Je leest:

‘Kernafval opruimen met lasers, dat moet kunnen’

‘Kernafval opruimen met lasers, dat moet kunnen’

Interview met Nobelprijswinnaar Gérard Mourou

Auteur: | 17 mei 2019

Het standaardgereedschap voor een oogcorrectie of het graveren van een materiaal was er niet geweest zonder het werk van Gérard Mourou. De Nobelprijswinnaar die in de jaren 80 met Donna Strickland een echte krachtpatser van de laser maakte, voorziet nog veel meer mogelijkheden.

Gérard Mourou (1944) behaalde zijn master in 1967 aan de Université Grenoble-Alpes en promoveerde in 1973 aan de Université Pierre-et-Marie-Curie in Parijs. Daar vertrok hij naar de Verenigde Staten waar hij aan de University of Rochester in 1985 samen met zijn student Donna Strickland het principe van chirped pulse amplification bedacht. Uiteindelijk keert hij terug naar Frankrijk. In 2018 wint Mourou de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor zijn ontdekking, samen met Strickland en Arthur Ashkin.

Een laser die zo oogverblindend sterk is dat hij voor een fractie van een seconde meer vermogen heeft dan alle elektriciteitscentrales in de wereld bij elkaar. In Roemenië vuurde een laser van de Extreme Light Infrastructure vorige maand voor het eerst met een recordvermogen van 10 petawatt. Wetenschappers willen de gloednieuwe laser gebruiken om de interactie tussen licht en materie tot in de extremen te onderzoeken.

Aan de technische basis voor dit lasergeweld stond onder andere de Franse fysicus Gérard Mourou. Samen met de Canadese natuurkundige Donna Strickland ontwikkelde hij in de jaren 80 een manier om de kracht van een laserbundel enorm op te pompen. De laser werd duizenden tot uiteindelijk zelfs miljoenen keren sterker. Dat maakte het een handig instrument voor materiaalonderzoek, maar ook een standaardgereedschap in oogcorrecties of voor het bewerken van materialen. Afgelopen jaar wonnen Mourou en Strickland met de Amerikaanse natuurkundige Arthur Ashkin de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Mourou is een optimist, want naast het huidige palet aan toepassingen schetst hij de ene na de andere nieuwe mogelijkheid. Lasers voor precisiebehandelingen van tumoren, lasers voor het opruimen van radioactief afval. Lasers redden de wereld als het aan Mourou ligt. NEMO Kennislink spreekt hem in een Amsterdams hotel als hij op bezoek is voor het FYSICA-symposium.

Meneer Mourou, zo’n laser van tien petawatt (10.000.000.000.000.000 watt), is dan niet gevaarlijk?

“Als ik met mensen over dit onderzoek praat dan krijg ik vaak de suggestie dat we dit meteen moeten gebruiken in het leger, om vijandelijke vliegtuigen of tanks uit te schakelen. Ik moet dan altijd uitleggen dat onze laserpulsen maar een joule aan energie bevat. Jouw ontbijt van vanmorgen heeft al miljoenen keren meer energie aan verbrandingswaarde dan onze laserpuls. Met zo’n laser kun je een tank kietelen, maar uitschakelen is onmogelijk. Dat vind ik ook een prachtige eigenschap van deze techniek.”

Onderzoekers aan het werk met lasers van de Extreme Light Infrastructure.

Hoe kan een laserpuls met zó weinig energie zoveel vermogen hebben?

“Het komt allemaal neer op het tijdbestek waarin je de energie aflevert. Stel je weet met een laser een joule energie in een tijdsbestek van een femtoseconde (0,000.000.000.000.001 seconde) te proppen, dan heeft het een vermogen van een petawatt. Ter vergelijking, dat is ruwweg duizend keer het vermogen van alle elektriciteitscentrales in de wereld bij elkaar. Maar die ongelofelijke kracht hebben we dus ook maar ongelofelijk kort.”

