Zwei Billiarden Watt – diese Spitzenleistung erreichte der neue ZEUS-Laser der University of Michigan bei seinem ersten offiziellen Experiment. Der Lichtpuls dauerte allerdings nur 25 Femtosekunden. Die gewaltige Zahl beschreibt deshalb keinen dauerhaft verfügbaren Strom, sondern die Leistung während eines extrem kurzen Augenblicks.
Ein Laserblitz, der rechnerisch mehr als hundertmal so viel Leistung besitzt wie die weltweite elektrische Stromerzeugung, klingt nach einer Energiequelle im Maßstab eines Kraftwerks. Tatsächlich passt der entscheidende Vorgang in einen Zeitraum, der sich kaum anschaulich vorstellen lässt: 25 Femtosekunden sind 25 Billiardstel Sekunden. So lange dauerte der Puls, mit dem die Anlage ZEUS im Frühjahr 2025 eine Spitzenleistung von zwei Petawatt erreichte. Die University of Michigan meldete den Erfolg am 19. Mai, die US-amerikanische National Science Foundation (NSF) bestätigte ihn am 18. Juni 2025.
ZEUS steht für „Zettawatt-Equivalent Ultrashort pulse laser System“. Die Anlage befindet sich am Gérard Mourou Center for Ultrafast Optical Science der University of Michigan in Ann Arbor. Mit dem ersten offiziellen Nutzerexperiment erreichte sie rund doppelt so viel Spitzenleistung wie jeder andere Laser in den Vereinigten Staaten. Die Betreiber verglichen den kurzen Leistungsgipfel mit der weltweiten elektrischen Leistung: Für diesen winzigen Moment lag der Wert mehr als hundertmal höher. Der Vergleich ist eindrucksvoll, darf aber nicht mit einer entsprechenden Energiemenge verwechselt werden.
Leistung und Energie beschreiben unterschiedliche physikalische Größen. Die Leistung gibt an, wie schnell Energie umgesetzt oder übertragen wird. Energie bezeichnet dagegen die insgesamt übertragene Menge. Ein Petawatt entspricht einer Billiarde Watt, zwei Petawatt sind somit zwei Billiarden Watt oder 2 × 1015 Watt. Diese Zahl sagt zunächst nur, wie hoch die momentane Leistungsspitze des Laserpulses ist.
Für die Energiemenge zählt zusätzlich die Dauer. Ein Puls von 25 Femtosekunden ist so kurz, dass selbst eine enorme Spitzenleistung nicht automatisch eine enorme Gesamtenergie bedeutet. Multipliziert man zwei Petawatt überschlägig mit 25 Femtosekunden, ergibt sich eine Größenordnung von etwa 50 Joule. Das ist eine anschauliche Näherung für einen idealisiert gleich hohen Puls; die tatsächliche Pulsenergie hängt vom zeitlichen Verlauf und der Form des Lichtsignals ab. Die Anlage liefert also keinen Stromüberschuss, mit dem sich Städte versorgen ließen. Sie konzentriert Energie vielmehr in Raum und Zeit, um Materie unter extremen Bedingungen zu untersuchen.
Der Vergleich mit der globalen Stromleistung bezieht sich ebenfalls auf einen Momentanwert. Er soll verdeutlichen, wie hoch die Spitzenleistung ausfällt, nicht behaupten, ZEUS produziere mehr elektrische Energie als alle Kraftwerke der Erde zusammen. Ein Kraftwerk liefert über lange Zeit kontinuierlich Energie. Ein Hochleistungslaser bündelt einen kurzen Impuls, dessen Dauer viele Größenordnungen unter einer Sekunde liegt.
Das Herzstück des Lasers ist ein Titan-Saphir-Kristall mit einem Durchmesser von fast sieben Zoll, also knapp 18 Zentimetern. Solche Kristalle sind ein zentraler Bestandteil der Verstärkertechnik: Sie nehmen Energie aus Pump-Lasern auf und geben sie an den Lichtpuls weiter. Der Kristall für ZEUS war außergewöhnlich groß; seine Herstellung dauerte nach Angaben des Projektteams mehr als vier Jahre. Die Größe allein erzeugt noch keine Petawatt-Leistung. Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Verstärkung, präziser Optik und der anschließenden zeitlichen Kompression des Pulses.
