Russland rüstet einen riesigen Laser auf, um seine Atomwaffen zu testen

Andy Extance

In der geschlossenen Stadt Sarow, etwa 350 Kilometer östlich von Moskau, arbeiten Wissenschaftler an einem Projekt, das dazu beitragen soll, dass Russlands Atomwaffen auch in Zukunft einsatzbereit bleiben. In einer riesigen Anlage, die zehn Stockwerke hoch ist und die Fläche von zwei Fußballfeldern einnimmt, bauen sie das, was offiziell als UFL-2M bekannt ist – oder, wie die russischen Medien es nannten, den „Zarenlaser“. Nach seiner Fertigstellung wird es der Laser mit der höchsten Energie der Welt sein.

Hochenergielaser können Energie auf Atomgruppen konzentrieren und so Temperatur und Druck erhöhen, um Kernreaktionen auszulösen. Wissenschaftler können damit simulieren, was passiert, wenn ein Atomsprengkopf explodiert. Durch die Erzeugung von Explosionen in kleinen Materialproben – entweder Forschungsproben oder winzige Mengen bestehender Atomwaffen – können Wissenschaftler dann berechnen, wie eine ausgewachsene Bombe voraussichtlich funktionieren wird. Mit einem alten Sprengkopf können sie überprüfen, ob er noch wie vorgesehen funktioniert. Laserexperimente ermöglichen Tests, ohne dass eine Atombombe abgefeuert wird. „Es ist eine beträchtliche Investition der Russen in ihre Atomwaffen“, sagt Jeffrey Lewis, ein Forscher für die Nichtverbreitung von Atomwaffen am Middlebury Institute of International Studies in Kalifornien.

Bisher war Russland unter den etabliertesten Atommächten einzigartig und verfügte nicht über einen Hochenergielaser. Die Vereinigten Staaten verfügen über die National Ignition Facility (NIF), das derzeit energiereichste Lasersystem der Welt. Seine 192 separaten Strahlen liefern zusammen 1,8 Megajoule Energie. Auf eine bestimmte Art und Weise betrachtet ist ein Megajoule keine enorme Menge – es entspricht 240 Nahrungskalorien, ähnlich einer leichten Mahlzeit. Aber die Konzentration dieser Energie auf einen winzigen Bereich kann sehr hohe Temperaturen und Drücke erzeugen. Frankreich verfügt inzwischen über seinen Laser Mégajoule mit 80 Strahlen, die derzeit 350 Kilojoule liefern, obwohl bis 2026 176 Strahlen mit 1,3 Megajoule angestrebt werden. Der britische Orion-Laser erzeugt 5 Kilojoule Energie; Chinas SG-III-Laser, 180 Kilojoule.

Wenn er fertig ist, wird der Zarenlaser sie alle übertreffen. Wie das NIF soll es über 192 Strahlen verfügen, jedoch mit einer höheren Gesamtleistung von 2,8 Megajoule. Derzeit ist jedoch erst die erste Stufe gestartet. Bei einem Treffen der Russischen Akademie der Wissenschaften im Dezember 2022 gab ein Beamter bekannt, dass der Laser in seinem aktuellen Zustand über 64 Strahlen verfügt. Ihre Gesamtleistung beträgt 128 Kilojoule, 6 Prozent der geplanten Endkapazität. Der nächste Schritt werde darin bestehen, sie zu testen, sagte der Beamte.

Beim Bau von Lasern zur Auslösung nuklearer Reaktionen gilt: „Je größer, desto besser“, sagt Stefano Atzeni, Physiker an der Universität Rom, Italien. Größere Anlagen können höhere Energien erzeugen, was bedeutet, dass Materialien höheren Temperaturen oder Drücken ausgesetzt werden können oder dass größere Materialmengen getestet werden können. Durch die Erweiterung der Experimentiergrenzen erhalten Nuklearforscher potenziell nützlichere Daten.

In Experimenten versetzen diese Laser ihre Zielmaterialien in einen hochenergetischen Aggregatzustand, der als Plasma bezeichnet wird. In Gasen, Festkörpern und Flüssigkeiten sind Elektronen normalerweise fest an den Atomkernen ihrer Atome gebunden, im Plasma bewegen sie sich jedoch frei. Die Plasmen werfen elektromagnetische Strahlung wie Lichtblitze und Röntgenstrahlen sowie Teilchen wie Elektronen und Neutronen aus. Daher benötigen die Laser auch Detektionsgeräte, die aufzeichnen können, wann und wo diese Ereignisse stattfinden. Mithilfe dieser Messungen können Wissenschaftler dann ableiten, wie sich ein vollständiger Sprengkopf verhalten könnte.

Lauren Goode

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Julian Chokkattu

Will Knight

Bisher war das Fehlen eines solchen Lasers für Russland kein großer Nachteil für die Sicherstellung seiner Waffenfunktion. Das liegt daran, dass Russland sich dazu verpflichtet hat, Plutonium-„Gruben“, die Sprengkerne vieler Atomwaffen, die nach den harten Kernen von Früchten wie Pfirsichen benannt sind, ständig neu zu erschaffen. Wenn Sie alte Sprenggruben problemlos durch neue ersetzen können, müssen Sie weniger Laser verwenden, um zu überprüfen, wie stark sie sich im Laufe der Jahre verschlechtert haben. „In den USA würden wir auch unsere Atomwaffen wiederaufbereiten, außer dass wir nicht die Kapazität haben, eine große Anzahl von Kernen zu produzieren“, sagt Lewis. Die größte Produktionsstätte der USA in Rocky Flats, Colorado, wurde 1992 geschlossen.

