Der diesjährige Physiknobelpreis zeichnet zwei wissenschaftliche Errungenschaften aus, ohne die die heutige vernetzte Gesellschaft kaum mehr vorstellbar wäre: die Übertragung von Daten über das Glasfaserkabel und die digitale Fotografie mit Hilfe des CCD-Sensors. Charles K. Kao erhält die Hälfte des Preises für die Glasfaserkommunikation, Willard S. Boyle und George E. Smith je ein Viertel für die Erfindung des ersten digitalen Bildsensors.
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Wenn der Nobelpreis verkündet wird, geht die Nachricht binnen Sekunden um die Welt – und mit ihr auch Fotos, Grafiken und sonstige Informationen über die Geehrten. Texte, Bilder und Video rasen mit fast Lichtgeschwindigkeit durch das weltweite Netz der Glasfaserkabel und sorgen für globale Verbreitung. Wenn wir heute alle Glasfaserkabel auf der Erde aneinander hängen würden, reichte diese Leitung mehr als 25.000 Mal um die Erde, sie wäre mehr als eine Billion Kilometer lang.
Kao: Licht durchs Kabel
Charles Kao von den Standard Telecommunication Laboratories im britischen Harlow, der frisch gebackene Träger des diesjährigen Physik-Nobelpreises, sah diese Entwicklung voraus, als er vor mehr als 40 Jahren mit der Übertragung von Informationen durch optische Leiter experimentierte. 1966 erforschte er, wie sich Licht am besten über lange Distanzen von mehr als tausend Kilometern transportieren ließe. Die damals gängigen Glasfasern erlaubten nur eine Übertragung von weniger als 20 Metern, bevor das Signal streute, schwach wurde und erlosch. Kao entdeckte, dass an diesem Signalverlust nicht Fehler in der Faser schuld waren, sondern das Glas selbst.
Normalerweise werden dem Rohmaterial des Glases, dem Quarz, im Fertigungsprozess Zusätze wie Kalziumoxid oder Natriumkarbonat beigefügt, um die Produktion zu vereinfachen. Doch genau diese Unreinheiten trübten das Glas und machten es für ein Glasfaserkabel unbrauchbar. Wenn man jedoch reines Quarz, chemisch Siliziumdioxid, nähme und bei extrem hohen Temperaturen von fast 2.000°C schmilzt und zu fasern ausziehen würde, dann ließen sich daraus ultradünne, aber stabile und leitfähige Fasern herstellen.
Tatschlich gelang es rund vier Jahre später Wissenschaftlern der Corning Glass Works in den USA, eine solches Glasfaserkabel herzustellen. Seither haben optische Leiter verschiedenster Art ihren Siegeszug angetreten, Inzwischen liegt ihre Übertragungskapazität über einen Kilometer bei mehr als 95 Prozent des ursprünglichen Signals – Kao war damals bereits mit nur einem Prozent zufrieden. Für Langstreckenübertragungen wird heute Infrarotlicht genutzt, spezielle Halbleiter und Dioden sorgen für Verteilung der Datenpakete. Ohne sie wären weder Internet, noch Telefonverbindungen im heutigen Maß denkbar.
Boyle und Smith: Digitaler Sensor als Lichtfänger
Wenige Jahre nach Kao fand eine weitere Revolution im Reich des Lichts statt: Willard Boyle und George Smith, beide heute an den Bell Laboratories in Murray Hill, USA arbeitend, entwickelten einen elektronischen Sensor, der die digitale Fotografie möglich machte. Dieser CCD-Sensor (Charge-Coupled Device) eröffnete eine Ära der digitalen Verbreitung von Bildern, sei es vom Weltraumteleskop Hubble oder vom letzten Urlaub auf Facebook.
Der 19969 von Boyle und Smith entwickelte Sensor ist im Prinzip nichts anderes als eine Silizium-Leiterplatte, die Millionen von lichtempfindlichen Fotozellen trägt. Ihr Funktionsprinzip beruht auf dem fotoelektrischen Effekt, der bereits 1921 von Albert Einstein theoretisch vorhergesagt worden war: Wenn Licht auf die Fotozellen trifft, löst es Elektronen aus dem Molekülverband. Diese sammeln sich in den Zellen, die jeweils wie ein kleiner Sammelbrunnen für ihre Elektronen wirken. Je mehr Licht einfällt, desto höher die Elektronenzahl in diesen Zellen.
Wenn nun Spannung an das CCD angelegt wird, gleiten die Elektronen Reihe für Reihe und Zelle für Zelle geordnet auf eine Art Laufband und ihre Menge kann so nacheinander ausgelesen werden. Ein Bild aus 10×10 Bildpunkten bildet auf diese Weis eine 100 Punkte lange Elektronenkette. Das CCD transformiert diese Ketten dann in digitale Signale aus Nullen und Einsen und erzeugt so die Pixel des digitalen Bildes.
Heute ist die digitale Fotografie nicht mehr aus dem Alltag wegzudenken: Ob per Handykamera oder Fotoapparat erstellt – statt langwieriger Entwicklung von Filmen genügt die Übertragung auf einen Rechner und schon lassen sich die Bilder anschauen, bearbeiten, drucken und verbreiten. Aber auch in der Wissenschaft hat die digitale Bildgebung große Fortschritte gebracht: So wären viele medizinische Bildgebungsverfahren oder kameragesteuerte chirurgische Eingriffe ohne sie nicht denkbar. Die schnelle Auswertung von Aufnahmen von Forschungssatelliten oder Tauchrobotern ebenso wenig.
(Nobel Komitee, 06.10.2009 – NPO)
