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Militärtechnologie: Laserwaffen: Star Wars wird Realität

Lange Zeit als Sciencefiction abgetan, stehen Laserwaffen nun kurz vor ihrem Einsatz - optische Fasern machen es möglich.
Satellit im Weltraum

Lautlos gleitet eine Flugdrohne über die trockene Landschaft von New Mexico – plötzlich gerät sie ins Trudeln und stürzt unkontrolliert zu Boden. Dann wird eine Granate in die Luft geschossen und fliegt in Richtung ihres Ziels am Boden – bis sie auf einmal aufblitzt und mitten im Flug explodiert.

So wird ein Geschoss nach dem anderen von einem unsichtbaren Infrarotstrahl ausgeschaltet, während sich der würfelförmige Aufbau auf dem großen, sandfarbenen Laster in der Wüste hin- und herbewegt. Diesen Prototyp einer Laserwaffe – den High Energy Laser Mobile Demonstrator (HEL MD) – hat der Luft- und Raumfahrtgigant Boeing aus Chicago in Illinois für die US-Armee entwickelt. Im Laster sitzt die Elektrophysikerin Stephanie Blount, starrt auf die Ziele am Bildschirm ihres Laptops und steuert den Laser mit dem Controller: "Wie bei einem Computerspiel", sagt sie.

Laserwaffen gibt es in Videospielen en masse, und Strahlenkanonen verschiedenster Art fanden sich schon vor Jahrzehnten in Sciencefiction-Storys, lange bevor der erste echte Laser 1960 vorgestellt wurde. Nun aber sind sie Realität geworden. Der Prototyp von Boeing ist dabei nur eine der vielen Waffen, die in den letzten Jahren in den USA und in Europa entwickelt wurden, hauptsächlich ermöglicht durch das Aufkommen relativ billiger, tragbarer und robuster Laser, die ihre Strahlen mit Hilfe optischer Fasern erzeugen.

Die Leistung dieser faseroptischen Waffen wird in Kilowatt gemessen und ist um Größenordnungen kleiner als die Megawattgeräte, die man einst für die "US Strategic Defense Initiative" entwickeln wollte – ein letztendlich erfolgloses Projekt des Kalten Krieges, bei dem ballistische Raketen mit nuklearen Sprengköpfen durch Laserstrahlen ausgeschaltet werden sollten.

Die modernen Waffen sind weniger ambitioniert, stehen dafür aber kurz vor der Umsetzung. Wie das System von Boeing zeigt, haben Laser genug Energie, um den von Terrorgruppen ausgehenden Gefahren wirksam entgegenzutreten – und das zu einem Bruchteil der Kosten konventioneller Abwehrsysteme. "Eine sehr günstige Lösung zum Ausschalten von billig hergestellten Waffen wie kleinen Granaten oder aus Kanalrohren selbst gebauten Raketen", erklärt Blount.

HEL MD feuert auf Geschosse
Prototyp einer Laserwaffe: Der High Energy Laser Mobile Demonstrator (HEL MD).

Ende 2014 demonstrierte die US-Navy, wie das auf einem Schiff montierte Laserwaffensystem namens LaWS sich gegen kleine Boote wenden kann, die etwa von Terroristen oder Piraten eingesetzt werden. Die noch experimentelle Waffe ist derzeit auf der USS Ponce installiert, die als Amphibientransportschiff im Persischen Golf stationiert ist.

Entwicklungsingenieure warnen jedoch vor allzu großem Enthusiasmus, weil vor dem endgültigen Einsatz noch viele Schwierigkeiten zu bewältigen sind – angefangen von größerer Energie der Waffen bis hin zu Problemen bei Nebel und bewölktem Himmel. Trotzdem nehmen viele Sicherheitsexperten Laserwaffen mittlerweile ernst. "Nach fast 50 Jahren Forschung steht das US-Militär heute an der Schwelle zum Feldeinsatz von operationstaktischen, gerichteten Energiewaffen", schrieb der Technologieexperte Paul Scharre vom Center for a New American Security (CNAS) in Washington, D.C. im April in einem Bericht.

Das Energieproblem

Waffenentwickler sind schon lange von Laserwaffen fasziniert – besonders groß war das Interesse in den 1980er und 1990er Jahren, als die Strategic Defense Initiative – mit Spitznamen Star Wars – hoch im Kurs stand. Die US-Ausgaben für die Entwicklung von Laserwaffen erreichten 1989 ihren Höhepunkt, und die Regierung gab nach Angaben des CNAS-Reports den heutigen Gegenwert von etwa 2,4 Milliarden US-Dollar aus. Seitdem läuft die Finanzierung wieder auf niedrigerem Niveau, und das ursprüngliche Ziel – der Abschuss von herannahenden, ballistischen Flugkörpern – blieb nach wie vor unerreicht.

