W&F 1984/2

Laser

von Horst Kremmling

In nun etwa 25 Jahren ist der Laser von einem Labor-Prototyp zu einem Instrument gereift, das eine Reihe von Forschungsbereichen revolutioniert hat und inzwischen auch vielfältige Anwendungen in der Medizin, der Materialverarbeitung, der Meß- und Analysentechnik sowie in Informationssystemen erfährt. Die zukünftige Entwicklung ist zur Zeit nur unvollkommen abzuschätzen, aber sicher wird der Laser zu den bedeutendsten Entwicklungen dieses Jahrhunderts gezählt werden müssen. Die vielfältigen Anwendungen der Lasertechnik, die auch bereits kommerziell eingesetzt werden, bleiben natürlich nicht ohne Auswirkung auf die Militärtechnik.

Man kann annehmen, daß alle Länder, die über die entsprechende Technologie verfügen, bestrebt sind, den Laser für militärische Anwendungen mehr und mehr nutzbar zu machen. Daß in diesem Artikel im wesentlichen amerikanische Beispiele erwähnt werden liegt an der relativ offenen Informationspolitik der Regierung und der beteiligten Wirtschaft, bedeutet aber keinesfalls, daß z. B. die Sowjetunion nicht entsprechende Forschungsanstrengungen unternimmt. Ohne auf die prinzipielle Funktionsweise von Lasern einzugehen, sei hier an die wesentlichen Eigenschaften der Laserstrahlung erinnert. Ein Laser stellt eine nahezu punktförmige Lichtquelle dar, die ihre Lichtenergie in einem eng begrenzten, fast parallelen „Strahlenbündel“ aussendet. Im Gegensatz zu Glühbirnen oder Leuchtstoffröhren, die ihre Strahlung in alle Raumrichtungen emittieren, ist die Laserstrahlung gerichtet. Dabei erzeugt der Laser auch kein „weißes“ Licht, sondern arbeitet auf nur den jeweiligen Typ charakteristischen Wellenlängen („Farben“) der elektromagnetischen Strahlung. Heutzutage stellen weltweit etwa 200 Herstellerfirmen über 1500 verschiedene Lasertypen her, die auf dem Markt angeboten werden. Unterscheidet man nach den verschiedenen Lasermedien (Gasen und Lastkörpern etc.) sowie nach gepulsten oder kontinuierlich arbeitende Lasern, existieren etwa 50 auch technisch grundlegend verschiedene Laser, deren Anzahl sich ständig vergrößert. Hinzu kommen nicht spezielle, kommerziell leicht erhältliche Laser in der Forschung. Mit diesem großen Angebot an Lasern ist praktisch jede optische Wellenlänge zu erzeugen, vom Ultravioletten über den sichtbaren Spektralbereich bis hin zur Wärmestrahlung, dem Infrarot. Es existieren jedoch gewaltige Unterschiede bezüglich der abgestrahlten Lichtleistung, des Wirkungsgrades und der „Qualität“ des Strahles. Der Wirkungsgrad der Laser ist i.A. sehr schlecht. Nur etwa 0,01% bis maximal ca. 30% der aufgewendeten Energie wird in Lichtenergie umgewandelt. Hauptsächlich wird z.B. elektrische Energie benötigt, jedoch existieren auch Lasertypen, die die bei einer chemischen Reaktion freiwerdende Energie oder einen thermodynamischen Effekt benutzen.

