HISTORY | 60 Jahre Laser: Was bringt die Zukunft? (Teil 2)

HISTORY | 60 Jahre Laser (2/2) - Vor 60 Jahren, 1960, wurde der Laser erfunden. Anlässlich des 60-jährigen Jubiläums erzählen Journalisten und Branchenexperten, welchen Einfluss die Lasertechnik in Deutschland hatte und bewerten ihre Zukunft.

Am 6. Mai 1964 brachte die New York Times ein Interview mit Theodor Maiman, dem Mann, der im Mai 1960 den ersten Laser gebaut hatte. 60 Jahre später wissen wir, wie viele Probleme seine Erfindung gelöst hat. Ohne Laser hätten wir kein Internet, keine Computer und keine Gensequenzierung, um nur einige wichtige Anwendungen zu nennen. Aber es brauchte 60 Jahre und viele brillante Köpfe rund um den Globus, um all diese Probleme mit Lasern zu lösen.

Von Nikolaus Fecht (Dipl.-Ing. bei der Deutschen Presse-Agentur) und Dr. Andreas Thoss (Geschäftsführer der THOSS Media GmbH)

Als Peter Leibinger, Technologievorstand von TRUMPF, erklärte, der Laser sei jetzt ein Gebrauchsgegenstand, gab es einige hochgezogene Augenbrauen. Das war auf der Messe LASYS im Jahr 2013. Seitdem boomt der Markt weiter, nur drei Jahre später haben vier Laserfirmen die Umsatzmilliarde überschritten. In China, dem weltweit größten Markt für Laser, konkurrieren Systeme bis in den Kilowattbereich hart um den niedrigsten Preis. Ist der Laser nur eine weitere Handelsware geworden?

Christian Schmitz, Vorstand für Lasertechnik bei TRUMPF, sagt:

"Ich würde das sogar begrüßen. Kommodifizierung bedeutet größere Stückzahlen, was wiederum den Laser für andere Anwendungen interessant macht. Ich sehe das als ein Zeichen dafür, dass der Laser ein großer Erfolg geworden ist."

Doch wie sieht die Zukunft für einen Hightech-Pionier wie TRUMPF aus?

"Als kommerzieller Laserhersteller sind wir in der Lage, auch in größeren Märkten zu bestehen. Trotzdem haben wir nicht vor, den Markt für High-End-Anwendungen aufzugeben."

Für Schmitz bedeutet das zum Beispiel die Produktion von Lasern für die Halbleiterindustrie. TRUMPF beliefert ASML, den niederländischen Anbieter von Fotolithografie-Anlagen, mit dem leistungsstärksten Serienlaser der Welt. 15 Jahre widmete TRUMPF der Entwicklung dieser hochspezialisierten Laseranwendung, die im Jahr 2020 voraussichtlich mehr als 10 Prozent des Gesamtumsatzes ausmachen wird. Mehr noch: Sie wird weiter wachsen und damit gegen den allgemeinen Trend der Werkzeugmaschinenindustrie

Im November 2020 wurde ein Team von Zeiss, Trumpf und Fraunhofer IOF mit dem Deutschen Zukunftspreis für die Entwicklung der EUV-Lithografie ausgezeichnet. Ein Projekt, hinter dem mehr als 2.000 Patente stehen. Schmitz erklärt

"Um ein Hightech-Projekt wie dieses zu realisieren, wird es immer wichtiger, die richtigen Partner zu finden, mit denen man das volle technologische Potenzial solcher fortschrittlichen Anwendungen ausschöpfen kann."

Platz machen für leistungsstarke Präzisionslaser

Für Tünnermann,

"Ein Paradebeispiel dafür ist aus meiner Sicht die Entwicklung von Ultrakurzpulslasern für die Materialbearbeitung. In den 90er Jahren konnten wir [am Laser Zentrum Hannover] zeigen, dass man mit Ultrakurzpulslasern Metalle mit einer Präzision im Mikrometerbereich strukturieren kann, ohne das Material wesentlich zu schädigen. Die ersten Versuche dazu fanden im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes statt. (Partner waren unter anderem die Firmen Bosch und TRUMPF). Daraus resultierte auch ein Deutscher Zukunftspreis - in diesem Fall für das Team, das an dem BMBF-Verbundprojekt gearbeitet hatte."

Nun wird die Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen (USP) auf ein neues Niveau gehoben. CAPS, der Fraunhofer-Exzellenzcluster Advanced Photon Sources, wird gemeinsam vom Fraunhofer IOF und Fraunhofer ILT koordiniert. CAPS macht sich auf den Weg, USP-Laser aus dem Labor in die industrielle Fertigung zu bringen, erklärt Constantin Häfner, neu ernannter Leiter des Fraunhofer ILT

"Wir ermöglichen frühzeitig den Zugang zu diesen neuen Hochleistungslasern der USP-Baureihe. Und wir haben sowohl in Jena als auch in Aachen Einrichtungen aufgebaut, in denen interessierte Unternehmen diese einzigartigen Laserquellen ausprobieren und damit Erfahrungen sammeln können, die sie für die Entwicklung eigener Anwendungen benötigen."

