Das Unsichtbare sehen: Ein echtes Auge von Sauron?
"Das ist die Idee dahinter: ein alles durchdringendes Auge, das gefährliche Aerosole vor einem sehr dicht gedrängten Hintergrund anderer Substanzen aufspüren kann"
Stellen Sie sich das folgende Katastrophenszenario vor: In einem Industriebetrieb bricht ein Rohr und eine Wolke winziger Tröpfchen wird in die Luft geschleudert. Doch die Arbeiter haben Glück. Innerhalb weniger Minuten erkennt ein lasergestütztes Gerät von der Größe eines kleinen Koffers die Wolke und teilt den Sicherheitskräften mit, was sich in ihr befindet, damit sie wissen, wie sie reagieren müssen.
Das ist die Vision hinter einem neuen Projekt eines Teams von Ingenieuren und Chemikern der University of Colorado Boulder, des California Institute of Technology, der University of California Santa Barbara und dreier Unternehmen. Finanziert wird es durch einen neuen Vertrag mit der Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), die zum Büro des Direktors des Nationalen Geheimdienstes gehört.
Der Name des Projekts, Standoff Aerosol measUrement Remote Optical Network (SAURON), leitet sich von dem Bösewicht aus der Buchreihe "Der Herr der Ringe" ab, der oft die Form eines flammenden Auges annimmt und dessen "Blick Wolken, Schatten und Erde durchdringt".
"Das ist die Idee dahinter: ein alles durchdringendes Auge, das gefährliche Aerosole vor einem sehr dicht gedrängten Hintergrund anderer Substanzen aufspüren kann", sagte Greg Rieker, Professor am Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering und Hauptverantwortlicher für das Projekt.
SAURON, so erklärte er, wird Aerosole, d. h. ein breites Spektrum winziger Partikel, die in der Luft schweben, näher untersuchen. Einige Aerosole können Chemikalien enthalten, die eine ernsthafte Gefahr für den Menschen darstellen, wie z. B. polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe. Ammoniumnitrat, ein häufiger Bestandteil von Sprengstoffen, bildet ebenfalls Aerosole. Das Gleiche gilt für Fentanyl, eine Opioiddroge, die schon in kleinen Mengen tödlich sein kann.
Um solche Gefahren aufzuspüren, wendet das Team eine mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Technologie an, den so genannten Frequenzkammlaser. Die Forscher hoffen, dass ihre Geräte in nicht allzu ferner Zukunft dazu beitragen könnten, die Menschen vor einer Reihe von Bedrohungen aus der Luft zu schützen, darunter Industrieunfälle und sogar mögliche chemische Angriffe in überfüllten Städten.
"Die Laser werden batteriebetrieben sein, so dass man sie auf Flughäfen, in Stadtzentren oder in Industrieanlagen, in denen gefährliche Stoffe verwendet werden, einsetzen kann", so Scott Diddams, Professor am Fachbereich für Elektro-, Computer- und Energietechnik. "Die Leute wüssten sofort, wenn es eine Störung oder ein Leck gäbe".
An dem Projekt an der CU Boulder sind neben Diddams auch Daven Henze, Professor für Maschinenbau, und Jose Jimenez, Professor für Chemie und Mitarbeiter am Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences (CIRES), beteiligt.
Das Unsichtbare sehen
Das Aufspüren gefährlicher Aerosole ist in vielerlei Hinsicht die ultimative "Nadel im Heuhaufen"-Aufgabe. Die Luft, die Menschen atmen, ist viel komplizierter, als sie aussieht.
"In der Atmosphäre sind zu jeder Zeit Methan und Kohlendioxid sowie andere flüchtige organische Verbindungen vorhanden", so Rieker. "Es gibt eine Menge Durcheinander."
Das Team glaubt, dass Frequenzkammlaser dabei helfen können, dieses Durcheinander zu sortieren.
Diddams gehörte zu den Mitgliedern eines Teams am JILA, einem gemeinsamen Forschungsinstitut der CU Boulder und des National Institute of Standards and Technology (JILA), das Pionierarbeit für diese Instrumente geleistet hat. Die Gruppe unter der Leitung des Nobelpreisträgers Jan Hall setzte Frequenzkammlaser für die Forschung in der Quantenmetrologie und für optische Uhren ein. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lasern senden Frequenzkammlaser einen Lichtstrahl mit Millionen von Farben aus, und zwar alle zur gleichen Zeit.
Wenn man ein solches Licht durch eine Umgebung schickt, können diese Laser wie ein Fingerabdruck-Scanner für Aerosole wirken, indem sie die Signale von selbst kleinsten Konzentrationen von Partikeln oder Gasen in der Luft herausfiltern. Zu dem Projektteam gehört auch LongPath Technologies, das diese Instrumente für die Suche nach Methanlecks in Öl- und Gasanlagen einsetzt. Rieker hat LongPath im Jahr 2017 mitgegründet.
In dreieinhalb Jahren werden die SAURON-Forscher daran arbeiten, ihre Laser noch empfindlicher und kompakter zu machen. Zu diesem Zweck setzt die Gruppe eine neue Technologie der "integrierten Photonik" ein, die von Kerry Vahala am Caltech, John Bowers an der UC Santa Barbara und den Unternehmen Nexus Photonics und hQphotonics entwickelt wurde. Das Team wird seine Geräte auf kleinen Chips entwickeln, die Informationen nicht mit elektronischen Signalen, sondern mit Lichtstrahlen übertragen. Die Arbeit ist Teil der Quantum Engineering Initiative an der CU Boulder.
"Sie sind wie herkömmliche Silizium-Computerchips, aber mit Licht, das erzeugt wird, sich bewegt und auf eine Weise interagiert, die es für die Sensorik nützlich macht", so Diddams.
SAURON ist ein Beispiel dafür, wie Forscher an der CU Boulder Fortschritte in der Grundlagenforschung in greifbare Technologien umwandeln, die eines Tages die Menschen schützen könnten.
"Wir nehmen Technologien, die für die Quantenwissenschaft entwickelt wurden, und übertragen sie auf ein breites Spektrum von Anwendungen", sagte Rieker.
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