenschaften des Plasmas verstärken. Diese Veränderungen werden im Experiment direkt gemessen.

Foto: B. Schröder/HZDR

Wenn hochenergetische Laserblitze auf Materie prallen, geschieht das Unvermeidliche: Die Wucht des Lichts reißt Elektronen aus ihren stabilen Bahnen um den Atomkern. Zurück bleibt ein extrem heißes Gemisch aus geladenen Teilchen, ein Plasma. Was physikalisch logisch klingt, entzog sich bisher einer detaillierten Beobachtung – der Prozess ist schlicht zu schnell.

Forschenden des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) ist es nun gelungen, diesen Moment der Ionisation fast wie in einem Daumenkino festzuhalten. Schauplatz des Experiments war die HED-HiBEF-Experimentierstation am European XFEL in Schenefeld bei Hamburg.

Das Werkzeug: Zwei Laser im perfekten Timing

Um einen Prozess zu filmen, der sich im Bereich von Billionstelsekunden (Pikosekunden) abspielt, reicht Standard-Equipment nicht aus. Das Team kombinierte deshalb zwei Spitzen-Systeme: den Freie-Elektronen-Röntgenlaser des European XFEL und den optischen Hochintensitäts-Laser ReLaX.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
HIC Consulting GmbH-Firmenlogo
Senior Projektleiter / Ingenieur Fernwärme (m/w/d) HIC Consulting GmbH
Hamburg, Linau Zum Job 
TÜV Technische Überwachung Hessen GmbH-Firmenlogo
Sachverständige/-r (m/w/d) Explosionsschutz TÜV Technische Überwachung Hessen GmbH
Frankfurt am Main-Höchst Zum Job 
VDZ Service GmbH-Firmenlogo
Auditor (m/w/d) für die Validierung von Umweltmerkmalen und für die Produktzertifizierung VDZ Service GmbH
Düsseldorf Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Experte (w/m/d) Vertrags- und Nachtragsmanagement Die Autobahn GmbH des Bundes
Fachhochschule Münster-Firmenlogo
Professur für "Antriebssysteme im Maschinenbau" (w/m/d) Fachhochschule Münster
Steinfurt Zum Job 
Pero AG-Firmenlogo
Sales Engineer (m/w/d) Pero AG
Königsbrunn, remote Zum Job 
Firmengruppe Max Bögl-Firmenlogo
Projektleiter (m/w/d) Planung Ingenieurbau Firmengruppe Max Bögl
Sengenthal Zum Job 
EGN Entsorgungsgesellschaft Niederrhein mbH-Firmenlogo
Projektmanager (m/w/d) Anlagenbau / Umwelttechnik EGN Entsorgungsgesellschaft Niederrhein mbH
Viersen Zum Job 
INGENIEURBÜRO ZAMMIT GmbH-Firmenlogo
Senior Projektleiter TGA (m/w/d) Schwerpunkt Versorgungs-/Elektrotechnik INGENIEURBÜRO ZAMMIT GmbH
Celle, Wolfsburg, Salzgitter Zum Job 
Hamburg Wasser-Firmenlogo
Ingenieur Elektrotechnik als Projektleiter EMSR (m/w/d) Hamburg Wasser
Hamburg Zum Job 
Hamburg Wasser-Firmenlogo
Projektleiterin als Ingenieurin Mittel- und Niederspannungstechnik (m/w/d) Hamburg Wasser
Hamburg-Rothenburgsort Zum Job 
Stadtverwaltung Frankenthal-Firmenlogo
Ingenieur / Techniker - Technische Rechnungsprüfung (m/w/d) Stadtverwaltung Frankenthal
Frankenthal (Pfalz) Zum Job 
ETS Efficient Technical Solutions GmbH-Firmenlogo
Technischer Systemplaner / CAD-Konstrukteur TGA (m/w/d) ETS Efficient Technical Solutions GmbH
Wuppertal Zum Job 
ETS Efficient Technical Solutions GmbH-Firmenlogo
Projektleiter (m/w/d) HKLS ETS Efficient Technical Solutions GmbH
Wuppertal Zum Job 
ETS Efficient Technical Solutions GmbH-Firmenlogo
Bauleiter / Obermonteur (m/w/d) HLKS ETS Efficient Technical Solutions GmbH
Wuppertal Zum Job 
Schleifring GmbH-Firmenlogo
Head of Sales für unsere Key Accounts (m/w/d) Schleifring GmbH
Fürstenfeldbruck Zum Job 
AllTerra Deutschland GmbH-Firmenlogo
Support Mitarbeiter Vermessungslösungen (m/w/d), 80-100 % (Wunstorf bei Hannover, Hamburg, Berlin oder Leipzig) AllTerra Deutschland GmbH
Berlin, Leipzig, Hamburg, Wunstorf bei Hannover Zum Job 
Hamburger Hochbahn AG-Firmenlogo
Bauingenieur als Sachgebietsleiter - Betriebsservice U-Bahn, Bauprojekte (w/m/d) Hamburger Hochbahn AG
Hamburg Zum Job 
ME MOBIL ELEKTRONIK GMBH-Firmenlogo
Technischer Einkäufer (m/w/d) ME MOBIL ELEKTRONIK GMBH
Langenbrettach Zum Job 
Sanofi-Aventis Deutschland GmbH-Firmenlogo
Traineeprogramm für Ingenieure (all genders) - befristet für 24 Monate Sanofi-Aventis Deutschland GmbH
Frankfurt am Main Zum Job 