Laser als Waffe

Diese Form militärischer Verwendung wurde im vergangenen Jahr am häufigsten in den Medien diskutiert und erinnerte oft an Vorstellungen, wie sie in Science-Fiction-Filmen häufig produziert werden. Im März 1983 kündigte der amerikanische Präsident Reagan die verstärkten Bemühungen an, mit Hilfe von „Laserkanonen“, evtl. im Weltraum stationiert, eine Abwehrmöglichkeit gegenüber Interkontinentalraketen zu schaffen. Im Juni wurde in den Zeitungen über den erfolgreichen Abschuß von Sidewinder-Raketen, im November 1983 von ferngesteuerten Flugzeugen durch das amerikanische Airborne Laser Laboratory (ALL) berichtet, einem thermodynamischen CO2-Laser der von einer militärischen Version der Boeing 707 aus betrieben wird. Für die militärische Anwendung der Laser als Zerstörungswaffe liegt der Vorteil gegenüber herkömmlicher Systeme auf der Hand. Licht pflanzt sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 300 000 km/sek. fort, es benötigt für eine Strecke von 1000 km nur etwa 0,003 sek. Ein Entrinnen des Zieles, selbst wenn es, wie moderne Raketen, mit Mach 10 (3 km/s) fliegt, ist unmöglich. Zudem ergibt sich der Vorteil, zumindest auf kürzeren Strecken bis einigen 100 km ohne Vorhalt direkt zielen zu können. Bei genügend Energievorrat ist auch kein umständliches Nachladen dieser Waffe nötig. Allerdings ergeben sich auch gewaltige technologische Anforderungen. So muß das Ziel direkt getroffen werden, es genügt nicht, wie bei mit Sprengköpfen bestückten Raketen, in die nähere Umgebung des Zieles zu gelangen. Bei der Größe von Raketen, Flugzeugen etc. und den durch das Licht zu überbrückenden Entfernungen erfordert dies eine exzellente Präszision der Zielerfassung und der Richtungseinstellung des Laserstrahls. Zum zweiten benötigt man eine hohe Lichtintensität, das Metall des Zieles soll. durch Licht geschmolzen werden. Bei der Bearbeitung von Metallen in der Produktion durch Laserlicht sind diese nötigen Lichtintensitäten zu erreichen, indem man den Laserstrahl durch eine Linse kurz über dem Werkstück auf dessen Oberfläche fokussiert. Mit den heute verfügbaren Hochenergielasern sind auf diese Weise Oberflächentemperaturen von einigen tausend Grad C und mehr zu erreichen, jedoch nur auf der kleinen Fläche des Brennpunktes. Für den Einsatz als Waffe jedoch ist es nicht möglich, diese kurzbrennwellige Fokussierung durchzuführen. Hier kann der Brennfleck nur an der Strahlungsquelle selbst eingestellt werden, über Linsen und Spiegel auf einen Raumpunkt festgelegt werden. Der Durchmesser des Brennflecks jedoch ist aus prinzipiellen physikalischen Gründen um so kleiner, je kürzer die Brennweite (die Entfernung zum Ziel) ist, und je größer das fokussierende Element (der Zielspiegel) ist. Für eine Laserwaffe benötigt man daher ein hochpräzises Zielerfassungssystem (auf Laserbasis), einen sehr intensitätsstarken Laser und eine groß dimensionierte Zieloptik (Spiegel), die extrem genau einstellbar ist. Hinzu kommt die Notwendigkeit eines genügend großen Energievorrates bzw. leistungsstarken Generators.

Zur Beurteilung der Realisierbarkeit solcher Systeme muß man unterscheiden nach dem Anwendungszweck

Gefechtsfeldwaffen: Das aus einer Entfernung von einigen tausend km angreifende Flugkörper mit Laserlicht zerstört werden können, ist im letzten Jahr demonstriert worden. Auf diese Entfernung ist die Abschwächung des Laserstrahls in der Atmosphäre nicht so bedeutend, der Brennfleck klein, die geforderte Genauigkeit der Strahlrichtung nicht so gravierend und die Größe der optischen Elemente kann in einem technisch gewohnten Rahmen gehalten werden. Laser der nötigen Intensität von einigen 10-100 kW/cm2 existieren im Prinzip und die Bereitstellung der zum Betrieb der Laser notwendigen Energie in Form von Elektrizität oder eines Vorrats an chemischen Reagenzien ist möglich.

Anti-Interkontinentalraketen (ABM)-Systeme: Diese, in der Öffentlichkeit häufig diskutierten Systeme auf Laserbasis, sind auch technisch sehr umstritten. Da Witterungseinflüsse und damit die Absorption von Laserlicht bis in etwa 15 km Höhe über der Erdoberfläche wirksam sind, sodaß nur ein Bruchteil der ausgestrahlten Energie den freien Raum erreicht, erscheint es sinnvoll, diese Systeme im Weltraum direkt zu stationieren.

Bei weltraumgestützten Laserwaffen ergeben sich vor allem folgende Probleme: 1.) Die weiten Entfernungen vom Laser zum Ziel, die den amerikanischen Plänen zufolge etwa 100-3000 km betragen sollen; 2.) die Energieversorgung des Lasers im Weltraum.

