Femtonik - mit kürzesten Impulsen heilen und produzieren

Wer hätte nicht gern eine völlig schmerzfreie Kariesbehandlung? Mit der Femtonik wird es möglich! Hitze und Erschütterungen verursachen die Schmerzen beim Bohren. Beides lässt sich mit ultrakurzen Laserpulsen vermeiden. Doch dies ist nur eine der vielfältigen Anwendungen der Femtonik. Der Femtosekunden-Laser ermöglicht Materialbearbeitung mit Nanometer-Präzision. Bei Dieselmotoren und jetzt auch bei Benzinern lassen sich durch Femtosekunden-Laser die Laufleistung des Motors erhöhen, der Verbrauch und die Umweltbelastung dagegen senken.

Die Femtonik befasst sich mit Prozessen und Vorgängen im Zeitbereich von Femtosekunden, also einer billiardstel Sekunde. Ein Vergleich gibt eine Vorstellung der Größenordnung: Während Licht in einer Sekunde etwa siebenmal die Erde umrundet, legt es in einer Femtosekunde nur den hundertsten Teil einer Haaresbreite zurück.

Die Anwendungsgebiete für Laserpulse von derart kurzer Dauer sind äußerst unterschiedlich: Mit solchen äußerst kurzen Impulse kann gewährleistet werden, dass Materialien und insbesondere auch organische Materialien berührungs- und zerstörungsfrei analysiert und bearbeitet werden können. Die Femtonik eröffnet für die Materialbearbeitung nun neue Arbeitsfelder. Bisher standen wir aber auch vor verschlossenen Türen, wenn es darum ging, kürzeste Prozesse zu beobachten, zu verstehen und zu beeinflussen. Durch Femtonik-Laser können wir jetzt Vorgänge in der Natur, die wie die Schwingung eines Moleküls im Femtosekunden-Zeitbereich stattfinden, beobachten, beeinflussen und gezielt für den Menschen nutzen.

Femtosekunden-Vorgänge lassen sich nur mit einem Laser künstlich erzeugen. Ein Femtosekunden-Laser sendet extrem kurze Lichtblitze aus. Mit diesen Femtosekunden-Pulsen können - wie mit einem konventionellen Laser - Materialien bearbeitet werden. Aus der Tatsache, dass die Pulse so kurz sind, wie die elementaren Prozesse im Material, ergeben sich wichtige Konsequenzen:

Femtosekunden-Laser im Labor (Quelle: Universität Würzburg)

• Es gibt keine von Wärme beeinflusste Zone in der Umgebung der bearbeiteten Stelle.
• Es gibt keine Spannungen und Risse in der Umgebung dieser Stelle.
• Es gibt keine Bearbeitungsrückstände.

Femtonik ist vielfältig einsetzbar

Die Eigenschaften von Femtosekunden-Lasern machen sie zu ultrapräzisen und schädigungsarmen Werkzeugen, die entscheidend zur Bewältigung von Herausforderungen in unterschiedlichen Bereichen beitragen wie z. B. Mobilität, Produktion, Gesundheit und Umweltschutz. Die Femtosekunden-Technologie ist damit eine Schlüsseltechnologie. Sie beeinflusst gleichzeitig die Mikro- und Nanomaterialbearbeitung, die Informations- und Kommunikationstechnik, die Messtechnik sowie die Biowissenschaften und die Medizin. So können zum Beispiel Einspritzdüsen der nächsten Generation für Dieselfahrzeuge, die den Kraftstoffverbrauch nochmals drastisch reduzieren, nur mit Femtosekunden-Lasern gebohrt werden.