Der Trick bei jeder Laserwaffe ist die Bündelung ihrer Energie in einem einzelnen Punkt, der klein genug ist, um das Ziel zu erhitzen und zu beschädigen. Zudem muss das Gerät für das Schlachtfeld ausreichend kompakt und gut transportierbar sein. Das ist leichter gesagt als getan. Die US-Luftwaffe rief zum Beispiel 1996 das "Airborne Laser"-Projekt als Beitrag zur Abwehr ballistischer Raketen ins Leben. Da es aber damals noch unmöglich war, die benötigten Megawatt optischer Energie elektrisch zu erzeugen, wählten die Entwicklungsingenieure einen Sauerstoff-Jod-Laser (COIL), der sie durch eine chemische Reaktion bereitstellte. COIL war jedoch so sperrig, dass er nur mit einer Boeing 747 transportiert werden konnte und wenig Platz für den Lasertreibstoff ließ. "Er brauchte abnehmbare Mischeinheiten, und die notwendigen Chemikalien wogen mehrere Tonnen", erinnert sich Paul Shattuck, der Leiter der Abteilung für gerichtete Energiesysteme bei Lockheed Martin Space Systems, das dem Projekt die Strahlkontrolltechnologie zur Verfügung stellte.

Ein anderes großes Problem war die Atmosphäre, sagt Phillip Sprangle, der als Wissenschaftler für gerichtete Energiephysik am Naval Research Laboratory in Washington, D.C. arbeitet. Der Laserstrahl wird nicht nur durch Staub und natürliche Turbulenzen gestreut, sondern wächst mit seitlicher Ausdehnung, was als "thermal blooming" (thermisches Blühen) bezeichnet wird. Wenn sich der Strahl mit sehr hoher Energie ausbreitet, erklärt Sprangle, "absorbiert die Atmosphäre Laserlicht und erhitzt dabei die Luft, wodurch sich der Laserstrahl ausdehnt" und wiederum Energie verbraucht.

Zumindest für dieses Problem gab es eine Lösung: adaptive optische Technologien, die von Astronomen bereits zur besseren Sicht auf die Sterne eingesetzt werden. Hierbei wird der Laserstrahl durch Spiegel so verformt, dass der Effekt der Turbulenzen wieder aufgehoben wird, also vergleichbar einer Brille zur Korrektur der Fehlsichtigkeit der Augen. "Während der Laserstrahl durch die Atmosphäre geschickt wird", erläutert Shattuck, "wird er begradigt und ist schön schmal, wenn er beim Ziel ankommt."

Laserwaffenplattform
Laserwaffenplattform | Der Prototyp einer Laserwaffe – der High Energy Laser Mobile Demonstrator – kann Drohnen abschießen.

Schon im Jahr 2010 konnte der Airborne Laser mit Hilfe der adaptiven Optik eine Rakete im Flug zerstören. Das Verteidigungsministerium hatte allerdings in der Zwischenzeit seine Begeisterung für Energiewaffen verloren, weil etliche logistische Probleme wie auch das Größenproblem nicht gelöst werden konnten. So wurde Anfang 2012 das Airborne-Laser-Programm völlig gestrichen und gleichzeitig die Finanzierung der Entwicklung von Hochenergielasern von den 961 Millionen US-Dollar im Jahr 2007 auf 344 Millionen US-Dollar im Jahr 2014 gekürzt.

Glasfasern im Rampenlicht

Das Geld wurde aber nicht völlig abgezogen, sondern für andere Projekte ausgegeben: Der so genannte Faserlaser versprach nämlich kostengünstigere Systeme. Faserlaser wurden erstmals 1963 hergestellt und seit den 1990er Jahren fast ausschließlich von IPG Photonics in Oxford in Massachusetts weiterentwickelt. Während andere Festkörperlaser zur Erzeugung des Strahls starre Kristallstäbe, -platten oder -scheiben verwenden und deshalb ziemlich groß sein müssen, nutzen Faserlaser dünne, optische Glasfasern, die zu kompakten Rollen gewickelt werden können. Die Glasfasern sammeln ihre optische Energie von Laserdioden, wie sie auch in billigerer, schwächer strahlender Art in DVD-Playern zu finden sind. Das Licht wird mit einer elektrooptischen Konversionseffizienz von über 30 Prozent zu höherer Energie verstärkt und hat so eine mindestens doppelt so hohe Effizienz gegenüber anderen Festkörperlasern, fast vergleichbar dem chemischen Laser COIL. Da Glasfasern lang und dünn sind, haben sie ein großes Oberfläche-Volumen-Verhältnis und können anfallende Hitze schnell abgeben – eine Fähigkeit, die dem Laser eine lange Lebensdauer und niedrigen Wartungsaufwand beschert.