Die Entfernungen begründen, wie erwähnt, einen möglichst hohen Zielspiegel (in der Entwicklung ist ein Spiegel von 4m Durchmesser), eine schnelle und exakte Winkeleinstellung des Spiegels und einen sehr intensitätsstarken Laser, denn bei einer Entfernung von 1000 km ist der vom Spiegel bestimmte Brennfleck einige 1000 qcm groß. Im Gegensatz zu den Verhältnissen bei der Lasermaterialbearbeitung auf der Erde kann daher keine bedeutende Energiebündelung auf einen kleinen Fleck erfolgen, die Laser müssen mehr als 1000x stärker sein, als die heute verwendeten Materialbearbeitungslaser. Zur Zeit werden folgende Anforderungen für ein Weltraumsystem angenommen: Bei einem 4m-Spiegel, der auf besser als 1 rad (0,00005°) innerhalb von etwa 0,5 s. einstellbar ist, benötigt man einen Laser mit einer Energie pro Laserschuß von etwa 10-20 MWs (Millionen Joule). Während die genauen Justiereinrichtungen des Spiegels nach dem Stand der Technik heute gerade machbar sind, ist die Entwicklung eines derart großen Spiegels hoher optischer Qualität noch nicht gelungen und auch Laser der geforderten Stärke existieren nicht. Zu 2.): Das andere noch ungelöste Problem ist die Energieversorgung im All. Hier bieten sich sofort Lasertypen an, die keine oder nur geringe elektrische Energie benötigen, wie die chemischen Laser (HF, DF), die ihre Energie aus einer chemischen Reaktion beziehen. Hierbei müssen aber gewaltige Mengen der entsprechenden Reaktionsstoffe in den Weltraum gebracht und dort gelagert werden. Die Schätzungen der benötigten Energie sind von Randbedingungen abhängig und unterscheiden sich in den Veröffentlichungen gewaltig. Ohne genauer darauf einzugehen, muß festgestellt werden, daß die heutige Weltraumtechnologie in Form des „Space Shuttle“ für den Transport dieser Treibstoffmengen nicht geeignet ist. Selbst im günstigen Fall ergeben sich ungefähr 1000 Shuttle-Flüge allein, um den Brennstoff zu transportieren (10 Jahre lang 100 Flüge pro Jahr). Dieses Dilemma ist auch den Verantwortlichen offenbar bekannt. So werden Experimente durchgeführt, Lasern durch die Sonnenstrahlung die nötige Energie zuzuführen, jedoch sind diese Systeme noch weit von einer Realisierung entfernt.

Abwehrmöglichkeiten: Betrachtet man die ungeheuren technischen Schwierigkeiten, die der Realisierung der Weltraum-Laser-Systems entgegenstehen, so erscheinen die möglichen Abwehrmöglichkeiten gegenüber der Laserstrahlung gerade zu trivial. So ist eine Verspiegelung der angreifenden Raketen möglich und der Schutz der Außenhaut durch einergieabsorbierende Schichten wie z.B. bei den Apollo-Raumkapseln vielfach erprobt. Zu erwähnen sind hier auch die hochtemperaturfesten Keramikmaterialien, wie sie in Space Shuttle Programm verwendet werden. Neben dieser primären Abwehr ist ebenfalls relativ einfach eine sekundäre möglich. Durch Zerstörung der Station durch andere Satelliten oder Raketen, durch eine Zerstörung des Ortungssystems, wozu eine relativ schwache Laser genügen würde, durch Unterbrechung des notwendigen Kommunikationssystems oder einfach durch eine größere Anzahl stationierter Interkontinentalraketen, bzw. ununterscheidbare Attrappen. Diese letztere Maßnahme würde wiederum die notwendige Spezifikation des Lasersystems heraufsetzen, die notwendig sind, einen Angriff mit Interkontinentalraketen abzuwehren.

Die Laserforschung ist wohl die weitaus teuerste militärische Forschungsprojekt der Vereinigten Staaten. Insgesamt wurden seit 1973 über 2 Mrd. Dollar ausgegeben, 1984 sind insgesamt 700-800 Mill. Dollar hierfür vorgesehen, für 1985 rechnet man mit über 1 Mrd. Dollar. Allerdings fallen hierunter auch Forschungen, die andere Aufgaben mit Hilfe von Lasern ermöglichen sollen und keine eigentlichen Waffen sind. Das TRIAD-Programm der Defence Advanced Research Project Agency (DARPA), die mit der Entwicklung der Weltraumwaffen beauftragt ist, kostet 1984 insgesamt etwas mehr als 150 Mill. Dollar die aufgewendet werden zur Entwicklung eines Hochenergielasers, des Zielspiegels und des Zielerfassungssystems.

Laser in der konventionellen Rüstung

Weitgehend unbemerkt hat der Laser inzwischen im konventionellen militärischen Bereich an Bedeutung gewonnen. Neben den Möglichkeiten den Laser als Gefechtswaffe einzusetzen (gegen Menschen als Blendlaser) sind u.a. Anwendungen auf folgenden Gebieten festzustellen.

