Von der Inspiration bis zur Anwendung

Ein Gespr?ch über die Beziehung zwischen Wissenschaft und Industrie

Dr. Gérard Mourou, Professor an der école Polytechnique und Nobelpreistr?ger für Physik, Prof. Dr. Michael Kaschke, Vorstandsvorsitzender von ZEISS, und Prof. Dr. Andreas Tünnermann, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) und Direktor des Instituts für Angewandte Physik an der Universit?t Jena, diskutieren die Wechselbeziehung zwischen Grundlagenforschung, angewandter Forschung und industrieller Forschung. Die drei haben sich nach der Er?ffnung der Max Planck School of Photonics in Jena getroffen und sich über leistungsstarke Laser unterhalten und darüber, wie diese die Grundlagenforschung, das Ingenieurwesen und medizinische Behandlungen für Patienten neu definiert haben.

Was haben Sie Ihrer Meinung nach als Vertreter der grundlegenden, angewandten und industriellen Forschung gemeinsam?

Prof. Dr. Michael Kaschke:

Hinter jeder wissenschaftlichen Entdeckung oder Innovation steht eine Denkweise, die Probleme lo?sen will, die offen ist gegenu?ber neuen Herausforderungen und die von Neugier und Wissensdrang gepra?gt ist. Diese Mentalita?t ist ein Teil dessen, was wir als ?Seeing beyond? bezeichnen. Wir hier bei ZEISS glauben, dass jedes erstklassige Unternehmen diese Mentalita?t besitzen sollte. Sie hilft uns dabei, unseren Wissensdurst zu stillen und Bereiche zu erforschen, die noch niemand vor uns erforscht hat, und in die Zukunft zu blicken und Probleme zu lo?sen, die sich gerade erst abzeichnen. Ich glaube, dass es das ist, was uns drei fasziniert – wir leben diese Mentalita?t einfach auf verschiedene Arten aus.

Prof. Dr. Andreas Tu?nnermann:

Ich gebe Ihnen recht. Die Entdeckung der Chirped Pulse Amplification (CPA) durch Ge?rard Mourou und seine Kollegen veranschaulicht, wie Durchbru?che in der Wissenschaft, die auf dieser Art der Unvoreingenommenheit basieren, zu transformativen Anwendungen fu?hren ko?nnen. Ein weiteres Beispiel dafu?r ist die Augenlaserkorrektur, bei der ZEISS Vorreiter ist.

Professor Mourou, die Entdeckung, für die Sie und Ihr Team den Nobelpreis erhielten, l?sst auch erkennen, wie schnell sich Paradigmen ?ndern k?nnen. Oder sehen Sie das anders?

Prof. Dr. Gérard Mourou:

Doch, ich stimme Ihnen zu. Es ist seltsam, an die Reaktionen zu denken, die ich erhielt, als ich 1988 darüber sprach, dass Chirped Pulse Amplification (CPA) eine Leistung im Terawattbereich produziert. Die Leute haben mich nicht ernst genommen. Damals wurden leistungsstarke Laser in Gigawatt (109 W) gemessen und ich fing an, von Terawatt (1012 W) zu sprechen. Das war an der Universit?t Rochester, wo Terawatt-Laser noch komplette Geb?ude einnahmen. CPA brachte uns dann den Terawatt-Laser als Tischger?t.

Fotografie: Dominik Gigler
Prof. Dr. Michael Kaschke

Seeing beyond ist eine Mentalit?t, um unseren Wissensdurst zu stillen und Bereiche zu erforschen, die noch niemand vor uns erforscht hat, und in die Zukunft zu blicken und Probleme zu l?sen, die sich gerade erst abzeichnen.

Wie lange hat es gedauert, realisierbare Anwendungen zu finden?

Prof. Dr. Michael Kaschke:

Die Zeit von diesen Durchbrüchen bis zur praktischen Anwendung war im Bereich der Ophthalmologie tats?chlich recht kurz. Schon damals dauerte es vom Labor bis zur Markteinführung normalerweise 15 Jahre – wir nennen das die Drei-mal-fünf-Jahre-Regel. Das hei?t: fünf Jahre für Prototypen, fünf Jahre für klinische Studien und fünf Jahre für die Marktakzeptanz. Ich denke, an diesem Beispiel l?sst sich gut ablesen, wie viel Arbeit notwendig ist, bevor man eine Entdeckung tats?chlich vermarkten kann.