In die korte tijd kan zo’n laser dus nuttig zijn voor onderzoek. Wat doen jullie ermee?

“We onderzoeken hoe licht reageert met materie. Door bijvoorbeeld heel kort met een lichtbundel op een atoom te schijnen, kun je het gedrag van de elektronen die om te atoomkern draaien onderzoeken. Met onze krachtige lasers kunnen we die elektronen bovendien versnellen tot geweldige energieën. Wat je dan kunt doen is een model maken voor de condities in de buurt van een zwart gat, waar deeltjes ook worden versneld. We kunnen die extreme omstandigheden dus gewoon in een laboratorium op aarde onderzoeken.”

Nobelprijswinnaars Donna Strickland en Gérard Mourou. Ze ontvingen de prijs in de categorie Natuurkunde in 2018.

Chirped pulse amplification

Omdat er een limiet zat aan het versterken van een laser (zonder hem kapot te maken) bedachten Gérard Mourou en Donna Strickland in de jaren 80 een truc. Door een korte laserpuls door een glasvezelkabel te sturen, worden de verschillende kleuren in dat licht in die kabel als een soort regenboog uitgesmeerd. De verschillende kleuren hebben namelijk een net iets andere snelheid.

Na het ‘uitsmeren’ van het licht is het wél te versterken met bestaande technieken. Door dit versterkte licht vervolgens met een zogenoemde compressor weer op elkaar te drukken, ontstaat een zeer korte en krachtige puls. Het werd een standaardtechniek voor het maken van krachtige lasers. Lees er meer over in dit artikel op NEMO Kennislink.

Lasers worden vandaag de dag gebruikt voor chirurgie of het snijden van materialen. Hadden jullie toentertijd enig benul van de mogelijke toepassing van sterke lasers?

“Helemaal niet. We hadden misschien een idee van wat voor onderzoek we ermee konden doen, bijvoorbeeld het versnellen van elektronen in atomen. Al die andere toepassingen hadden we nooit voorzien, maar vonden wel razendsnel hun weg naar de maatschappij. Dit is het mooie van fundamentele wetenschap.”

En naast de huidige toepassingen heeft de laser misschien nog veel meer in huis voor ons.

“De mogelijkheid om deeltjes te versnellen is erg interessant. Nu lukt het ons om deeltjes over een afstand van slechts een centimeter een energie van enkele gigaelektronvolt mee te geven. Dat is ongelofelijk, als je het vergelijkt met sychrotronversnellers met een vergelijkbare energie die honderden meters groot zijn. Eigenlijk heb je met een laser een deeltjesversneller in je hand. Misschien kunnen we dat uiteindelijk gebruiken voor medische toepassing, bijvoorbeeld protontherapieën waarbij je tumorweefsel heel gericht bestraalt.

Vaten met radioactief afval bij het COVRA bij het Zeeuwse Borssele.
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Of we kunnen het langlevend radioactief afval uit kerncentrales bestralen en het kortlevend maken. Stoffen zoals americium en neptunium hebben halfwaardetijden van honderden of miljoenen jaren. Door neutronen op de atoomkernen van deze ‘zware jongens’ te schieten, kunnen we ze wellicht opbreken in lichtere stoffen met veel kortere halfwaardetijden. Dagen, uren of zelfs minuten. Hopelijk kunnen kleine en goedkope deeltjesversnellers helpen om van ons afval af te komen. Met dat in het achterhoofd denk dat kernenergie de beste energiebron voor de toekomst is, omdat het geen koolstofdioxide produceert."

U zegt dat lasers efficiënte deeltjesversnellers zijn. Kunnen we apparaten als de Large Hadron Collider (LHC) straks opdoeken?

