Forschende der Universität Rostock haben zusammen mit ihren Kollegen von der University of Southern California eine revolutionäre Methode zur effizienten Formung und Kombination hochenergetischer Laserstrahlen entwickelt. Diese Durchbrüche wurden am 15. Januar 2025 im Fachjournal „Nature Physics“ veröffentlicht, was die Aufmerksamkeit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf sich zieht. Die grundlegenden Prinzipien dieser Methodik basieren auf der Thermodynamik, insbesondere dem Joule-Thomson-Effekt, der beschreibt, wie Gase sich beim Durchströmen eines Ventils oder einer Drossel verändern.
Professor Demetrios Christodoulides und sein Team zeigten, dass thermodynamische Gesetzmäßigkeiten nicht nur für Gase, sondern auch für die Ausbreitung von Laserstrahlen in komplexen Medien gültig sind. Der Joule-Thomson-Effekt, der im 19. Jahrhundert von James Prescott Joule und William Thomson (Lord Kelvin) beschrieben wurde, besagt, dass die Temperatur eines Gases durch Druckveränderungen beeinflusst wird und kann zur Abkühlung von Gasen eingesetzt werden. Dies ist insbesondere in der Kältetechnik von Bedeutung, wo gängige Kältemittel wie Ammoniak und Kohlendioxid auf diesen Effekt zurückgreifen.
Neuartige Anwendungen des Joule-Thomson-Effekts
In ihrer Untersuchung adaptieren die Rostocker Wissenschaftler diesen Effekt auf intensive Laserstrahlung. Dr. Matthias Heinrich erklärt, dass die hohe Intensität von Lichtstrahlen zu momentanen Änderungen des Mediums führt, was die Qualität des Lichts beeinflusst. Dies bedeutet, dass die „Temperatur“ des Strahls, verstanden als seine Form und nicht als Wärmeempfindung, entscheidend für die Effizienz der Laserstrahlen ist.
Ein zentrales Ergebnis der Forschung ist, dass durch die Ausdehnung einer ungeordneten Lichtverteilung in ein größeres System ein sauberes Strahlprofil entstehen kann, ohne dass äußeres Zutun erforderlich ist. Dieses Verfahren ermöglicht die Kombination mehrerer Laserstrahlen zu einem gemeinsamen Strahl mit minimalen Energieverlusten, was für viele Anwendungen von Bedeutung sein kann.
Die Zukunft der optischen Thermodynamik
Die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Institutionen hat das Feld der optischen Thermodynamik erheblich vorangebracht. Die gesammelten Erkenntnisse könnten zu innovativen Konzepten wie photonischen Wärmekraftmaschinen und Wärmepumpen für Licht führen, die auf der Effizienz des Joule-Thomson-Effekts basieren. Diese Entwicklungen könnten weitreichende Anwendungen finden, insbesondere in der Kältetechnik und der Photonik, die in der Zukunft eine noch zentralere Rolle spielen werden.
Die Forschung wurde großzügig von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie der Alfried Krupp von Bohlen und Halbach-Stiftung gefördert. Die aktuellen Ergebnisse sind auch für die Kältetechnik von Interesse, da der Joule-Thomson-Effekt entscheidend für die Produktions- und Effizienzsteigerung von Kältemaschinen ist. So bietet er eine Antwort auf die Herausforderungen der Branche, wie die Auswahl geeigneter Kältemittel und die wirtschaftliche Verwertung von Kühlsystemen.
Insgesamt verdeutlichen die umfassenden Studien an der Universität Rostock und der University of Southern California die vielfältigen Möglichkeiten der Anwendung des Joule-Thomson-Effekts in der modernen Wissenschaft und Technik. Die vollständige Veröffentlichung der Forschungsergebnisse ist in der Studie von M. S. Kirsch et al. nachzulesen, die in „Nature Physics“ erschienen ist und Nature zitiert.
Zusammenfassend wird deutlich, dass die neu entwickelten Methoden zur Lichtmodulation nicht nur die wissenschaftliche Forschung bereichern, sondern auch bedeutende praktische Anwendungen in der industriellen Kältetechnik und der optischen Technologie ermöglichen. Weitere Details und die theoretischen Hintergründe zum Joule-Thomson-Effekt können auf einfachbesserberaten nachgelesen werden.
