Andreas Maier ist neuer Leitender Wissenschaftler bei DESYPhysiker treibt die Entwicklung von Plasmabeschleunigern voran

5. Mai 2022

Foto: DESY/Christian Schmid

Die Laser-Plasmabeschleunigung ist eine innovative Technologie für eine neue Generation von Teilchenbeschleunigern, die nicht nur sehr kompakt und damit kostengünstig gebaut werden sollen, sondern auch vielseitig einsetzbar sind. DESY hat jetzt den Physiker Andreas Maier als Leitenden Wissenschaftler für die Themen Laser und Sekundärquellen verpflichtet, um die Entwicklung der Laser-Plasmabeschleunigung weiter voranzutreiben und sie fit für Anwendungen zu machen.

„Andreas Maier ist einer der weltweit führenden Experten auf dem Gebiet der Laser-Plasmabeschleuniger. Mit seinem tiefgreifenden Know-how in der Lasertechnologie und seinem scharfen Blick für Anwendungen erwarte ich, dass wir mit ihm in seiner neuen Rolle als Leitender Wissenschaftler wichtige Fortschritte für die Zukunft dieser neuen Generation von Beschleunigern bei DESY erzielen werden“, sagt DESYs Beschleunigerdirektor Wim Leemans. 

In der Laser-Plasmabeschleunigung wird ein extrem heller Laserblitz in ein dünnes mit Wasserstoffplasma gefülltes Röhrchen geschossen. Als Plasma wird ein Gas bezeichnet, bei dem die Gasmoleküle von ihren Elektronen getrennt wurden. „Der Laser entreißt den Wasserstoffmolekülen Ihre Elektronen und fegt sie wie ein Schneepflug zur Seite“, erläutert Maier. „Dadurch formt sich hinter dem Laserpuls eine Plasmawelle, auf der sich Elektronen sammeln und surfen können wie ein Wakeboarder auf der Heckwelle eines Schiffs.“ Das Besondere: Bei diesem Surfen erreichen die Elektronen auf sehr kurzer Strecke extrem hohe Energien. Auf wenigen Zentimetern können Plasmabeschleuniger Energien erreichen, für die sonst hunderte Meter lange Anlagen nötig sind.

„Heutige Laser-Plasmabeschleuniger funktionieren allerdings noch oft wie ein Formel-1-Rennwagen. Für wenige Stunden liefern sie absolute Spitzenleistung, müssen danach aber erstmal in die Werkstatt“, vergleicht Maier. „Was wir für Anwendungen brauchen ist ein Laser-Plasmabeschleuniger, der eher funktioniert wie ein VW-Käfer und einfach läuft und läuft und läuft.“

Der Schlüssel zur Zuverlässigkeit liegt in einer engen Verzahnung von Laser- und Plasmatechnologie. In der Vergangenheit wurden von Maiers Gruppe schon wesentliche Fortschritte erzielt, zum Beispiel die Demonstration des ersten 24-stündigen Dauerbetriebs, und die Anwendung von Methoden des Maschinellen Lernens in der Plasmabeschleunigung.

Nun soll mit dem Projekt KALDERA unter der Leitung von Maier ein neuer Hochleistungslaser entstehen, um der Plasmabeschleunigung den Weg zu Anwendungen zu ebnen. KALDERA wird dabei vor allem auf eine besonders hohe Wiederholrate setzen und bis zu 1000 Laserblitze pro Sekunde erzeugen. Durch diese sehr hohe Wiederholrate lassen sich Abweichungen im Betrieb sehr schnell erkennen und aktiv gegensteuern.

Als eine der ersten Anwendungen sieht der Physiker in den kommenden Jahren einen kompakten Röntgenlaser auf Basis eines Plasmabeschleunigers. In einem solchen Gerät erzeugen die schnellen Teilchen scharf gebündelte Röntgenstrahlung, indem sie durch einen magnetischen Slalomkurs fliegen. In jeder Kurve geben sie Röntgenlicht ab, das sich zu einem laserartigen Strahl addiert. Röntgenlaser wiederum sind maßgeschneiderte Teleskope für die Welt der Atome und Moleküle, mit denen sich auch rasante dynamische Prozesse atomgenau verfolgen lassen. Plasma-basierte Röntgenlaser können durch ihre besonderen Eigenschaften die existierenden Anlagen basierend auf herkömmlicher Beschleunigertechnik ideal ergänzen.

„Die Expertise, die für die Entwicklung und den Bau von Teilchenbeschleunigern bei DESY zusammenkommt, sucht weltweit ihresgleichen“, betont der Vorsitzende des DESY-Direktoriums, Helmut Dosch. „Plasmabeschleuniger sind eine Schlüsseltechnologie für zahlreiche Anwendungen zur Lösung großer Zukunftsfragen. Andreas Maier wird die Entwicklung dieser innovativen Technologie mit seiner herausragenden Expertise entscheidend voranbringen.“