Die schnellste Kamera der Welt: Wie Wissenschaftler Licht in Zeitlupe filmen und welche Revolutionen dadurch möglich werden

Quelle / Copyright: Youtube /Breaking Lab

Die Vorstellung, einen Lichtstrahl durch den Raum fliegen zu sehen, klang lange wie Science-Fiction. Licht bewegt sich mit rund 299.792.458 Metern pro Sekunde – so schnell, dass unser Auge und selbst die schnellsten herkömmlichen Kameras seine Ausbreitung nicht direkt erfassen können. Dank modernster Hochgeschwindigkeitskameras hat sich das geändert. Forschende haben Kameras entwickelt, die mit Bildraten von bis zu 156,3 Billionen Bildern pro Sekunde arbeiten und damit die Ausbreitung von Lichtpulsen sichtbar machen können.

Die schnellste Kamera der Welt erreicht 156,3 Billionen Bilder pro Sekunde

Den aktuellen Rekord hält das Kamerasystem SCARF (Swept-Coded Aperture Real-time Femtophotography), das von Forschenden des kanadischen Institut national de la recherche scientifique (INRS) entwickelt wurde. Mit einer Bildrate von 156.300.000.000.000 Bildern pro Sekunde (fps) gehört es zu den schnellsten wissenschaftlichen Bildgebungssystemen, die jemals gebaut wurden.

Zwischen zwei Einzelbildern vergehen lediglich 6,4 Femtosekunden. Eine Femtosekunde entspricht dem milliardstel Teil einer Millionstel Sekunde (10⁻¹⁵ Sekunden). In dieser extrem kurzen Zeit legt Licht lediglich etwa 1,9 Mikrometer zurück – ungefähr ein Fünfzigstel der Dicke eines menschlichen Haares oder die Länge von zwei Bakterien.

Diese Präzision ermöglicht es erstmals, Lichtpulse nahezu Bild für Bild während ihrer Ausbreitung durch den Raum zu verfolgen.

So funktioniert die Lichtkamera

Im Gegensatz zu einer klassischen Videokamera zeichnet SCARF keine kontinuierlichen Videos auf. Das System kombiniert ultrakurze Laserpulse, eine optische Kodierung, spezielle Spiegel, eine sogenannte Streak-Kamera sowie komplexe mathematische Rekonstruktionsverfahren.

Innerhalb eines einzigen Laserimpulses entstehen mehrere Einzelaufnahmen, die anschließend zu einer hochpräzisen Zeitlupe zusammengesetzt werden. Dadurch lassen sich extrem schnelle Vorgänge sichtbar machen, die bislang nur indirekt gemessen werden konnten.

Was kann eine solche Kamera filmen?

Mit der ultraschnellen Bildgebung lassen sich zahlreiche physikalische Prozesse beobachten, darunter:

• die Ausbreitung von Lichtpulsen
• Reflexion und Brechung von Licht
• Lichtstreuung
• Lichtausbreitung in Glasfasern
• Schockwellen
• Plasmaentstehung
• Magnetisierung und Entmagnetisierung von Materialien
• ultraschnelle chemische Reaktionen
• Halbleiterprozesse
• Elektronenbewegungen in Materialien

Damit eröffnet die Technologie völlig neue Möglichkeiten für die Grundlagenforschung sowie zahlreiche industrielle Anwendungen.

Frühere Meilensteine der Hochgeschwindigkeitsfotografie

Bereits 2011 sorgte das MIT mit der sogenannten Femto-Photography für Aufsehen. Das System erreichte rund 500 Milliarden Bilder pro Sekunde und machte erstmals sichtbar, wie sich Licht durch eine Flasche bewegt oder von Spiegeln reflektiert wird.

Weitere bedeutende Entwicklungen folgten:

• CUP (Compressed Ultrafast Photography): bis zu 100 Milliarden Bilder pro Sekunde
• STAMP: mehr als 4,4 Billionen Bilder pro Sekunde
• T-CUP: bis zu 10 Billionen Bilder pro Sekunde
• SCARF: 156,3 Billionen Bilder pro Sekunde

Jede neue Generation verbessert sowohl die zeitliche Auflösung als auch die Möglichkeiten, einmalige Ereignisse ohne Wiederholung aufzuzeichnen.

Wie schnell ist Licht wirklich?

Die enormen Geschwindigkeiten werden erst durch Vergleiche greifbar:

• In einer Sekunde legt Licht etwa 299.792 Kilometer zurück.
• In einer Millisekunde sind es rund 300 Kilometer.
• In einer Mikrosekunde etwa 300 Meter.
• In einer Nanosekunde ungefähr 30 Zentimeter.
• In einer Pikosekunde etwa 0,3 Millimeter.
• In einer Femtosekunde lediglich 0,3 Mikrometer.