Laserstrukturierte Zylinderlaufbahn (Quelle: Gehring)

• Zylinderwände von Motoren erhalten zukünftig mit Femtosekundem-Lasern Mikrostrukturen an der Oberfläche, so dass die Motoren bei mehr Leistung weniger Schadstoffe produzieren.
  Insgesamt lassen sich merkbare Kraftstoffeinsparungen bis zu 20 Prozent und damit eine sinkende Umweltbelastung trotz steigendem Individualverkehr erzielen. Allein für diese Anwendungen der Femtonik wird ein Marktpotenzial in Höhe von etwa 100 Millionen Euro pro Jahr erwartet.
• Mit Hilfe der Femtonik könnten Hirnoperationen zukünftig ohne Schädigung des umliegenden Gewebes durchgeführt werden. Damit wächst die Hoffnung für Patienten mit Hirntumoren und dem Parkinsonsyndrom.

operation mit Laser (Quelle: MRC Systems)

In der refraktiven Hornhautchirurgie löst die Femtonik die mechanischen Eingriffe mittels Skalpell ab und ermöglicht  eine komplikationsarme Augenkorrektur. Das Marktpotenzial für diesen Einsatz der Femtonik liegt bereits heute bei 300 Millionen Euro pro Jahr.

1,5 Prozent aller Neugeborenen sind schwerhörig oder taub, weil ihre Gehörknöchelchen versteift sind. Mit einem Femtosekunden-Laser wird es jetzt möglich, derartige Versteifung zu lösen, ohne dabei die unter einem Millimeter großen Gehörknöchelchen zu zerstören.

Selektive Kariesentfernung mit dem Femtosekunden-Laser (Quelle: A. Kasenbacher)

Durch Femtonik kann auch Karies schmerzfrei und schonend entfernt werden. Schonend heißt frei von Mikrorissen - einer Ursache für die heute typische Sekundärkaries. Mögliche Einsparungen für das Gesundheitssystem werden im Bereich von einer Milliarde Euro pro Jahr abgeschätzt.

Ziele und Maßnahmen

Aufgrund der großen Bedeutung dieser Schlüsseltechnologie hat das BMBF bereits im Jahr 2000 die Förderinitiative "Femtosekunden-Technologie" ins Leben gerufen. Dafür wurden insgesamt etwa 30 Millionen Euro Fördermitteln bereitgestellt. Im Rahmen der Fördermaßnahme konnten unterschiedliche Anwendungen aus den Bereichen Fertigung, Life Science und Messtechnik erstmals erfolgreich demonstriert werden.

Die Erforschung und Umsetzung der Femtosekunden-Technologie verspricht einen wichtigen und nachhaltigen Beitrag für die Wettbewerbsfähigkeit des Standorts Deutschland. Nach einem überaus erfolgreichen Verlauf der ersten Phase der Förderung unterstützt das BMBF mit seiner Fördermaßnahme "Femtonik - Nutzung ultraschneller Phänomene" seit 2004 den nächsten Schritt des Technologietransfers aus der Forschung in die Anwendung. Für die Femtonik werden dabei etwa 25 Millionen Euro Fördermittel für industriell geführte Forschungsprojekte zur Verfügung gestellt

Ziel der Förderung ist der Ausbau der führenden Stellung Deutschlands im Bereich der Lasertechnik und die nachhaltige  Kooperation von Wissenschaft und Industrie bei der wettbewerbsfähigen Umsetzung der hervorragenden Ergebnisse aus der Grundlagenforschung.

• Aus dem Themenbereich Hightech-Strategie

  Femtonik reduziert Benzin und Ölverbrauch von Autos

  Mehr Motorleistung bei geringerem Verbrauch und deutlich längerer Laufleistung des Motors - das erlaubt das so genannte Laser-Honen nun bei Benzinmotoren. Neue Motoren arbeiten mit immer höheren Drücken, die mehr Verschleiß bedeuten. Als Mittel dagegen lassen sich Oberflächen von Zylindern und Kolbenringen mit Lasern bearbeiten. Laser brennen kleine Kuhlen, in denen sich Motoröl sammelt. Damit bleibt der Ölfilm im Motor auch unter Extrembedingungen stabil und der Motor verschleißfrei. Was bei Dieselmotoren seit 2002 genutzt wird, soll nun erstmals bei der Produktion von Benzinmotoren eingesetzt werden.
  mehr (URL: http://www.bmbf.de/de/4353.php)