Die Vorzüge der Technologie fanden in den 1990er Jahren großen Anklang, als diese Laser zur Verstärkung optischer Signale beim Transport von Internetdaten über Tiefseekabel zum Einsatz kamen. Doch seit Anfang des neuen Jahrtausends fokussiert sich IPG auf die Entwicklung von Industrielasern im Kilowattbereich, die zum Schweißen, Bohren und Schneiden eingesetzt werden und auch für Entwicklungsingenieure des Militärs von großem Interesse sind.

"Der Bürgermeister flehte: 'Bitte gebt mir irgendetwas zum Schutz!'"(Paul Shattuck)

Shattuck weiß noch, wie er und seine Kollegen bei Lockheed Martin etwa um das Jahr 2010 davon hörten, dass israelische Zivilisten durch Raketen aus dem Gazastreifen bedroht wurden. "Der Bürgermeister eines Dorfs wandte sich an die Öffentlichkeit und flehte: 'Bitte gebt mir irgendetwas, mit dem wir uns schützen können'", erzählt er. Das inspirierte Lockheed Martin zur Entwicklung des Area Defense Anti-Munitions (ADAM) Systems auf Basis eines handelsüblichen 10-Kilowatt-Lasers von IPG, wodurch die Kosten niedrig gehalten werden konnten. Seit 2012 hat das Unternehmen immer wieder demonstriert, dass ADAM verschiedene Ziele, wie Boote, Drohnen und simulierte kleinkalibrige Raketen, aus 1,5 Kilometer Entfernung ausschalten kann. Obwohl Lockheed Martin den Preis von ADAM nicht offenlegen will – auch nicht, ob eines bereits gekauft wurde –, ist das System nun angeblich zur Auslieferung an Kunden bereit.

Faserlaser
Faserlaser | In einem Faserlaser wird das Licht von Halbleiter-Laserdioden im Rand einer dünnen Glasfaser eingeschlossen, selbst wenn die Faser aufgerollt ist. Während das Licht durch den inneren, mit Schwermetallen dotierten Kern der Faser hin- und herreflektiert wird, erfolgt die Umwandlung in intensive Laserstrahlung.

Blount ist da weniger verschwiegen, zumindest was den HEL MD-Prototyp von Boeing angeht, der ebenfalls einen kommerziellen 10-Kilowatt-Faserlaser nutzt. Das System kann seine Energie von dem Fahrzeugmotor oder einem separaten Generator beziehen, erklärt sie, und "braucht weniger als zwei Tassen Treibstoff zum Abfeuern und Ausschalten mehrerer Ziele". Dadurch ist es viel billiger als konventionelle Raketen. "Eine preisgünstige Rakete kostet 100 000 US-Dollar und kann nur einmal abgeschossen werden", fügt der Direktor für gerichtete Energiesysteme bei Boeing David DeYoung hinzu. "Das Laserwaffensystem einmal abzufeuern kostet weniger als 10 US-Dollar."

Wie Blount betont, liegt das erneute Interesse an Laserwaffen an der weiterentwickelten Bilderkennung mit verbesserten Zielsystemen wie auch an der Lasertechnik selbst. "Je besser das Zielsystem ist, desto leichter kann der Strahl auf den verwundbarsten Punkt gelenkt werden." Durch computergesteuerte Zielsuche kann HEL MD völlig autonom arbeiten, was Boeing im Mai 2014 erfolgreich testete – dabei zeigten sich aber andere unerwartete Schwierigkeiten. Der Laserstrahl der Waffe ist lautlos und unsichtbar, und nicht alle Ziele explodieren bei der Zerstörung: So kann ein automatisierter Kampf schon zu Ende sein, bevor die Anwender des Systems überhaupt etwas davon merken. "Das Gefecht geht rasend schnell, und wenn man nicht ständig auf den Bildschirm starrt, bekommt man es vielleicht gar nicht mit", sagt Blount. "Damit wir das Abfeuern des Lasers hören, haben wir inzwischen ein Geräusch eingebaut – Soundclips aus Star Trek und Star Wars lassen sich dazu einstellen."