Prof. Dr. Gérard Mourou:

Untersch?tzen Sie nicht die Rolle, die das Glück dabei spielt! Bei unserer Arbeit an der Hornhaut begann alles mit einem Zufall. Sie wissen das vielleicht nicht, aber einer meiner Studenten arbeitete an den ersten Hochleistungssystemen, als ihn ein Laserstrahl im Auge traf. Wir brachten ihn sofort ins Krankenhaus und uns wurde gesagt, dass die Netzhaut glücklicherweise nicht verletzt wurde – der Schnitt auf der Hornhaut aber, der sei perfekt. Das war ungef?hr 1993. Die medizinischen Anwendungen dazu kamen ungef?hr zehn Jahre sp?ter auf den Markt. Es dauerte eine Weile, da zuerst alle medizinischen Studien durchgeführt werden mussten, wie Michael schon sagte.

Prof. Dr. Michael Kaschke:

Was Sie sagen, Gérard, ist sehr wichtig. Das systematische Vorgehen, das uns zu neuen Entdeckungen führt, ist natürlich unentbehrlich. Aber wir dürfen dabei nicht vergessen, dass auch das pure Glück eine wesentliche Rolle spielt. Deshalb müssen wir aus Fehlern lernen und uns bewusst werden, dass für neue Entdeckungen und Innovationen Fehler unerl?sslich sind.

Gilt das auch für die angewandte Forschung?

Prof. Dr. Andreas Tünnermann:

Wenn man sich vor Augen führt, dass Innovationen immer auch einen Lernprozess mit sich bringen, dann kann ich das nur best?tigen: Auch die angewandte Forschung geht mit dem Versuch einher, zu lernen und zu wachsen. Ein Umfeld zu schaffen, in dem man bestm?glich aus Fehlern lernen kann – das ist die Mission des Fraunhofer IOF.

Prof. Dr. Michael Kaschke:

Genau. Was wir brauchen, ist eine Kultur, in der Wissensdrang und der Austausch von Wissen eine pr?gende Rolle spielen.

Prof. Gérard Mourou?erhielt 2018 den Nobelpreis für Physik. Der franz?sische Physiker befasst sich seit mehr als 40 Jahren mit Laserphysik und nichtlinearer Optik. 1990 gründete er an der Universit?t von Michigan das Center für Ultrafast Optical Science. Heute ist er Direktor des Laboratoire d’Optique Appliquée im Südwesten von Paris. Gemeinsam mit seiner Doktorandin Donna Strickland gilt Gérard Mourou als einer der Erfinder der Chirped Pulse Amplification (CPA). Mit dieser Technik lassen sich sehr kurze Laserimpulse hoher Intensit?t bis in den Petawatt-Bereich erzeugen. Anwendung findet die CPA sowohl in der Industrie als auch in der Medizin.

Professor Mourou, k?nnen Sie uns etwas mehr über die heutige Spitzenforschung in der extremen Laserphysik erz?hlen, 30 Jahre nach CPA?

Prof. Dr. Gérard Mourou:

Nun, es geht in der Laserentwicklung weiterhin um das Erreichen einer immer h?heren Leistung. Heutzutage haben wir Petawatt-Laser (1015 W), die mehr Leistung erbringen, als irgendein Kraftwerk weltweit produzieren kann, allerdings nur für eine kurze Zeit. In der Zukunft werden wir wahrscheinlich Exawatt-Laser sehen und dann werden wir Protonenbeschleuniger als Tischger?te haben.

Prof. Dr. Michael Kaschke:

Was denken Sie, wann wir solche laserbasierten Protonenbeschleuniger in konkrete Anwendungen, wie beispielsweise medizinische Anwendungen, integrieren k?nnen? Werden weitere zehn bis 15 Jahre vergehen, bevor wir klinische Anwendungen sehen?