„Genau diese Bedingungen bieten uns die beiden Laser mit Pulsdauern von nur 25 und 30 Femtosekunden – also billiardstel Sekunden“, erklärt Dr. Lingen Huang, der die Experimente am HZDR leitet. Diese extrem kurzen Pulse ermöglichen es, den Zustand der Materie zu verschiedenen Zeitpunkten exakt „einzufrieren“.

Ein Kupferdraht im Kreuzfeuer

Der Versuchsaufbau klingt filigran: Ein Kupferdraht, kaum ein Siebtel so dick wie ein menschliches Haar, dient als Zielscheibe. Dann folgt der Einschlag. Ein optischer Lichtblitz trifft das Kupfer mit einer Intensität von 250 Billionen Megawatt pro Quadratzentimeter. Zum Vergleich: Solche Energiedichten existieren sonst nur in der Nähe von Neutronensternen oder bei gigantischen Gammastrahlenausbrüchen im All.

Der Ablauf des Experiments folgt einem festen Protokoll:

  • Verdampfen: Der erste Laserpuls (Pump-Puls) verwandelt den Draht sofort in ein Millionen Grad heißes Plasma.
  • Analysieren: In winzigen Zeitabständen folgt ein zweiter Blitz (Probe-Puls) aus dem harten Röntgenspektrum.
  • Detektieren: Ein Sensor zeichnet auf, wie die Röntgenstrahlung mit dem Plasma interagiert.

Die Jagd nach dem Cu22+-Ion

Die Forschenden konzentrierten sich bei ihrer Messung auf einen ganz speziellen Zustand. Sie stellten die Energie der Röntgenpulse auf genau 8,2 Kiloelektronenvolt ein. Dieser Wert ist kein Zufall. Er passt exakt zu Kupferatomen, denen bereits 22 Elektronen fehlen – sogenannte Cu22+-Ionen.

Das Plasma absorbiert die Energie bei dieser Frequenz besonders gut. Physiker nennen das resonante Absorption. Kurz darauf senden die Ionen eine charakteristische Strahlung aus. „In unserem Pump-Probe-Experiment messen wir genau die zeitliche Entwicklung dieser stimulierten Röntgenemission“, sagt Huang. „Denn sie zeigt uns, wie viele Cu22+-Ionen zu jedem Zeitpunkt im Plasma vorhanden sind.“

Die Kettenreaktion im Atomgitter

Die Ergebnisse offenbaren eine spannende Dynamik. Die Zahl der Cu22+-Ionen schießt nicht sofort in die Höhe. Sie erreicht ihr Maximum erst nach etwa 2,5 Pikosekunden. Danach sinkt der Wert wieder ab, weil die Ionen beginnen, freie Elektronen wieder einzufangen. Nach rund 10 Pikosekunden ist der Spuk vorbei und das System beruhigt sich.

Prof. Tom Cowan, ehemaliger Direktor am HZDR-Institut für Strahlenphysik, ordnet den Erfolg ein: „So genau hat noch niemand zuvor auf diese Art von Ionisation geschaut.“ Gemeinsam mit Huang lieferte er auch die Erklärung für die Verzögerung. Der Laserpuls wirkt nur als Auslöser. Er schlägt die ersten Elektronen heraus, die dann wie eine Welle durch das Material rasen. „Diese sind so energiereich, dass sie sich wie eine Welle ausbreiten und immer mehr Elektronen aus benachbarten Kupferatomen herausschlagen“, so Cowan. Erst wenn diese „Elektronenwelle“ an Kraft verliert, setzt die Rekombination ein.

Blaupause für den Fusionsreaktor

Warum betreibt man diesen immensen Aufwand? Die Antwort liegt in der Energieversorgung der Zukunft. Die Laserfusion arbeitet mit ganz ähnlichen Prinzipien: Extreme Hitze und hochenergetische Teilchenwellen. Bisher basierten viele Planungen auf theoretischen Modellen und groben Schätzungen.

Dr. Ulf Zastrau, verantwortlich für die Experimentierstation am European XFEL, sieht in den Ergebnissen einen klaren Fortschritt für die Technik: „Dieses Experiment zeigt die Leistungsfähigkeit unserer Laser und ebnet darüber hinaus den Weg für zukünftige Laserfusionsanlagen.“ Wer einen Fusionsreaktor bauen will, muss die Prozesse im Plasma bis ins letzte Detail verstehen. Die Daten aus Schenefeld liefern dafür nun die nötige Präzision, um Simulationen zu verfeinern und Reaktoren effizienter zu planen.

Hier geht es zur Originalpublikation

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.