Stärke durch Kombination

Das System zum Zielen und Treffen mag einsetzbereit sein, aber die Energie ist immer noch ein Problem. Ein kommerzieller Laser mit einer Leistung von 10 Kilowatt liegt am unteren Ende dessen, was Laserwaffen benötigen. Der Einsatz von Glasfasern limitiert außerdem die Strahlenenergie und ihre Qualität – nicht zuletzt, weil sich die Glasfasern bei hohen Energien der Photonenkaskade schneller erhitzen, als die Energie überhaupt wieder abgegeben werden kann. Weil das dem Laser schaden kann, wollen die Ingenieure in Zukunft die Leistung mehrerer Laser kombinieren.

"Das allein wird gar nichts verändern"(Michael Carter)

Der beste Weg hierbei wäre die kohärente Kombination, bei der die Wellen der einzelnen Laser in eng synchronisierter Formation zusammenlaufen. Diese Technik wird bei Radio- und Mikrowellengeräten genutzt, sagt der Laserwissenschaftler Tso Yee Fan von der Verteidigungsforschung des Lincoln Laboratory am Massachusetts Institute of Technology in Lexington. Allerdings ist Kohärenz bei sichtbarem und Infrarotlicht deutlich schwieriger zu erzeugen: Die einzelnen Laser müssen hierzu fast identische Wellenlängen haben, die Oszillationsebenen müssen genau gleichgerichtet sein, und die Wellenkämme und -täler müssen exakt übereinstimmen. "Bei Radiofrequenzen und Mikrowellen sind die Wellenlängen ein paar Zentimeter lang", erklärt Fan. "In der Optik liegen die Wellenlängen aber bei rund einem Mikrometer, und die nötige Kontrolle ist nur schwer realisierbar."

Die Kohärenz ist aber vielleicht gar nicht so wichtig, meint Sprangle, der im Jahr 2006 mit seinem Team von Computersimulationsmodellen berichtete. Dabei scheint eine inkohärente Kombination mehrerer, an einem einzelnen Punkt aufeinandertreffender Faserlaser fast genauso effektiv zu sein wie eine kohärente Kombination [1]. Nach einem langen Weg des Strahls durch atmosphärische Turbulenzen kommt laut Sprangles ungefähr die gleiche Energie am Ziel an; das konnten seine Mitarbeiter im Jahr 2009 auch nachweisen, indem sie mit Hilfe von Spiegeln vier Faserlaserstrahlen zu einem fünf Zentimeter großen Punkt auf einem drei  Kilometer entfernten Ziel bündelten.

Aufbauend auf Sprangles Arbeiten entwickelte das US-Office of Naval Research ein 30-Kilowatt-LaWS, in dem sechs kommerzielle Faserlaser inkohärent kombiniert sind. Im September 2014 wurde das System auf der USS Ponce installiert und an Objekten wie kleinen Booten und Drohnen getestet.

Der Raketenspezialist MBDA Germany in Schrobenhausen verfolgt einen ganz ähnlichen Ansatz. Im Oktober 2012 wendete die Firma erfolgreich ihr kombiniertes 40-Kilowatt-Faserlaserstrahlsystem an und zerstörte damit Modellartilleriegeschosse, die in zwei Kilometer Entfernung durch die Luft gezogen wurden. Die Tests von MBDA halfen auch beim Widerlegen der Sciencefiction-Idee, dass reflektierende Rüstungen gegen Laserwaffen schützen könnten. So wird nämlich jedes Staubkorn auf einer verspiegelten Oberfläche eingebrannt und trägt zur noch schnelleren Zerstörung des Ziels bei, als es bei einer nicht reflektierenden Oberfläche der Fall ist.

Laut Markus Martinstetter vom MBDA Future Systems Directorate minimiert die Präzisionszielerfassung die Gefahr, versehentlich Unbeteiligte zu verletzen, insbesondere im Vergleich zu konventionellem Sprengstoff. "Es besteht keine Gefahr durch Bruchstücke der Munition, und die Bestrahlung beginnt erst dann, wenn das Ziel genau erfasst wurde", kommentiert er. Das Unternehmen Lockheed Martin arbeitet auch an Laserwaffen gegen komplexe und weit entfernte Ziele, die mit dem kostengünstigen ADAM-System nicht zu bekämpfen sind. Im März berichtete die Firma beispielsweise von ihrem Advanced Test High Energy Asset (ATHENA) System, das in der Lage war, den laufenden Motor eines kleinen Lasters auf einer Testplattform auszuschalten. ATHENA benutzt ein adaptives optisches System, ähnlich dem des Airborne Lasers, in Kombination mit Lockheeds Faserlasersystem Accelerated Laser Demonstration Initiative (ALADIN).

