Traktorstrahl und Lichtpinzette

30. Oktober 2012 von Joachim Schulz in Experimentelles

Am Donnerstag machte ein Artikel auf Pro-Physik mit dem schönen Titel „Traktorstrahl, Mr. Spock!“ die Runde. Er endet mit der Aussicht, dass die NASA diese Strahlen verwenden könnte, um "über große Entfernungen hinweg den Staub von Kometen einsammeln." Diese nach Science-Fiction klingende Meldung aus einem etablierten wissenschaftlichen Portal ist natürlich spannend. Da das Verfahren meine aktuelle Arbeit berührt, habe ich mir gleich mal den Originalartikel angesehen. Was ist an diesem Artikel spannend und ist der Ausblick auf eine Anwendung bei der NASA realistisch?

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Optische Pinzette. Schemazeichnung aus der Wikipedia von Roland Koebler. Lizenz:CC-BY

Um das Prinzip hinter diesen Traktorstrahl zu verstehen, ist es sinnvoll, sich einmal mit der optischen Pinzette zu befassen. Lichtbrechende Teilchen, lassen sich in einem fokussierenden Strahl festhalten und können mit diesen Strahl bewegt werden, wie mit einer Pinzette. Wie das geht ist im Bild rechts dargestellt. Das optisch dichtere lichtbrechende Objekt bricht das Licht beim Eintritt zur Flächennormalen hin und beim Austreten von der Flächennormalen weg. Die Nettoablenkung des Lichtstrahles bewirkt eine Kraftübertragung. Ähnlich wie ein Seegelboot auch schräg gegen den Wind segeln kann, kann so eine Kraft auch gegen die Strahlrichtung des Lichts auftreten.

Diesen Effekt, dass Teilchen in ein Gebiet hoher Lichtintensität hineingezogen werden, nutzen die Physiker David B. Ruffner and David G. Grier, um Mikrometer große Kügelchen etwa 30 Mikrometer weit kontrolliert zu bewegen. Dabei kommen aber nicht einfache fokussierte Lichtstrahlen zum Einsatz, sondern die Überlagerung zweier Bessel-Strahlen.

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Erzeugung eines einfachen Bessel-Strahls. Eigene Zeichnung.

Ein Bessel-Strahl wird erzeugt, indem ein Laser aufgefächert und von durch eine kreisfömige Blende geschickt wird. Hinter dem so erzeugten Leuchtenden Ring befindet sich ein Mikroskopobjektiv, das die von dem Ring ausgehenden Teilstrahlen in seinem Fokusbereich vereinigt und dort ein Intensitätsmaximum im Zentrum erzeugt, den Besselstrahl. Links habe ich die Erzeugung solch eines Strahls skizziert. Ein Besselstrahl ist also nicht einfach ein Lichtstrahl, in dem die Lichtwellen sich entlang des Strahls ausbreiten. Vielmehr wird der Strahl von allen Seiten in einen begrenzten Raumbereich hineinprojeziert. Das Licht kommt nicht den Strahl hinunter, es strahlt seitlich auf das zu bewegende Objekt ein.

Die Experimentatoren geben sich jedoch nicht damit zufrieden, einen Besselstrahl zu erzeugen. Sie erzeigen zwei Ringe, die sie im selben Raumbereich miteinander überlagern. Dadurch einsteht ein Besselstrahl, der abwechselnd intensive und weniger intensive Bereiche hat. Die Positionen und Abstände dieser hellen Bereiche können durch Verändern der Ringdurchmesser variiert werden. So können die Experimentatoren die hellen Bereiche wie ein Laufband gezielt hoch oder runter laufen lassen.

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Die Erzeugung zweier überlagerter Bessel-Strahlen

Durch den Effekt der optischen Linse lässt sich im Prinzip in jedem Intensitätsmaximum unabhängig ein Teilchen speichern und die Teilchen können wie auf einem Förderband auf und ab gesteuert werden. Das haben die Experimentatoren in der Veröffentlichung demonstriert. Die beförderten Teilchen sind dabei etwa einen Mikrometer groß gewesen und über etwa 30 Mikrometer bewegt worden. Stattgefunden hat das ganze in einer Flüssigkeit auf einem Mikroskop-Objektträger.

Interessant ist die Frage, ob das Verfahren auch an Luft oder im Vakuum funktioniert. Für Luft sehe ich dabei kein Problem. Schon an Luft kann dieses Verfahren auch bei den kleinen Transportlängen im Bereich von wenigen Mikrometern sehr nützlich sein. Es ist möglich, biologische Objekte, zum Beispiel kleine Zellen oder große Viren, gezielt in den Fokus eines Lasers zu bewegen oder aufzuheben und anderswo abzusetzen.

Im Vakuum ist es schon etwas schwieriger, weil Reibung fehlt und ein einmal schwingendes Teilchen im Fokus nicht mehr so leicht zur Ruhe kommt. Das Kügelchen wird durch eine Kraft in das Zentrum des Lichtflecks gezogen, nimmt aber dabei so viel Geschwindigkeit auf, dass es genau so weit in die andere Richtung überschwingt, wie es anfangs vom Zentrum entfernt war. So wird es ohne bremsendes Medium wie Luft oder Wasser unbegrenzt schwingen.

Ich habe vor kurzem eine Demonstration gesehen, wie es auch im Vakuum möglich ist, die Schwingung eines im Fokus eines Lasers gefangenen Teilchens abzufedern. Die Schwierigkeit des Vakuums kann also überwunden werden. Damit bleibt die Schwierigkeit, die Methode für große Objekte anzuwenden. Als präzise Pinzette um kleine Objekte aufzuheben taugt diese Methode gut. Dafür kann die NASA sie vielleicht in zukünftigen Missionen verwenden. Soll das Objekt etwas größer sein, so wird es schwierig, sehr große Besselstrahlen zu erzeugen. Mit einem Traktorstrahl vom Raumschiff Enterprise lässt sich dieses mikroskopische Förderband nur mit viel Phantasie und gutem Willen vergleichen.