“Er zijn veel wetenschappers die denken dat we deeltjesversnellers in de toekomst fundamenteel anders moeten aanpakken. De LHC heeft een omtrek van 27 kilometer, plannen voor een volgende versneller gaan uit van een omtrek van honderd kilometer. Ik denk dat dit de laatste machine is de we kunnen bouwen. We kunnen nu geen machine van duizend kilometer bouwen. Lasers zouden deeltjesversnellers veel kleiner kunnen maken. Overigens is het nog niet zover. Voor een efficiënte versneller moet je veel deeltjes tegelijk versnellen, maar daar zijn lasers vooralsnog niet zo goed in.”

De National Synchrotron Light Source II in de Verenigde Staten. De deeltjesversneller versnelt elektronen tot een energie van drie gigaelektronvolt.

Al die toepassingen waren niet mogelijk zonder jullie experiment in de jaren 80 (zie kader). Ging dat van een leien dakje?

“Ik weet nog dat we problemen met de glazvezelkabel hadden, die brak namelijk! Het bedrijf Corning had een spoel gedoneerd van twee kilometer. De dikte was maar tien micrometer, een vijfde van de dikte van een haar. Eén uiteinde ervan hadden we zo gevonden, maar de andere zat in die spoel. Om hem te vinden moesten we hem hemelaal afrollen en daarbij brak hij in de buurt van het midden. Donna stond zowat te huilen.

We hadden nu dus twee stukken van een kilometer terwijl juist de lengte van de (onbeschadigde) kabel belangrijk is. Het experiment was daarmee een stuk moeilijker geworden, maar het bleek genoeg om het principe van chirped pulse amplification te bewijzen."

Had u altijd al een fascinatie voor natuurkunde?

“Een moment dat ik me nog van mijn jeugd herinner, is dat mijn vader me vertelde dat het licht van de maan er een seconde over doet om de aarde te bereiken. Ik was een jaar of negen en zwaar onder de indruk. Ik was gefascineerd door de natuurkunde en wetenschap, ik weet nog dat ik met mijn vader discussieerde over de mogelijkheid dat er leven op Mars bestond.”

Donna Strickland is in meer dan honderd jaar tijd pas de derde vrouw die de Nobelprijs voor de Natuurkunde wint. Maakt dit jullie prijs extra bijzonder?

“Zeker. Helaas is dit een afspiegeling van het lage aantal vrouwen dat in natuurkundig onderzoek werkt.”

Uitgelicht door de redactie

Klimaatwetenschappen
Je bent niet (veel) sneller thuis nu de snelheid wordt verlaagd

Maatschappijwetenschappen
Kom jij nog wel uit je eigen filterbubbel?

Scheikunde
Verborgen schatten in ons afvalwater

Is uw leven anders sinds het winnen van de Nobelprijs?

“Mijn leven staat op zijn kop. Waar ik eerst vooral bezig was met wetenschap heb ik daar nu nauwelijks tijd voor. Ik reis de wereld rond voor lezingen. Ik geloof dat ik meer dan honderd uitnodigingen heb liggen. In principe is het een fulltime-baan.”

U strijkt een mooi geldbedrag op, mensen staan in de rij om u te ontmoeten en ze luisteren naar u. Heeft het winnen van de Nobelprijs alleen maar voordelen?

“Over het algemeen heeft het veel voordelen. Deuren gaan open en het is mooi om op zoveel plekken te mogen vertellen wat ik doe. Zo’n prijs helpt het vakgebied ook denk ik. Maar ik moet ook voorzichtiger zijn met wat ik zeg. Neem bijvoorbeeld dat onderzoek naar de mogelijkheden om kernafval op te ruimen. Ik praat daar al jaren over, maar toen ik de prijs won en ik dit aan journalisten vertelde, verschenen er artikelen waarin stond dat de Nobelprijswinnaar wel even een oplossing voor het kernafvalprobleem had bedacht. Onzin, er moet hiervoor nog zoveel gebeuren. Dat ik het graag wil, betekent niet dat ik er meteen een oplossing voor heb.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 17 mei 2019

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.