Prof. Dr. Gérard Mourou:

Laserprotonenbeschleuniger gibt es schon heute. Sie werden verwendet, um Protonen zu erzeugen. Aber die maximale Protonenenergie betr?gt ungef?hr 1.000 MeV. Wenn Sie Patienten behandeln m?chten, ben?tigen Sie eine h?here Energie. Ein m?glicher Ansatz dafür, den ich gerade untersuche, sind kürzere Impulse – vielleicht nicht viel kürzer als ein einzelner Zyklus. Ich würde also sagen, dass zehn bis 15 Jahre ein realistischer Zeitrahmen sind.

Wenn wir uns das Ende dieses zusammenh?ngenden Ganzen ansehen, von der Grundlagenforschung bis hin zur Industrie: Welche aufregenden Entwicklungen werden wir bei ZEISS und in der Optik- und Photonikindustrie allgemein erwarten k?nnen?

Prof. Dr. Michael Kaschke:

Es gibt viele aufregende Entwicklungen, vor allem in den Bereichen Biomedizin- und Lithographie-Technologie. Wegen der Art und Weise, wie Laser und insbesondere Hochleistungs-Femtosekundenlaser mit CPA ihren Weg in die hochpr?zise Gewebemanipulation gefunden haben, reden wir viel über Protonen. Ich nenne das die ?Kunst der Pr?zisionschirurgie?. Irgendwann werden wir wahrscheinlich semirobotische Laser verwenden, die es Chirurgen erm?glichen, Operationen auf nahezu zellul?rer Ebene durchzuführen. Doch dafür werden noch kürzere Wellenl?ngen ben?tigt, da wir am Ende n?mlich darüber nachdenken müssen, wie wir innerhalb einer Zelle arbeiten k?nnen.

Im Moment liegt der Schwerpunkt auf multizellul?rer Chirurgie. Aber das eigentlich Interessante ist die Frage, wie man einer Erkrankung wirklich nahe kommen kann, das hei?t, wie man innerhalb einer Zelle operieren kann.

Im Bereich der Lithographie erm?glicht es uns die EUV-Technik, auf eine Strukturgr??e von ein bis zwei Nanometern zu gehen. In zehn bis 15 Jahren werden wir uns der atomaren Ebene gen?hert haben. Das wird sehr interessant werden, besonders aus Sicht der Grundlagenforschung.

Prof. Dr. Andreas Tu?nnermann:

Aus wissenschaftlicher Sicht ist das absolut faszinierend, wenn man von Strukturen elektronischer Anwendungen direkt zur atomaren Ebene durchdringen kann.

Prof. Dr. Michael Kaschke:

Auf jeden Fall! Meiner Meinung nach liegt das noch mehr als zehn Jahre in der Zukunft. Bis dahin werden wir uns noch ein paar Mal im Kreis drehen. Eine interessante Frage bleibt, ob das die Elektronik, wie wir sie kennen, revolutionieren wird.

Prof. Dr. Andreas Tu?nnermann:

Man h?rt oft, dass Quantentechnologie der Bereich mit Zukunft sei.

Prof. Dr. Michael Kaschke:

Es gibt keine Quantentechnologie ohne Optik und Photonik. Ich sehe Quantensensorik und Quantenmikroskopie auf uns zukommen. Was die Zeitspanne angeht, bis sich Quantencomputing wirklich in der breiten Masse etabliert hat, bin ich etwas weniger optimistisch als andere. Ich glaube, dass das noch in ferner Zukunft liegt. Was allerdings den Einsatz von Quantenzust?nden in der Sensorik oder sogar der Bildgebung betrifft, glaube ich, dass wir da relativ kurz davorstehen.

Prof. Dr. Andreas Tünnermann?leitet das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena. Der promovierte Physiker widmete seine Abschlussarbeit an der Universit?t Hannover dem Thema ?Wechselwirkung intensiver Laserstrahlung mit atomaren Gasen und D?mpfen: neue Methoden zur Realisierung kurzwelliger koh?renter Strahlung?. Tünnermanns Forschungsschwerpunkt liegt auf Faser- und Wellenleiterlasern. Es gelang ihm, die kontinuierliche Ausgangsleistung der Laser ma?geblich erh?hen und deren optische Eigenschaften entscheidend zu verbessern. Dabei konnte er auch die Strahlqualit?t ultrakurzer Signale deutlich verbessern.