Ein kurzer Laserpuls wird zunächst zeitlich gestreckt, damit seine Energie während der Verstärkung nicht schon im Verstärkermaterial eine zu hohe Intensität erreicht. Anschließend erhöhen mehrere Verstärkerstufen die Energie. Optische Gitter zerlegen das Licht dabei in seine Spektralanteile und führen sie so, dass der Puls später wieder zusammengedrückt werden kann. Erst in der Kompression wird die zuvor verlängerte Lichtwelle auf eine extrem kurze Zeitspanne gebündelt. Die Energie trifft dadurch in einem sehr kurzen Zeitfenster ein – die Spitzenleistung steigt stark an.
Die optischen Komponenten müssen dabei präzise ausgerichtet sein. Schon kleine Abweichungen können die Form des Pulses verändern oder die erreichbare Intensität begrenzen. Der Laser arbeitet deshalb in einer kontrollierten Laborumgebung mit optischen Tischen, Spiegeln, Linsen, Vakuumstrecken und großen Experimentierkammern. Die gesamte ZEUS-Anlage ist Teil einer Forschungsinfrastruktur, die externe Wissenschaftler nach einem Begutachtungsverfahren für eigene Experimente nutzen können.
Beim ersten offiziellen Experiment richtete das Team um Franklin Dollar von der University of California, Irvine, den intensiven Laserpuls auf eine mit Helium gefüllte Zelle. Das elektrische Feld des Lichts war so stark, dass es Elektronen aus den Heliumatomen lösen konnte. Zurück blieb ein Plasma: ein Gemisch aus freien Elektronen und positiv geladenen Ionen. In diesem ionisierten Gas erzeugte der Laserpuls eine wandernde Störung, die Elektronen hinter dem Lichtpuls beschleunigen kann.
Dieses Verfahren heißt Laser-Wakefield-Beschleunigung oder Plasma-Wakefield-Beschleunigung. Der Name beschreibt eine Art Kielwasser, das der intensive Lichtpuls im Plasma hinterlässt. Elektronen können in diesem Feld mitgezogen und auf hohe Energien gebracht werden. Das Prinzip erinnert in seiner Grundidee an ein Boot, das eine Welle erzeugt, in der ein nachfolgendes Objekt mitfahren kann. Im Experiment geht es jedoch nicht um Wasser, sondern um elektrische Felder in einem ionisierten Gas.
Solche Beschleuniger könnten künftig Elektronenstrahlen erzeugen, für die konventionelle Teilchenbeschleuniger sehr lange Anlagen benötigen. Die Forschung steht dabei vor anspruchsvollen Fragen: Die Elektronen müssen kontrolliert beschleunigt werden, ihre Energieverteilung soll möglichst eng sein und der Strahl muss sich für weitere Experimente präzise führen lassen. Ein leistungsfähiger Laser ist dafür eine wichtige Voraussetzung, aber nicht allein die Lösung.
Die Experimente an ZEUS dienen zunächst der Grundlagenforschung. Sie helfen dabei, die Wechselwirkung extrem intensiver Lichtpulse mit Materie und Plasma besser zu verstehen. Langfristig könnten Erkenntnisse daraus kompaktere Teilchenbeschleuniger, neue Strahlungsquellen oder verbesserte Verfahren für die Material- und Medizinphysik ermöglichen. Konkrete medizinische Anwendungen sind damit noch nicht unmittelbar verfügbar; zwischen einem physikalischen Laborergebnis und einem klinisch einsetzbaren Verfahren liegen weitere Entwicklungs- und Prüfschritte.
Die Anlage ist auf eine Spitzenleistung von bis zu drei Petawatt ausgelegt. Die ersten zwei Petawatt waren deshalb ein wichtiger Meilenstein, aber nicht das Ende der technischen Entwicklung. Für den nächsten großen Versuch ist eine Kollision zwischen einem Laserlichtpuls und einem Elektronenstrahl vorgesehen. Die Elektronen sollen zuvor auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und dem Licht entgegenlaufen.