Zu diesem Zweck wurde nicht nur die Ausgangsleistung auf bisher unerreichte 20 Kilowatt erhöht. Die Fraunhofer-Experten verbessern auch alle Technologien entlang der Wertschöpfungskette - von der Simulation bis hin zu einer Vielzahl von Anwendungen. Das CAPs bietet also nicht nur ein festes Fundament an Grundlagenwissen zur Lasertechnik, sondern auch die Möglichkeit, gemeinsam mit den 13 Fraunhofer-Instituten an der Entwicklung neuer Technologien und schließlich neuer Anwendungen zu arbeiten.

Die additive Fertigung von menschlichen Organen

Die interdisziplinäre Forschung hat bereits begonnen. In der Medizin ist beispielsweise die superauflösende Laser-Scanning-Mikroskopie - eine Technologie, die mit mehreren Nobelpreisen ausgezeichnet wurde - bereits im Einsatz. In Zukunft könnte sich die Lasertechnik auch in anderen Bereichen der Laborarbeit etablieren. Am Fraunhofer ILT erforschen Forscher derzeit die Wechselwirkung zwischen Photonen und biologischen Zellen, erklärt Häfner:

"Wir arbeiten am Bioprinting als Möglichkeit, 3D-Gewebestrukturen zu erzeugen. Mit Hilfe von Biomaterialien und lebenden Zellen können wir jetzt biologische Strukturen erzeugen, die die immunologischen, zellulären und anatomischen Eigenschaften eines menschlichen Patienten nachahmen. Langfristig könnte es sogar möglich sein, mit Hilfe der additiven Fertigung maßgeschneidertes Gewebe und Organe im Labor herzustellen. Das würde uns helfen, den Bedarf an menschlichen Transplantaten zu decken."

Der Wettlauf mit der Quantentechnologie

Das heißeste Thema im Bereich der angewandten Laserforschung ist derzeit die Quantentechnologie. Im Februar 2020 kündigte die Bundesregierung an, 600 Millionen Euro für diesen Bereich zur Verfügung zu stellen, gefolgt von weiteren 2 Milliarden im Rahmen des COVID-19-Budgets. Das ist wahrscheinlich mehr als die Summe aller bisherigen Förderungen für die Lasertechnik zusammen.

Tünnermann vom Fraunhofer IOF erinnert daran, dass "Deutschland bereits seit einigen Jahrzehnten die Quantentechnologie fördert."

Auf die Behauptung, dass China und die USA schon weit voraus seien, entgegnet er:

"Mein Gefühl ist, dass diejenigen Volkswirtschaften am erfolgreichsten sein werden, die über Strukturen verfügen, die den Transfer dieser Technologie aktiv fördern. Deshalb ist die Photonik ein hervorragendes Beispiel - und sie ist eine gute Blaupause für den dauerhaften Erfolg der Quantentechnologie."

Derzeit läuft ein nationaler Agenda-Prozess, in dem sich Experten aus Industrie, Forschung und Anwenderkreisen vernetzen, um sicherzustellen, dass die Fördermittel für die Quantentechnologie möglichst effektiv eingesetzt werden

Können Laser das Energieproblem lösen?

In den 1960er Jahren wurde der Laser als "das nächste große Ding" nach der Atomenergie gesehen. Anders als die Atomenergie ist die Lasertechnologie in der Tat Teil des Alltags geworden. In den Bereichen Telekommunikation und Produktionstechnik spielt sie bereits eine wichtige Rolle - und ihre Bedeutung wird weiter wachsen.

Ein deutsches Startup hat noch ehrgeizigere Pläne: Die Marvel Fusion GmbH will die laserbasierte Kernfusion erforschen. Die Technologie dafür basiert auf Systemen, wie sie in einem europäischen Forschungsnetzwerk, der Extreme Light Infrastructure (ELI), entwickelt werden

ELI wird mit mittlerweile einer Milliarde Euro gefördert und umfasst drei Institute im Osten Europas. Diese arbeiten an der Umsetzung der großen Vision von Gérard Mourou, Nobelpreisträger für Physik 2018. In seiner Nobelvorlesung spannte Mourou den Bogen von Maimans anfänglicher Entdeckung bis zu einem weit in der Zukunft liegenden Punkt, an dem Laser zu Teilchenbeschleunigern werden oder vergleichbare Bedingungen wie im Inneren von Sternen schaffen können. Sie werden die Kernfusion zünden. Und sie werden so intensiv sein, dass sie Teilchen aus dem Vakuum anziehen. Marvel Fusion arbeitet auf diesem Weg an realisierbaren Lösungen.

Der Laser hat also viele Probleme gelöst, die unbekannt waren, als Maiman von einer Lösung sprach, die ein Problem sucht. Aber, wie der Visionär Gérard Mourou versprach, "das Beste kommt noch!"