Professor Tünnermann, am Fraunhofer IOF entwickeln Sie Fasern für die n?chste Generation von Hochleistungslasern. Was sind die potenziellen Anwendungen?

Prof. Dr. Andreas Tu?nnermann:

Am Fraunhofer IOF entwickeln wir derzeit eine Generation optischer Fasern, die einzigartige M?glichkeiten bei der Steuerung von Licht bieten werden. Der Schwerpunkt liegt auf aktiven Fasern, beispielsweise für die Fasergeneration mit ultrakurzen, hochenergetischen Impulsen. Ein weiterer Schwerpunktbereich ist die Entwicklung von Konzepten für Transportfasern, die Laserstrahlen mit extrem hoher Leistung über gro?e Distanzen hinweg leiten. ?hnlich wie die Revolution in der Lasermaterialverarbeitung in den 1990er Jahren, als Glasfasern mit Festk?rperlasern kombiniert wurden, so werden in Zukunft optische Fasern die Entwicklung komplett neuer Anwendungen befeuern, indem sie die Energie von Ultrakurzpulslasern verteilen. Das erfordert eine Lichttransmission, bei der der Impuls nicht durch die Interaktion mit der Faser beeintr?chtigt wird. Ein Beispiel dafür sind Hohlkernfasern, die Licht in Luft leiten und somit unerwünschte Effekte bei der Transmission minimieren.

Prof. Dr. Michael Kaschke:

Das ist ein gutes Beispiel dafür, wie extreme Physik neue Anforderungen an die Technologie stellt. Es ist au?erdem ein weiterer Punkt, wo sich unsere Welten der Wissenschaft und der Industrie überschneiden. Ich nenne das gerne den Apollo-Effekt: Sie gehen mit Ihrer Forschung in eine Richtung, treffen aber auf Hürden und ben?tigen Ingenieure, um diesen Weg zu erschlie?en, was dann wiederum neue Wege er?ffnet, die erforscht werden wollen.

Das Beispiel, das ich immer gebe, ist die Fertigungstechnologie, die wir zur Herstellung von Planspiegeln für extrem ultraviolettes Licht (EUV) verwenden. Die Technologie wurde eigentlich vor ein oder zwei Jahrzehnten für R?ntgensatelliten im Weltall entwickelt. Es war ein Unterfangen in der Astronomie, das für ZEISS nicht zum erhofften kommerziellen Erfolg führte, aber dennoch in puncto Erfahrungsgewinn und Entwicklung von gro?er Bedeutung ist. Diese ?Nebenprodukte? treten auf, wenn Sie sich an die Grenzen der Physik wagen. Deshalb ist das, was Sie tun, Gérard, bereits ?u?erst extreme Physik, da Sie eigentlich total neue Energieniveaus untersuchen und dies einen Einfluss auf die angewandte Wissenschaft und sogar das Ingenieurwesen haben wird.

Prof. Dr. Andreas Tu?nnermann:

Ja, aber lassen Sie uns nicht vergessen, dass die neue Realit?t in der Forschung nicht linear ist, sondern viel komplexer und dynamischer. Das?gilt auch für das praktische Anwenden unserer Erkenntnisse auf Produkte und Dienstleistungen. Daher müssen wir diese Prozesse auch weiterhin offenhalten.

Prof. Dr. Michael Kaschke:

Absolut, und deshalb glaube ich fest daran, dass alle vom Austausch zwischen Wissenschaft und Industrie – wo immer m?glich – profitieren, beispielsweise im Rahmen von Austausch- und Forschungsprogrammen. Es ist dieser Austausch von Sichtweisen, der den eigenen Horizont erweitert. Ich denke,?dass Institute wie die der Fraunhofer-Gesellschaft dafür perfekt sind. Da kommen die grundlegende und die industrielle Forschung zusammen und das Ergebnis kann in Anwendungen umgesetzt werden.