9 Kommentare zu “Traktorstrahl und Lichtpinzette”

  1. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Space debris removal with laser

    Grössere Objekte mit Licht zu bewegen wäre gerade für das Problem des space junks reizvoll, könnte der Laser doch von der Erde aus operieren.
    In Space debris External removal wird vorgeschlagen die thermischen Wirkung von Lasern zu benutzen oder aber direkt das Momentum, das die auftreffenden Photonen bewirken. Einen eigentlichen Traktorstrahl mit Bewegung hin zum Laser wie hier beschrieben wäre aber wohl nicht realistisch, denn ich nehme an der Wirkungsgrad, also das Verhältnis zum totalen Momentum, das die Photonen ausüben könnten, wenn sie direkt auf das Ziel gerichtet sind zum Momentum, dass sie in der Bessel-Konfiguration haben ist wohl zu klein. Hier ein Ausschnitt aus dem Wikipedia-Artikel:
    "Additionally, the momentum of the photons in the laser beam could be used to impart thrust on the debris directly. Although this thrust would be tiny, it may be enough to move small debris into new orbits that do not intersect those of working satellites. NASA research from 2011 indicates that firing a laser beam at a piece of space junk could impart an impulse of 0.04 inches (1.0 mm) per second. Keeping the laser on the debris for a few hours per day could alter its course by 650 feet (200 m) per day.[145] One of the drawbacks to these methods is the potential for material degradation. The impinging energy may break apart the debris, adding to the problem. A similar proposal replaces the laser with a beam of ions"

  2. Joachim Antworten | Permalink

    @Martin Holzherr

    Wenn Sie sich meine Zeichnungen mal ansehen, werden Sie erkennen, warum es ausgeschlossen ist, einen ausreichend ausgedehnten Besselstrahl von der Erde aus in den Weltraum zu projizieren: Man bräuchte eine extrem große Ringblende und eine Fokussiereinrichtung, die mindestens in der Größenordnung des Abstands ist, in den man den Besselstrahl erzeugen will. Nutzt man eine kleine Optik, so wird der Unterschied zwischen einem Besselstrahl un einem gewöhnlichen gaußschen Strahlenbündel nicht ins Gewicht fallen.

  3. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Mikrowellen

    Vielleicht könnte man Mikrowellen verwenden, und phasengesteuerte Richtantennen, die auf der Erde auf einer Kreislinie von mehreren tausend Kilometern Durchmesser aufgestellt sind.

    So ähnlich funktioniert ja auch die Very Long Baseline Interferometry in der Radioastronomie.

    Der gewöhnliche Strahlungsdruck hängt ja auch nur von der Leistung ab.

    Andererseits könnte man in einem so erzeugten Mikrowellenfokus unerwünschte Satelliten gleich verdampfen.

  4. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    @Karl Bednarik: Zielgebiet geostationär

    Ihr Mikrowellenvorschlag - kreisförmig platzierte Mikrowellensender auf der Erde, die ein Ziel im "Himmel" anstrahlen - scheint mir tatsächlich nahe an der Besselstrahlidee. Damit haben sie aber auch alle Nachteile der Besselstrahlkonfiguration, insbesondere, dass sie immer die gleiche Fokuslinie relativ zur Erdoberfläche anstrahlen.
    Wobei bei einem Kreisdurchmesser von hunderten von Kilometeren wohl doch eine Variabilität im Bereich von dutzenden von Kilometern möglich wäre.

    Mit Mikrowellen geeigneter Wellenlänge kann man übrigens Raketenantriebe realisieren. Es braucht dann aber Mikrowellengeneratoren im Mega-bis Gigawattbereich. Im Fokus der Mikrowellen befindet sich dann der Raketentreibstoff, der auf diese Art auf hohe Temperaturen erwärmt wird. Es wird geschätzt, dass damit SingleStage to Orbit-Systeme realisierbar sind.

  5. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Hallo Martin Holzherr,

    streng genommen können die Sender an beliebigen Orten stehen, und es kann sowohl die Zielrichtung als auch die Brennweite weitgehend variierbar sein, solange man die Phasenlage aller Sender richtig steuert.

    Im Prinzip stellt dann die Gesamtheit aller Sender eine Phased-Array-Antenne dar, die man rein elektronisch schwenken kann, fast völlig unabhängig von ihrer mechanischen Position.

  6. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    @Bednarik: Phased Array:grossesPotenzial

    Phased Arrays - wie von ihnen vorgeschlagen - haben tatsächlich viele Anwendungsgebiete. Hier möchte ich nur auf die Übertragung von Mikrowellen aus dem Weltraum zur Energieübertragung von SPS (solar power satellites) hinweisen.
    Der Original-Nasa-Artikel hat den Titel SPS-ALPHA: The First Practical Solar Power Satellite via Arbitrarily Large PHased Array und next big future berichtet darüber im ArtikelSolar Power Satellite via Arbitrarily Large PHased Array

  7. Der hpc Leser / LAserZ Antworten | Permalink

    Gut zusammen gefasst

    Hallo und vielen dank für die gute Zusammen Fassung. Ich habe zwar eine gute technische und physikalisch Vorbildung, doch kannte ich diese Besselstrahlen bisher noch nicht. Der Text war verständlich geschrieben, so dass auch ein nicht-Experte ihn verstehen konnte. Insofern danke, das ist ja ein spannend, faszinierendes Thema. ...

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