ALADIN nutzt die Leistung mehrerer Faserlaser, jeder mit einer leicht verschobenen Wellenlänge, und kombiniert sie zu einem einzigen 30-Kilowatt-Strahl. Der Ansatz stammt ursprünglich aus dem Lincoln Laboratory und ähnelt den Methoden, mit denen Internetdaten durch optische Faserkabel geschickt werden. Laut Fan ist diese Methode nicht nur einfacher als eine kohärente Kombination, sondern erbringt auch eine bessere Strahlqualität als die inkohärente Kombination. Damit lassen sich kleinere Ziele aus größerer Entfernung besser treffen.

Solche Entwicklungen überzeugen Jason Ellis, der als Gastwissenschaftler am CNAS arbeitet und Erstautor des Laserwaffenberichts des Thinktanks ist. Seiner Meinung nach werden Faserlaserwaffen langsam erwachsen – dank der Fortschritte würden sie nun schon Hunderte von Kilowatt aufbringen und so ihre Reichweite auf mehrere Hundert Kilometer erweitern.

Star Wars im Kalten Krieg
Star Wars im Kalten Krieg | So stellte man sich in den 1980er Jahren ein Lasergefecht im Weltraum vor: Im Rahmen der "Strategic Defense Initiative" solle ein im Orbit stationierter Laser (generic space based laser, SBL) mit Nuklearantrieb Ziele vom Himmel holen – zum Beispiel Langstreckenwaffen des Gegners. Das als "Star Wars" popularisierte Konzept wurde nie verwirklicht.

Nichtsdestotrotz war laut einer Umfrage im Februar 2014 nur ein Fünftel der US-Spezialisten für nationale Sicherheit davon überzeugt, dass die Energiewaffentechnologie innerhalb eines Jahrzehnts ausgereift sein könnte.

Michael Carter, Projektleiter für Photonenwissenschaften am Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore in Kalifornien, winkt auch erst einmal ab: Die heutigen Laser sind doch noch weit entfernt von ihren Pendants in Sciencefiction-Filmen. "Das sind noch keine Star-Trek-Phaser", erklärt er. "Die Leute reden über Gefechte mit Lichtgeschwindigkeit, aber es braucht schon eine gewisse Zeit, um ein Ziel zu zerstören. Das fängt bei ganz banalen Problemen an: So kann man beispielsweise das Ziel mit dem Laser nicht treffen, wenn man es wegen Regen oder Nebel nicht sieht." Seiner Meinung nach trägt die derzeitige Generation von Demonstrationssystemen eher dazu bei, Lösungsansätze für solche grundsätzlichen Probleme zu finden, bevor die Entwicklung bessere Laser hervorbringt. "Verwechseln Sie die Tests auf der USS Ponce bitte nicht mit einer neuen strategischen Überlegenheit", warnt Carter. "Vielleicht ist es der erste Schritt in diese Richtung, aber das allein wird gar nichts verändern."

Selbst Rüstungsfirmen wollen ihre Möglichkeiten nicht überbewerten. MDBA geht beispielsweise von drei bis fünf Jahren aus, bis volloperative Systeme auch im Bereich von einigen zehn Kilowatt auf den Markt kommen. Und in bestimmten Situationen, wie an nebligen Tagen, werden konventionelle Waffen immer effektiver sein. "Der Verteidiger der Zukunft sollte beides haben und von Fall zu Fall entscheiden", empfiehlt DeYoung. Doch trotz der eingeschränkten Möglichkeiten glaubt Scharre, dass Faserlaserwaffen in fünf bis zehn Jahren eine Nische in der US-Verteidigung besetzen könnten. "Sie werden sicherlich nicht so gewaltig und strategisch einsetzbar sein wie bei Star Wars", sagt er, "aber sie könnten Leben retten und US-Stützpunkte, Schiffe und Angehörige der Streitkräfte schützen."

Der Artikel ist im Original "Military technology: Laser weapons get real" in "Nature" erschienen.
24/2015

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 24/2015

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