UV-Licht zum Verständnis des Klimawandels
FWF: Ihre Messmethode ist völlig neuartig. Worum geht es? Birgitta Schultze-Bernhardt: Es handelt sich im Prinzip um Spektroskopie. Dabei fächern wir Licht nach Farben auf – wie bei einem Regenbogen. Wenn man in diesen Strahl eine Probe hält, dann wird man sehen, dass unterschiedliche Farben unterschiedlich stark verschluckt werden. Die Signatur, die dabei entsteht, kann sehr charakteristisch für ein bestimmtes Element sein, wie ein Fingerabdruck. FWF: Worin liegt bei Ihrer Methode die Besonderheit? Schultze-Bernhardt: Wir verwenden eine Versuchsanordnung, die Lichtquelle und Spektrometer in einem ist. Das Besondere ist, dass sie sehr stabile Laser beinhaltet, die sogenannten Frequenzkämme, für deren Erfindung mein Doktorvater Theodor Hänsch 2005 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Diese Laser arbeiten meist im Infrarotbereich. Das ist gut und praktisch, weil sich damit Schwingungen und Rotationen von Molekülen sehr gut untersuchen lassen. Es gibt aber noch keinen solchen Laser, der direkt im UV-Bereich emittiert. Dabei ist gerade der UV-Bereich interessant. FWF: Warum der UV-Bereich? Schultze-Bernhardt: Weil chemische Reaktionen durch UV-Licht angeregt werden. Das Problem ist, dass Laser kein UV-Licht emittieren können, weil für solche Wellenlängen keine Verstärkungsmedien existieren. Es gibt aber eine Möglichkeit, optische Methoden zu nutzen, um infrarotes Licht in ultraviolettes Licht umzuwandeln. Der Prozess ist allerdings sehr ineffizient. Wir nutzen Hochleistungslaser, um am Ende gerade genug UV-Licht übrigzuhaben, um damit Experimente zu machen. In den vergangenen Jahren hat sich die Lasertechnologie weiterentwickelt, und ich habe in meiner Doktorarbeit und Postdoc-Zeit sehr intensiv an dieser Methode gearbeitet, sodass wir jetzt an diesem Punkt sind, das zu nutzen, um endlich Spektroskopie damit zu betreiben. Dank dieser Lichtquelle können wir eine Million Mal schneller messen als vergleichbare, traditionelle Spektrometer. Und das ist sehr aufregend.
„Wir können nun eine Million Mal schneller messen als vergleichbare, traditionelle Spektrometer. Und das ist sehr aufregend.“
FWF: Was wollen Sie untersuchen? Schultze-Bernhardt: Wie infrarote Strahlung mit der Atmosphäre wechselwirkt, darüber ist recht viel bekannt. Über den Ultraviolettbereich ist nicht so viel bekannt. Diese Strahlung hat eine so hohe Energie, dass sie viele photochemische Prozesse in der Atmosphäre in Gang setzen kann. Diese erzeugen über Kaskaden von Effekten Infrarotstrahlung, die direkt die Atmosphäre aufheizt, erzeugen aber auch neue Moleküle, indem sie Luftbestandteile aufspalten, etwa Stickstoffdioxid, das über weitere Prozesse zu Ozon werden kann. Mein Projekt bietet eine ganz besondere Möglichkeit: Mit sehr hoher spektraler Auflösung und sehr breitbandig zu arbeiten – also mit ganz vielen Farben auf einmal. Das bedeutet, dass wir komplexe Gasgemische untersuchen können und noch dazu zeitaufgelöst. Wir können im Labor praktisch ein Video von chemischen Prozessen in Echtzeit aufnehmen, die auch in der Atmosphäre passieren können. FWF: Wie wird der erste Schritt aussehen? Schultze-Bernhardt: Die Laser, die wir nutzen, emittieren wie gesagt im Infrarotbereich und wir können das Licht durch nichtlineare Optik erst einmal in sichtbares Licht umwandeln. Von dort machen wir schrittweise weiter, verschieben das Licht in den blauen, in den lila Spektralbereich und schließlich ins UV. Tatsächlich gibt es in jedem dieser spektralen Fenster unterschiedliche Gase von atmosphärischer Relevanz, die da ihre ganz eigenen Verhaltensweisen haben. Wir wollen im sichtbaren Licht mit Stickstoffdioxid beginnen. FWF: Was ändert sich für Sie durch den Gewinn des START-Preises? Schultze-Bernhardt: Natürlich ist es für mich ausgezeichnet, dass ich die nächsten Jahre genau dieses Ziel verfolgen kann. Ich hatte genug Zeit, mir das vorab zu überlegen, Vorstudien zu leisten. Ich weiß genau, was interessant ist, was wir uns anschauen wollen, und kann das jetzt finanziell abgesichert aufbauen, was sich seit meiner Doktorarbeit entwickelt hat. FWF: Was motiviert Sie besonders an dieser Arbeit? Schultze-Bernhardt: Ich will als Wissenschaftlerin manches einfach genau wissen. Man kennt manche Prozesse in komplexen Gasgemischen wie der Atmosphäre ungefähr. Man weiß, dies und jenes kann passieren. Aber man weiß nicht, was machen die Elektronen dabei genau, wie schnell sind sie dabei? Diese Möglichkeit, dass wir tatsächlich im Labor durch diverse Tricks diese unvorstellbar schnellen Prozesse aufnehmen können, und das auch noch schön aussieht – das ist es, was Spaß macht. FWF: Also ist es die Begeisterung für die Grundlagen. Oder spielt die Anwendung auch eine Rolle? Schultze-Bernhardt: Das Interesse wächst gerade. Ich komme komplett aus der Grundlagenforschung und finde jetzt gerade diesen neuen Aspekt, dass das von unmittelbarer Relevanz für den Alltag sein kann, sehr spannend. Mir gefällt, dass man mit recht abstrakter Grundlagenforschung Fragen beantworten kann, die für uns so wichtig sind.
Birgitta Schultze-Bernhardt forscht am Institut für Experimentalphysik und am Institut für Materialphysik der Technischen Universität Graz. Sie interessiert sich für Licht, insbesondere für Kurzpulslaser und Frequenzkämme als besondere Laserlichtquellen und ihre Anwendungen. Schultze-Bernhardt hat an der Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität in München und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching unter Physik-Nobelpreisträger Theodor W. Hänsch promoviert.
Zum Projekt „ELFIS“ steht für Elektronische Fingerabdruck-Spektroskopie. Das Ziel ist, lichtinduzierte chemische Veränderungen von Molekülen, die als Spurengase in der Atmosphäre vorkommen, zu untersuchen. Die dazu verwendeten sogenannten Frequenzkämme erlauben es, diese Untersuchungen in einem breiten Spektralbereich durchzuführen und gleichzeitig extrem hohe Zeitauflösung von Femtosekunden zu erreichen – billiardstel Sekunden.
Der START-Preis Das START-Programm des Wissenschaftsfonds FWF richtet sich an junge Spitzenforschende, denen die Möglichkeit gegeben wird, auf längere Sicht und finanziell weitgehend abgesichert ihre Forschungen zu planen. Es ist mit bis zu 1,2 Millionen Euro dotiert und zählt neben dem Wittgenstein-Preis zur prestigeträchtigsten und höchstdotierten wissenschaftlichen Auszeichnung Österreichs.