Forscher setzen Laser mindestens seit den 1970er Jahren bei Atomwaffentests ein. Zunächst kombinierten sie sie mit unterirdischen Tests tatsächlicher Waffen und nutzten die Daten beider, um theoretische Modelle für das Verhalten von Plasma zu erstellen. Doch nachdem die USA 1992 mit der Erprobung von Atomwaffen aufgehört hatten, während sie sich um eine Einigung über den Vertrag über das umfassende Verbot von Nuklearversuchen bemühten, wechselten sie zu einer „wissenschaftsbasierten Verwaltung von Lagerbeständen“, d .

Aber die USA und andere Länder, die diesen Ansatz verfolgten, mussten einige Kernmaterialien noch physisch mit Lasern testen, um sicherzustellen, dass ihre Modelle und Simulationen mit der Realität übereinstimmten und dass ihre Atomwaffen standhielten. Und das müssen sie auch heute noch tun.

Diese Systeme sind nicht perfekt. „Die Modelle, die sie verwenden, um das Verhalten von Waffen vorherzusagen, sind nicht vollständig prädiktiv“, sagt Atzeni. Dafür gibt es verschiedene Gründe. Zum einen ist es äußerst schwierig, Plasmen zu simulieren. Ein weiterer Grund ist, dass Plutonium im Gegensatz zu allen anderen Elementen ein seltsames Metall ist. Ungewöhnlich ist, dass Plutonium bei Erwärmung sechs feste Formen annimmt, bevor es schmilzt. In jeder Form nehmen seine Atome ein ganz anderes Volumen ein als die vorherige.

Dennoch bieten Laserexperimente neben der tatsächlichen Sprengung von Bomben die beste Möglichkeit, die Wirkung von Atomwaffen vorherzusagen. Die USA stellten das NIF 2009 fertig und begannen 2015 damit, ihre Strahlen auf dünne, mohnsamengroße Plutoniumziele zu richten. Dadurch konnten Wissenschaftler besser als je zuvor verstehen, was im Inneren einer Waffe vor sich ging.

Laserexperimente können auch zeigen, wie Materialien, die sich in der Nähe der radioaktiven Gruben in Sprengköpfen befinden, im Laufe ihrer mehrjährigen Lebensdauer abgebaut werden und reagieren. Informationen aus Experimenten können auch Aufschluss darüber geben, wie sich diese Materialien bei den extremen Temperaturen und Drücken einer nuklearen Detonation verhalten. Solche Experimente seien „unverzichtbar“ für den Entwurf und die Konstruktion von Komponenten von Atomwaffen, sagt Vladimir Tikhonchuk, emeritierter Professor am Zentrum für intensive Laser und Anwendungen der Universität Bordeaux, Frankreich.

Tikhonchuk verfolgt die Fortschritte des Tsar-Lasers, seit er ihn 2013, ein Jahr nach seiner ursprünglichen Ankündigung, auf einer Konferenz vorgestellt sah. Zuletzt sprach er 2019 bei einer Sommerschule im nahegelegenen Nischni Nowgorod mit Wissenschaftlern aus Sarow. Er ist skeptisch, dass Russland den Laser fertigstellen wird.

Russland verfügt zweifellos über den wissenschaftlichen Stammbaum. Das Unternehmen verfüge über Erfahrung als Partner beim Bau großer wissenschaftlicher Anlagen, wie beispielsweise des milliardenschweren experimentellen Kernfusionsreaktors ITER im französischen Cadarache, betont Tikhonchuk. Russland steuerte außerdem Komponenten zu zwei Anlagen in Deutschland bei, dem Europäischen Freie-Elektronen-Röntgenlaser in Hamburg und der Anlage für Antiprotonen- und Ionenforschung in Darmstadt. Und Wissenschaftler am russischen Institut für Angewandte Physik haben die schnelle Kristallwachstumstechnologie entwickelt, die in den Linsen des NIF und „im Bau aller großen Laser“ verwendet wird, sagt Tikhonchuk.

Aber Tikhonchuk glaubt, dass Russland jetzt Schwierigkeiten haben wird, weil es durch die Abwanderung von Wissenschaftlern ins Ausland einen Großteil des benötigten Fachwissens verloren hat. Er stellt fest, dass die Strahlanordnungen des Tsar-Lasers mit einem Durchmesser von 40 Zentimetern sehr groß sind, was eine erhebliche Herausforderung für die Herstellung ihrer Linsen darstellt. Je größer das Objektiv ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es einen Defekt aufweist. Defekte können Energie konzentrieren, sich erhitzen und die Linsen beschädigen oder zerstören.

Die Tatsache, dass Russland den Tsar-Laser entwickelt, deutet darauf hin, dass es seinen Nuklearbestand beibehalten will, sagt Lewis. „Es ist ein Zeichen dafür, dass sie planen, dass diese Dinge noch lange bestehen bleiben, was nicht großartig ist.“ Aber wenn der Laser fertig ist, sieht er einen Funken Hoffnung in Russlands Vorstoß. „Ich mache mir große Sorgen, dass die USA, Russland und China die Sprengstofftests wieder aufnehmen werden.“ Die Tsar-Laser-Investition könnte stattdessen zeigen, dass Russland glaubt, bereits über genügend Daten aus explosiven Atomtests zu verfügen, sagt er.

WIRED wandte sich wegen dieser Geschichte an die NIF und ROSATOM, die russische staatliche Atomenergiegesellschaft, aber sie äußerten sich nicht dazu.