Mit der Chirped Pulse Amplification (CPA) kann eine hohe Energie auf einen kleinen Materiepunkt fokussiert werden. Durch die extrem geringe Pulsdauer wird nur die Materie an der Stelle verdampft, die unmittelbar vom Laserstrahl getroffen wird. Die benachbarten Regionen werden nicht betroffen. L?ngere Pulse würden auch das Umfeld gro?fl?chig erw?rmen. Die CPA hat damit besondere Vorteile in der Anwendung. Im medizinischen Bereich lassen sich feinste Gewebe pr?zise ver?ndern – zum Beispiel bei Operationen am Auge, etwa bei Katarakten oder Fehlsichtigkeit.

Leistungsstarke Laser werden seit den 1980er Jahren kontinuierlich weiterentwickelt. Im Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS arbeiten aktuell 12 Institute an neuen Technologien im Bereich der Ultrakurzpuls-Laser (UKP). Schon jetzt sind Systeme mit mehr als 100 W verfügbar. Die Fraunhofer-Institute für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena sowie für Lasertechnik ILT in Aachen erproben UKP-Laser im Multi-Kw-Bereich. Einsatzbereiche liegen verst?rkt in der Industrie. Nach dem Glasschneiden und Anwendungen in Mess- und Medizintechnik ist die gro?fl?chige Bearbeitung von Oberfl?chen auf dem Vormarsch.

Professor Mourou, haben Sie jemals darüber nachgedacht, basierend auf CPA Ihr eigenes Unternehmen zu gründen?

Prof. Dr. Gérard Mourou:

Nein. Das sind zwei ganz verschiedene Dinge. Ich liebe die Forschung, aber ich wei? auch, wie viel Arbeit es ist, ein Unternehmen zu gründen, besonders in der Medizinbranche. Ich habe selbst mit IntraLase Erfahrungen gemacht, da ich in die Unternehmensgründung involviert war.

Prof. Dr. Michael Kaschke:

Würden Sie Ihre Studenten dazu ermutigen, diesen Weg einzuschlagen?

Prof. Dr. Gérard Mourou:

Ja, das würde ich wahrscheinlich tun. Aber Sie müssen sehr vorsichtig sein, wenn Sie ein Student in einem Labor sind und Ihnen all die Ausrüstung zur Verfügung steht, die Sie ben?tigen. Man denkt dann sehr leicht, dass man in einer perfekten Welt lebt. Aber im Gesch?ft und bei der Produktentwicklung müssen Sie viele Anforderungen von verschiedenen Beteiligten und manchmal sogar Interessenkonflikte berücksichtigen. Das ist eine komplett andere Situation.

Prof. Dr. Michael Kaschke:

Ich denke, dass Institute wie die der Fraunhofer-Gesellschaft oder der neue ZEISS Innovation Hub am KIT in Karlsruhe eine wichtige Rolle dabei spielen k?nnen, den fehlenden Wissenstransfer zwischen der Grundlagenforschung und der Industrie zu überbrücken.

Prof. Dr. Andreas Tu?nnermann:

Die Fraunhofer-Gesellschaft bietet eine einzigartige Plattform und ist eine Einrichtung, wie sie wahrscheinlich nur in Deutschland und ein paar anderen L?ndern in Europa existiert. Sie ist ein Accelerator, der sicherstellt, dass dieses Zusammenspiel auch in Zukunft intakt bleibt. Wir k?nnen der angewandten Grundlagenforschung sehr nahe sein, sie selbst durchführen, aber auch ein Verst?ndnis dafür haben, wie sie anderen Akteuren vermittelt wird, und Beziehungen zur Industrie und zu industriellen Entwicklung etablieren.

Prof. Dr. Michael Kaschke:

Das ist das Gute an diesem Zusammenspiel. Ein Beteiligter geht in eine Richtung, die anderen folgen eine Weile und entdecken dann neue Dinge, und wir lernen alle etwas daraus.

Prof. Dr. Gérard Mourou:

Gut gesagt!

Vielen Dank, dass Sie sich heute Zeit genommen haben.

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