Optische Rakete steigert Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit

Ein Forscherteam der University of Nebraska-Lincoln führte kürzlich ein Experiment durch, bei dem es möglich war, Plasmaelektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Diese „optische Rakete“, die Elektronen mit einer Kraft drückte, die eine Billion Billionen Mal größer ist als die einer herkömmlichen Rakete, könnte schwerwiegende Auswirkungen auf alles haben, von der Raumfahrt über Computer bis hin zur Nanotechnologie.

Wenn es um die Zukunft der Weltraumforschung und der wissenschaftlichen Forschung geht, ist klar, dass Licht eine entscheidende Rolle spielen wird. Einerseits untersuchen Weltraumagenturen die „optische Kommunikation“ – das Senden von Informationen mithilfe von Lasern -, um die zunehmenden Datenmengen zu bewältigen, die Missionen sammeln und an die Erde senden werden. Forscher und Ingenieure hingegen suchen nach Lasern, um mikroskopische Manipulationen an Materie und optischen Computern durchzuführen.

Eine der größten Herausforderungen bei solchen Anwendungen war jedoch die Größe der betreffenden Geräte. Es kommt darauf an, dass herkömmliche Hochenergielaser im Allgemeinen groß und teuer sind. Die Möglichkeit, den Prozess, bei dem Licht zur Beschleunigung von Partikeln verwendet wird, zu verkleinern, wäre nicht nur ein Segen für die Forscher, sondern könnte auch zu unzähligen neuen Anwendungen führen.

Genau das hat das Team vom UNL Extreme Light Laboratory (ELL) mit dem Diocles Laser des Labors getan. Dieser Röntgenlaser, der zehn Millionen Mal heller als die Sonne ist, wurde verwendet, um schnelle Laserpulse auf Plasmaelektronen zu fokussieren – ein Prozess, der als Wakefield-Beschleunigung (oder Elektronenbeschleunigung) bekannt ist. Die Studie, die ihre Ergebnisse beschreibt, erschien kürzlich in der Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Normalerweise übt Licht überall dort, wo es reflektiert, gestreut oder absorbiert wird, eine winzige Kraft aus. Während die Kraft außerordentlich gering ist, kann sie eine kumulative Wirkung haben, wenn sie richtig und kontinuierlich fokussiert wird. Während des Experiments stellte das Team fest, dass Lichtimpulse dazu führten, dass Elektronen im Plasma aus dem Weg der Impulse gedrückt wurden, wodurch Plasmawellen in ihrem Gefolge erzeugt wurden.

Die Elektronen nahmen auch zusätzliche Beschleunigung von diesen "Wakefield-Wellen" auf, was sie zu ultra-relativistischen Geschwindigkeiten brachte (d. H. Nahe der Lichtgeschwindigkeit). Wie Donald Umstadter, der Direktor des Extreme Light Laboratory, in einer Pressemitteilung von Nebraska Today erklärte:

„Diese neue und einzigartige Anwendung von intensivem Licht kann die Leistung kompakter Elektronenbeschleuniger verbessern. Der neuartige und allgemeinere wissenschaftliche Aspekt unserer Ergebnisse ist jedoch, dass die Anwendung von Lichtkraft zur direkten Beschleunigung der Materie führte. “

Dieses neue Experiment demonstrierte effektiv die Fähigkeit, die Anfangsphase der Wakefield-Beschleunigung zu steuern, was die Leistung kompakter Elektronenbeschleuniger verbessern könnte. Es war insofern von Bedeutung, als es zahlreiche Anwendungen gibt, die aufgrund der enormen Größe herkömmlicher Elektronenbeschleuniger bisher nicht möglich waren.

Eine solche Anwendung ist als "optische Pinzette" bekannt, ein Prozess, bei dem Licht zur Manipulation mikroskopischer Objekte verwendet wird. Eine weitere mögliche Anwendung ist das Konzept des „Lichtsegels“ (auch bekannt als Solar- oder Photonenzelle), einer Methode des Weltraumantriebs, bei der ein fokussierter Laserstrahl verwendet wird, um ein reflektierendes Segel auf unglaubliche Geschwindigkeiten zu beschleunigen.

Ein Beispiel hierfür ist Breakthrough Starshot, ein vorgeschlagenes Raumschiff, das von Breakthrough Initiatives entwickelt wird – einer gemeinnützigen Organisation, die vom russischen Milliardär Yuri Milner gegründet wurde. Dieses Raumschiff besteht aus einem Nanotransplantat, das von einem Visier gezogen wird, und ist auf fokussierte Laser angewiesen, um es auf relativistische Geschwindigkeiten (20% der Lichtgeschwindigkeit) zu beschleunigen. Mit dieser Geschwindigkeit könnte das Schiff in nur 20 Jahren die Reise nach Alpha Centauri antreten und Bilder von Exoplaneten (einschließlich Proxima b) zurückschicken.

In der Zwischenzeit dürfte dieses Experiment Teilchenphysikern ernsthafte Forschungsmöglichkeiten eröffnen. Die Studie wurde von Grigoroy Golovin, einem Postdoc-Forscher des Extreme Light Laboratory (ELL) der Universität von Nebraska-Lincoln (UNL), geleitet und umfasste mehrere Wissenschaftler der ELL und der Shanghai Jiao Tong University.

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