Während eine normale Smartphone-Kamera mit einigen Hundert Bildern pro Sekunde arbeitet und professionelle Hochgeschwindigkeitskameras maximal einige Millionen Bilder pro Sekunde erreichen, arbeitet SCARF rund 2,6 Billionen Mal schneller als die Bildrate, die das menschliche Auge als flüssige Bewegung wahrnimmt.

Warum sind Laser unverzichtbar?

Normales Tageslicht eignet sich für diese Messungen nicht. Verwendet werden extrem kurze, kohärente Laserpulse mit einer Dauer von wenigen Dutzend bis wenigen Hundert Femtosekunden. Nur dadurch lassen sich ultrakurze Ereignisse mit ausreichender Präzision erfassen.

Noch kürzere Pulse im Attosekundenbereich (10⁻¹⁸ Sekunden) werden bereits genutzt, um Elektronenbewegungen in Atomen zu untersuchen. Eine Femtosekunde entspricht dabei 1.000 Attosekunden.

Zukunft der Hochgeschwindigkeitskameras

Die eigentliche Bedeutung dieser Technologie liegt nicht im Filmen spektakulärer Zeitlupen, sondern in ihrem wissenschaftlichen Potenzial.

Künftige Generationen könnten Elektronenbewegungen nahezu in Echtzeit sichtbar machen und dadurch helfen, schnellere Computerchips, effizientere Solarzellen, leistungsfähigere Batterien und neue Halbleitermaterialien zu entwickeln.

Auch chemische Reaktionen laufen häufig innerhalb weniger Femtosekunden ab. Mit immer schnelleren Kameras könnten Forschende erstmals direkt beobachten, wann Molekülbindungen aufbrechen und neue chemische Verbindungen entstehen. Das könnte die Entwicklung neuer Medikamente, Katalysatoren und Werkstoffe erheblich beschleunigen.

Bedeutung für Quantencomputer und Datenspeicher

Auch die Quantenphysik profitiert von dieser Entwicklung. Ultraschnelle Kameras könnten helfen, die Fehlerentstehung in Quantencomputern besser zu verstehen und stabile Qubits zu entwickeln.

Im Bereich magnetischer Speicher untersuchen Forschende bereits die ultraschnelle Entmagnetisierung von Materialien. Langfristig könnten Speichermedien entstehen, die Daten millionenfach schneller schreiben als heutige Festplatten.

Anwendungen in Medizin und Kernfusion

Laser spielen bereits heute eine wichtige Rolle bei Augenoperationen, Tumorbehandlungen und mikrochirurgischen Eingriffen. Mit Femtokameras lassen sich die Wechselwirkungen zwischen Laserlicht und Gewebe wesentlich genauer analysieren. Dadurch könnten zukünftige Behandlungen noch präziser und schonender werden.

Auch die Kernfusionsforschung zählt zu den wichtigsten Einsatzgebieten. Bei Laserfusionsexperimenten entstehen extrem schnelle Prozesse wie Plasmaentstehung und Stoßwellen. Hochgeschwindigkeitskameras liefern wertvolle Informationen darüber, wie Energieverluste reduziert und Fusionsreaktoren effizienter gestaltet werden können.

Neue Möglichkeiten für Robotik und Kommunikation

Ein weiteres Forschungsgebiet ist das sogenannte Non-Line-of-Sight Imaging. Dabei analysieren ultraschnelle Kameras Licht, das von Wänden oder anderen Oberflächen reflektiert wird. Aus diesen Daten lassen sich verdeckte Objekte oder Bewegungen hinter Ecken rekonstruieren. Solche Verfahren könnten künftig in der Robotik, bei autonomen Fahrzeugen oder im Katastrophenschutz eingesetzt werden.

Darüber hinaus helfen ultraschnelle Kameras dabei, Lichtsignale in Glasfasern sichtbar zu machen. Dadurch lassen sich Signalverluste analysieren und zukünftige optische Kommunikationssysteme weiter verbessern.

Blick in die Zukunft

Die Entwicklung ist längst nicht abgeschlossen. Forschende arbeiten bereits an leistungsstärkeren Lasern, empfindlicheren Sensoren, künstlicher Intelligenz zur Bildrekonstruktion sowie an Verfahren für andere Spektralbereiche wie Röntgenstrahlung oder mittleres Infrarot.

Langfristig könnten Kameras mit Attosekunden-Auflösung entstehen, die die Bewegung von Elektronen, die Entstehung chemischer Bindungen oder fundamentale Licht-Materie-Wechselwirkungen direkt sichtbar machen. Was heute noch als Spitzenforschung gilt, könnte in den kommenden Jahrzehnten entscheidend dazu beitragen, neue Materialien zu entwickeln, Quantencomputer zu verbessern, die Kernfusion voranzubringen und medizinische Technologien auf ein neues Niveau zu heben.

Die schnellsten Kameras der Welt sind daher weit mehr als technische Rekordhalter. Sie eröffnen einen Blick in eine bisher unsichtbare Welt – in Zeiträume, in denen die grundlegenden Prozesse der Natur stattfinden.