Als LIDAR-System (Light Detection And Ranging), eine dem herkömmlichen RADAR entsprechende Technik, die jedoch wesentlich präziser die Entfernung, den Ort, die Geschwindigkeit eines Zieles feststellen kann und in Verbindung mit moderner Elektronik eine Zielidentifizierung ermöglicht. Vor allem kleine, relativ einfache aber tragbare Geräte sind bereits heute entwickelt und einsatzbereit.
Die ungeheure Präzision des Lasers ermöglicht die Lenkung von Flugkörpern derart genau, daß für diese ein Sprengkopf entbehrlich wird. Das Ziel wird rein mechanisch zerstört. Diese Lenkung von Flugkörpern oder Bomben kann so erfolgen, daß das Ziel durch einen Laserstrahl markiert wird der Flugkörper folgt dann dem vom Ziel gestreuten Licht, oder aber er wird vom Laserstrahl direkt in das Ziel gelenkt. Es wird angenommen, daß solche Systeme kurz vor der Serienfertigung stehen.
Mit Lasern ist eine Gefechtsfeldbeleuchtung (Tomoskopie) möglich, die bei schlechten Sichtverhältnissen einen bestimmten Bereich des Geländes sichtbar machen und die Kampftätigkeit auch bei widrigen äußeren Umständen ermöglicht.
Ein IRS (Inertial Reference System) in Form des Lasergyrometers ersetzt zur Zeit den altbekannten Kreiselkompaß in Flugzeugen, auch in zivilen wie im neuen Airbus A320. Das Gyrometer erlaubt eine wesentlich präzisere Flugbahn, ist mechanisch robust und kann in Großserie recht billig hergestellt werden. Fluggesellschaften rechnen mit Treibstoffersparnissen bis zu 10% aufgrund der geringen Bahnabweichungen. Diese werden mit etwa 1km pro 1h Flugzeit angegeben, jedoch ist die Entwicklung noch nicht an ihre Grenzen gestoßen.
Das Laserlicht als Träger von Informationen ist im Bereich der Glasfasertechnologie bekannt. Eine militärisch besonders interessante Laserkommunikation betrifft getauchte U-Boote. Mit Lasern, die im blau-grünen Spektralbereich arbeiten, ist über Satelliten eine Kommunikation mit diesen möglich, da diese Wellenlängen von Wasser und der Atmosphäre nur wenig absorbiert werden. Dies ermöglicht nicht nur die Anbindung dieser U-Boote an die Befehlszentralen, sondern könnte auch die Ortsbestimmung der Boote verbessern, was für die Treffgenauigkeit ihrer Raketen von großer Bedeutung ist.

Auf weitere Anwendungen von Lasern im militärischen Bereich, wie die Isotopentrennung zur Herstellung von Spaltbrennstoffen soll in diesem Rahmen nicht weiter eingegangen werden. Sicher wird die moderne Lasertechnologie, wie im zivilen Bereich, auch die militärischen Möglichkeiten gewaltig verändern, ja in Einzelfällen revolutionieren. Ein Ende dieser Entwicklung ist heute nicht abzuschätzen. Neue Entwicklungen wie der Röntgenlaser, der „freie Elektronenlaser“ und Weiterentwicklung der bisherigen Typen könnte, vor allem in Verbindung mit modernster Elektronik, völlig neue militärische Anwendungen und Strategien ermöglichen.

Die Laserforschung ist wohl da weitaus teuerste militärische Forschungsprojekt der Vereinigten Staaten. Insgesamt wurden seit 1973 über 2 Mrd. Dollar ausgegeben, 1984 sind insgesamt 700-800 Mill. Dollar hierfür vorgesehen, für 1985 rechnet man mit über 1 Mrd. Dollar. Allerdings fallen hierunter auch Forschungen, die andere Aufgaben mit Hilfe von Lasern ermöglichen sollen und keine eigentlichen Waffen sind. Das TRIAD-Programm der Defence Advanced Research Project Agency (DARPA), die mit der Entwicklung der Weltraumwaffen beauftragt ist, kostet 1984 insgesamt etwas mehr als 150 Mill. Dollar, die aufgewendet werden zur Entwicklung eines Hochenergielasers, des Zielspiegels und des Zielerfassungssystems.

Literatur:

Forschungshaushalt:

Laser Focus 5/82 und 10/83, Laser and Applications 6/83

Weltraumlaser:

Physics Today 8/83; Programm in Science and Technology for International Security Report No. 6; Dept. of Physics, MIT, Cambridge, Mass. 02139, 1980; Laser and Applications 9/83, Laser Focus 2/81 und 1/82; Spektrum d. Wissenschaften 2/82; Laser and Applications 11/83; VDI-Nachrichten 4.11.83; Spiegel 9.1.84; Frankfurter Rundschau 4.4.84/20.7.83

Lasertypen:

Laser Focus Buyer's Guide 1984; Laser Focuss 1/82, 9/81, 1/83, 10/83; Photonics 7/83, Laser Handbook Vol. 3 ed M.L. Stitich, North Holland Publishing Company, 1979, Physik i. u. Zeit 6/73, 3/82, 2/80; Laser and Applications 9/82

Anwendungen:

Topics in applied physics Vol.14 Springer, Heidelberg, Berlin, New York 1976; Photonics 8/83, 1/83; Laser Focus 11/80 4/81, 6/81 8/ 82, 4/82, 11/83; Laser and Applications 9/81

Horst Kremmling ist Diplomphysiker in Mainz

erschienen in: Wissenschaft & Frieden 1984/2 1984-2, Seite