Forschung

Vom Molekül zur Galaxie

Die Spektroskopie ins 21. Jahrhundert zu führen – das ist die Mission von innoFSPEC Potsdam, einem Gemeinschaftsprojekt des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) und Physiochemikern der Universität Potsdam. Zwei Light-Alliance-Mitglieder sind Partner dieser ungewöhnlichen Ansatzes.

Vor etwa 50 Jahren hat man erstmals ein auf Lichtleitfasern basiertes Endoskop gebaut. Der Riesenvorteil: Man konnte dank seiner Biegsamkeit in Körperöffnungen gehen und Organe von innen untersuchen kann. Allerdings ist es ein rein bildgebendes Verfahren, mit das nur einseitige spektrale Informationen liefert. „Wir möchten mit Vielkanalspektroskopie eine komplette spektroskopische Diagnose ermöglichen“, sagt Martin Roth. Ärzte könnten einen Körper mit Laser beleuchten und die Fluoreszenz analysieren. Das würde umfassende Untersuchungen ermöglichen, die derzeit nur durch Biopsie möglich sind - gerade bei Krebserkennung ein gewaltiger Fortschritt.

Die Spektroskopie ins 21. Jahrhundert zu führen – das ist die Mission von innoFSPEC Potsdam, einem Gemeinschaftsprojekt des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) und der Universität Potsdam. Das Zentrum wurde 2009 von Astrophysiker Martin Roth (AIP) und dem Physikochemiker Hans-Gerd Löhmannsröben (Universität Potsdam) gegründet. Es erforscht Fasersensorik und Vielkanalspektroskopie und ist auf bestem Wege, die weltweit führende Einrichtung auf diesem Gebiet zu werden. Partner des innovativen Projekts sind unter anderem die Light-Alliance-Mitglieder SPECTARIS und Berliner Glas.

Eine ungewöhnliche Kombination

Astrophysiker und Physikochemiker an einem Institut – eine ungewöhnliche Kombination. Als die Martin Roth und Hans-Gerd Löhmannsröben vor einigen Jahren am Rande einer Veranstaltung ins Gespräch kamen, stellten sie allerdings fest, dass sie mit sehr ähnlichen Methoden experimentieren, mit Faseroptiken und Spektrographen. So kamen sie auf die Idee, ein gemeinsames Projekt zu entwickeln. Sie bauten ein Team auf, entwickelten eine Strategie, eine Art Business-Plan, und fanden ein Motto: vom Molekül zur Galaxie.

Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf der Lichtmanipulation mittels faseroptischer Spektroskopie und Sensorik. Faseroptik beruht auf dem Prinzip der Lichtleitung in Glasfasern und anderen Medien. Erforscht werden neue Technologien, die damit möglich sind: miniaturisierte optische Komponenten, Applikationen für die Materialanalyse, photonische Filter oder Vielkanalspektroskopie. „Ich glaube, es gibt bisher keine vergleichbare interdisziplinäre Forschergruppe auf diesem Gebiet“, sagt Roth. Man muss ja auch erst einmal auf die Idee kommen, die beiden Disziplinen zu vereinen: Es ist ein großer Unterschied, ob man sich mit dem Sauerstoffgehalt in lebenden Zellen beschäftigt oder dem von ganzen Galaxien. Und doch: Die Methode ist ähnlich, eine Zusammenarbeit durchaus sinnvoll.

Handfläche statt Lkw

Aufgabe ist zunächst Grundlagenforschung, aber daraus werden sich Innovationen ergeben, die für viele Branchen interessant sind. Ein Beispiel ist das Projekt „Integrierte photonische Spektrographen“. „Wenn Sie heute einen Spektrographen entwickeln, der die Leistungsfähigkeit besitzt, wie sie Astrophysiker benötigen, dann bekommen Sie nur Geräte, die mehrere hundert Kilogramm wiegen und so groß sind wie ein Lkw“, so Roth. Es gebe viele Bereiche in der Industrie, in denen man gerne solche Geräte einsetzen würde, es aber wegen der Größe und auf Grund der hohen Kosten nicht kann.

Die Forscher nutzen photonische Dispersionstechniken wie Arrayed Waveguide Gratings, um miniaturisierte Spektrographen-Module zu entwickeln. „Wir wollen die Spektrographen sozusagen als optischen Chip realisieren“, sagt Roth. Die Technologien seien in der IT-Industrie bereits vorhanden. „Wenn wir sie erfolgreich adaptieren, würden wir die Komplexität eines 200-Kilogramm-Gerätes auf einer Handfläche unterbringen.“

Als Astrophysiker bringt Martin Roth eine besondere Perspektive in die Photonik ein. Die Eigenschaften von Lichtleitfasern hängen sehr stark von der Materialauswahl ab. Glas und andere optische Medien absorbieren je nach Wellenlänge mehr bzw. weniger Licht. Astrophysiker müssen mit jedem Photon geizen, wenn sie ferne Objekte im Weltraum beobachten möchten. Sie kennen deshalb Verfahren, mit denen sie die Lichtverluste charakterisieren können – und somit helfen, das Materials für Lichtleiter zu optimieren.

innoFSPEC stieß auf eine sehr positive Resonanz bei vielen Wissenschaftlern und in der Photonik-Industrie. „Wir scheinen ein brisantes Thema besetzt zu haben“, sagt Roth. „Wir werden das Zentrum also sicher weiter ausbauen.“ Er kann sich gut vorstellen, dass die eine oder andere Technologie aus dem Projekt bald industriell verwertbar sein werde.

Weitere Informationen:
http://www.innofspec.de