'Kernafval opruimen met lasers, dat moet kunnen'

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.”

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 de 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.”

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.

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.”