Der ungewöhnliche Name ZEUS verweist auf diesen Versuch. In dem Bezugssystem der relativistisch bewegten Elektronen erscheint die Wechselwirkung mit dem entgegenkommenden Laserpuls so, als würde eine Lichtleistung im Zettawatt-Bereich wirken. Ein Zettawatt entspricht 1021 Watt. Diese Zettawatt-Äquivalenz ist kein zusätzlicher Laser-Ausgangswert, den die Anlage im Labor direkt erzeugt. Sie beschreibt die Wirkung der Begegnung aus Sicht der schnell bewegten Elektronen. Genau diese Perspektive soll Experimente ermöglichen, die extrem starke elektromagnetische Felder und grundlegende Prozesse der Quantenelektrodynamik untersuchen.
Die NSF hatte die Anlage gefördert; die Baukosten wurden von The Verge mit rund 16 Millionen US-Dollar angegeben. ZEUS führt eine längere Entwicklung am Standort fort. Der Vorgänger HERCULES erreichte 2007 eine Spitzenleistung von 300 Terawatt. Der Sprung auf zwei Petawatt bedeutet damit eine erhebliche Steigerung der erreichbaren Spitzenleistung. Zugleich ist ZEUS als offene Forschungsanlage konzipiert: Wissenschaftler verschiedener Einrichtungen können Experimente vorschlagen und nach erfolgreicher Begutachtung Messzeit erhalten.
Der US-Rekord darf nicht mit einem Weltrekord verwechselt werden. Die Anlage ZEUS war mit zwei Petawatt der leistungsstärkste Laser der Vereinigten Staaten, doch international existieren Systeme mit deutlich höherer Spitzenleistung. Am Forschungszentrum ELI-NP im rumänischen Măgurele erreicht das High Power Laser System eine Leistung von zehn Petawatt. Die Einrichtung beschreibt zwei synchronisierte Ausgänge auf diesem Leistungsniveau; die entsprechenden ultrakurzen Pulse dauern rund 23 Femtosekunden.
Damit liegt der rumänische Wert beim Fünffachen der von ZEUS im ersten offiziellen Experiment erreichten Spitzenleistung. Der Vergleich hängt allerdings auch von den jeweiligen Betriebsbedingungen, Pulsdauern und Experimentierkonfigurationen ab. Bei Hochleistungslasern ist eine einzelne Watt-Zahl deshalb nicht die ganze Geschichte. Für die Forschung zählen ebenso Pulsenergie, Dauer, Wiederholrate, Fokusgröße, Kontrast und die Frage, wie kontrolliert sich das Licht auf ein bestimmtes Ziel richten lässt.
ZEUS markiert dennoch einen bedeutenden Schritt für die US-amerikanische Laserforschung. Die Anlage verbindet eine sehr hohe Spitzenleistung mit einer Infrastruktur, die Experimente zur Plasma- und Teilchenphysik ermöglicht. Ihr außergewöhnlicher Wert liegt nicht darin, Strom für die Welt bereitzustellen, sondern darin, für wenige Femtosekunden Bedingungen zu erzeugen, die sonst nur in extremen astrophysikalischen oder hochenergetischen Umgebungen auftreten.
University of Michigan / Michigan Engineering, Kate McAlpine: „The US has a new most powerful laser“, 19. Mai 2025. Originalmeldung der University of Michigan .
U.S. National Science Foundation: „NSF ZEUS becomes the most powerful laser in the U.S.“, 18. Juni 2025. NSF-Meldung .
Andrew Liszewski, The Verge: „The most powerful laser in the US recently produced 2 quadrillion watts of power“, 20. Mai 2025. Bericht bei The Verge .
Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics (ELI-NP): Angaben zum High Power Laser System und zu den 10-Petawatt-Ausgängen. Technische Angaben von ELI-NP .
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