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
RHEINMETALL AG-Firmenlogo
Verstärkung für unsere technischen Projekte im Bereich Engineering und IT (m/w/d) RHEINMETALL AG
deutschlandweit Zum Job 
ifp | Executive Search. Management Diagnostik.-Firmenlogo
Geschäftsführung (m/w/d) ifp | Executive Search. Management Diagnostik.
Ruhrgebiet Zum Job 
Landesbetrieb Straßenbau und Verkehr Schleswig-Holstein-Firmenlogo
Bauingenieurin / Bauingenieur (w/m/d) für den Bereich Straßenbau Landesbetrieb Straßenbau und Verkehr Schleswig-Holstein
Kiel, Flensburg, Rendsburg, Itzehoe, Lübeck Zum Job 
GVG Immobilien Service GmbH-Firmenlogo
Projektassistenz (m/w/d) Baumanagement GVG Immobilien Service GmbH
München Zum Job 
HYDRO Systems GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Teamlead Shopfloor Service Station Norderstedt (m/w/d) HYDRO Systems GmbH & Co. KG
Norderstedt Zum Job 
Steuler Services GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Projektmanager (m/w/d) Gebäudemanagement und Infrastruktur Steuler Services GmbH & Co. KG
Höhr-Grenzhausen Zum Job 
Kreis Dithmarschen-Firmenlogo
Brandschutzingenieur/in (m/w/d) Kreis Dithmarschen
Birkenstock Productions Hessen GmbH-Firmenlogo
Ingenieur / Meister / Techniker Elektrotechnik / Automatisierungstechnik (m/w/d) Birkenstock Productions Hessen GmbH
Steinau an der Straße Zum Job 
Staatliches Baumanagement Region Nord-West-Firmenlogo
Architekten / Bauingenieure (m/w/d) Hochbau Staatliches Baumanagement Region Nord-West
verschiedene Standorte Zum Job 
Staatliches Baumanagement Region Nord-West-Firmenlogo
Architekten, Bau- und Elektroingenieure (m/w/d) Staatliches Baumanagement Region Nord-West
Wilhelmshaven Zum Job 
Staatliches Baumanagement Region Nord-West-Firmenlogo
Ingenieure (m/w/d) Versorgungstechnik bzw. Technische Gebäudeausrüstung Staatliches Baumanagement Region Nord-West
Wilhelmshaven, Bad Iburg, Oldenburg, Aurich, Meppen, Emden Zum Job 
Staatliches Baumanagement Region Nord-West-Firmenlogo
Ingenieure (m/w/d) Elektrotechnik Staatliches Baumanagement Region Nord-West
verschiedene Standorte Zum Job 
Staatliches Baumanagement Region Nord-West-Firmenlogo
Ingenieure (m/w/d) der Fachrichtungen konstruktiver Ingenieurbau/Tiefbau/Geo-/Naturwissenschaften/Landschaftsbau Staatliches Baumanagement Region Nord-West
verschiedene Standorte Zum Job 
Sparda-Bank Südwest eG-Firmenlogo
Leitung Facility Management (m/w/d) Sparda-Bank Südwest eG
WITTENSTEIN SE-Firmenlogo
Werkleitung (w/m/d) mit Leitwerksfunktion WITTENSTEIN SE
Igersheim-Harthausen Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Abteilungsleitung (w/m/d) Bauwerks- und Erhaltungsmanagement Die Autobahn GmbH des Bundes
Hamburger Hochbahn AG-Firmenlogo
Prüfingenieur Konstruktiver Ingenieurbau / Bauwesen (w/m/d) Hamburger Hochbahn AG
Hamburg Zum Job 
GOLDBECK West GmbH-Firmenlogo
Bauleiter im Innendienst (m/w/d) für die Ausschreibung und Vergabe im Schlüsselfertigbau GOLDBECK West GmbH
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Geschäftsbereichsleitung (w/m/d) Planung - Außenstelle Hagen Die Autobahn GmbH des Bundes
GOLDBECK West GmbH-Firmenlogo
Architekt / Bauingenieur als Projektleiter Planung (m/w/d) GOLDBECK West GmbH
Bochum, Düsseldorf (Monheim am Rhein) 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.