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Nobelpreis für Physik: Blitzschnelle Technik, lange Leitung

Ohne sie gäbe es weder das globale Dorf, noch die digitale Fotografie: Für die Entwicklung von Glasfasern und sogenannten CCD-Sensoren haben heute drei Forscher den Nobelpreis für Physik erhalten. Doch was steckt hinter diesen Techniken?

Das Nobelpreiskomitee hat sich Zeit gelassen, um eine blitzschnelle Technik auszeichnen: Rund vier Jahrzehnte nach den bahnbrechenden Forschungserfolgen, die die Grundlagen für eine schnelle Datenübermittlung im Internet und für die Digitalfotografie legten, erhalten die Wissenschaftler Charles Kao, Willard Boyle und George Smith den Nobelpreis für Physik.

Der gebürtige Chinese Kao legte die Grundlagen für den rasend schnellen Datentransport über Glasfasern. Sein früherer Mitarbeiter Richard Epworth vergleicht die Technik mit der Erfindung des Rads: "Was das Rad für den Transport war, war das Glasfaserkabel für die Telekommunikation." E-Mails, Videos oder Telefongespräche, die dabei in optische Signale umgewandelt werden, können nun rasend schnell übertragen werden. Gebremst wird der Informationsaustausch nur noch bei der Rückumwandlung der optischen in elektronische Signale.

Ein Tunnel für Photonen

Die Basis von Glasfaserkabeln ist reiner Quarz (chemisch Siliziumdioxid), der bei sehr hohen Temperaturen geschmolzen und zu ultradünnen Fäden gezogen wird. Jede Faser ist dünner als ein Haar und besteht aus einem Kern, einem Mantel und einer schützenden Kunststoffhülle. In den Kern - der mit bloßem Auge kaum zu erkennen ist - wird Licht bestimmter Wellenlängen eingeleitet. Trifft es auf die Grenze zum Mantel, wird es komplett reflektiert, da der Mantel aus Glas mit deutlich niedrigerem Brechungsindex besteht. Auf diese Weise wandert das Licht im Zick-Zack-Kurs den Kern der Faser entlang. Die Lichtteilchen, sogenannte Photonen, können mit Lichtgeschwindigkeit mehr als 100 Kilometer weit durch ein Glasfaserkabel jagen - Anfang der 60er Jahre schaffte man gerade mal 20 Meter. Die Übertragungskapazität der Kabel, in denen mehrere Glasfasern gebündelt werden, ist daher enorm. Glasfaserkabel benötigen zudem weniger Platz als solche aus Kupfer und sind leichter, ihr Rohstoff Siliziumdioxid steht praktisch unbegrenzt zur Verfügung.

Heute läuft ein Großteil der weltweiten Kommunikation über Glasfasernetze, die die Kontinente verbinden. Würde man alle diese Kabel zusammenknüpfen, erhielte man eine Glasfaser von mehr als einer Milliarde Kilometer. Anwendung finden Glasfasern auch in Computer-Prozessoren, wie Lukas Eng vom Dresdner Institut für Angewandte Photophysik erläutert. Zudem sind sie aus der modernen Medizin nicht mehr wegzudenken: Die Endoskopie und die sogennante mininalinvasive Chirurgie, die bei Operationen mit wenig Schnitten auskommt, bauen auf Kaos Technik auf.

Eine technische Revolution

Der gebürtige Chinese erhält die eine Hälfte des mit insgesamt über einer Million Euro dotierten Preises, die andere Hälfte teilen sich die US-Amerikaner Boyle und Smith. Die heute 85 und 79 Jahre alten Forscher waren eigentlich auf der Suche nach einer Möglichkeit, Daten zu speichern als sie 1969 einen Chip entwickelten, der ein Bild in elektronische Informationen zerlegt und speichert. Ihr CCD-Sensor (Charge-Coupled Device) nutzt den bereits von Albert Einstein beschriebenen photoelektrischen Effekt, bei dem Licht in elektrische Signale umgewandelt wird. Eine Herausforderung bei der Entwicklung eines solchen Chips war es, Signale von vielen Bildpunkten - sogenannten Pixeln - in kürzester Zeit auszulesen.

Mit dem CCD-Sensor, der eine technische Revolution auslöste, war dies möglich. Die Digitalfotografie eroberte den Massenmarkt, wenngleich in modernen Apparaten keine CCDs mehr eingebaut werden, sondern eine Weiterentwicklung, sogenannte CMOS-Sensoren, wie Lothar Strüder vom Münchner Max-Planck-Institut Halbleiterlabor erläutert. Der lichtempfindliche Sensor ist aber auch für die Astronomie und die Spektroskopie ein Durchbruch, erklärt Strüder. Die faszinierenden Blicke des Weltraumteleskops "Hubble" etwa sind ohne CDD nicht denkbar - von dort werden die gepixelten Bilder per Funk zur Erde geschickt.

DPA/AP / AP / DPA
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