Gigantisch klein: Wie in Thüringen Präzision neu definiert wird

Ein Spiegel, so groß wie ein Esstisch – und so präzise gefertigt, dass seine Oberfläche auf atomarer Skala kaum Abweichungen zeigt. Was wie ein Gedankenexperiment klingt, ist genau das Ziel eines neuen Forschungsprojekts aus Thüringen.
Bislang endet die Welt der hochpräzisen Nanostrukturen überraschend früh: Bei etwa 30 Zentimetern Kantenlänge stoßen selbst modernste Verfahren an ihre Grenzen. Für viele Anwendungen in der Spitzenforschung ist das zu klein. Denn dort entscheidet nicht nur die Präzision, sondern auch die Fläche.
Ein Forschungsverbund aus Jena und Ilmenau will diese Grenze nun verschieben – und zwar drastisch. Mit einer neuartigen Maschine sollen sich Nanostrukturen künftig auf Flächen von bis zu einem Quadratmeter herstellen lassen. Prof. Uwe Zeitner trägt in seiner Funktion als Arbeitsgruppenleiter am Institut für Angewandte Physik (IAP) einen gewichtigen Teil zum Gesamterfolg des Projekts. Enge Unterstützung unterhält er dabei von weiteren Forschenden der Micro- Nano Gruppe des IAP; zugleich ist er auch am Fraunhofer IOF in die Forschungsarbeiten eingebunden. Gefördert wird das Vorhaben von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit rund vier Millionen Euro.

Wenn Größe zum Problem wird

In der Welt der Nanotechnologie ist Präzision Routine – solange die Bauteile klein bleiben. Doch je größer eine Fläche wird, desto schwieriger wird es, diese Genauigkeit aufrechtzuerhalten. Selbst minimale Einflüsse können das Ergebnis verfälschen: winzige Temperaturschwankungen, kaum messbare Vibrationen oder Materialspannungen.
Was im Labor kaum auffällt, wächst sich im Metermaßstab zu einem echten Problem aus.
Genau hier setzt das Projekt an. Die geplante 3D-Nanolithographie- und Nanomessmaschine soll Bauteile mit Abmessungen von bis zu 1×1×0,2 Metern bearbeiten können – und dabei eine Präzision erreichen, die bislang nur auf deutlich kleineren Flächen möglich ist.
Relevant sind solche Anforderungen z.B. bei den Spektrometergittern für die Instrumente der nächsten Generation von Großteleskopen, wie dem Extremely-Large-Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO).

Präzision jenseits des Sichtbaren

Besonders ambitioniert ist die angestrebte Genauigkeit: Positionen der Nanostrukturen sollen mit einer Präzision von bis zu 20 Pikometern kontrolliert werden. Das entspricht 10^(-12) Metern – einer Größenordnung, die deutlich unterhalb des Durchmessers eines Atoms liegt.
Dabei geht es nicht darum, einzelne Atome zu „platzieren“. Entscheidend ist vielmehr, dass sich Positionen extrem stabil, reproduzierbar und kontrolliert einstellen lassen – selbst über die große Distanz der 1m Bauteilgröße hinweg.
Zusätzlich streben die Forschenden an, die Abweichung der erzeugten Strukturdimensionen auf unter 10 Nanometer zu begrenzen – und das ebenfalls über die gesamte Fläche eines Quadratmeters.
Ein Zusammenspiel aus Spezialwissen
Um diese Genauigkeit zu erreichen, sind mehr als ein technologischer Durchbruch notwendig. Die geplante Maschine ist ein Zusammenspiel mehrerer hochspezialisierter Ansätze.
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF und das Institut für Angewandte Physik in Jena bringen ihre Erfahrung in der 3D-Nanolithographie ein. Die Technische Universität Ilmenau ergänzt dies durch langjährige Erfahrungen in der Anlagenentwicklung für hochpräzise Positionier- und Messtechnik.
Gemeinsam arbeiten sie an Lösungen für Probleme, die sich nicht einfach skalieren lassen:
Wie stabilisiert man ein System gegen kleinste Erschütterungen?
Wie kontrolliert man, dass sich Materialien durch Temperatur minimal ausdehnen?
Und wie misst man überhaupt noch zuverlässig in Bereichen, die unterhalb atomarer Dimensionen liegen?
Erreicht werden soll das durch ein Anlagenkonzept, in dem verschiedene innovative Ansätze aus der Interferometrie, der laserbasierten Längenmessung und der opto-mechanischen Stabilisierung zusammengeführt und auf die erforderliche Größe skaliert werden. Hierfür wird insbesondere die Expertise der Kollegen aus Ilmenau im Bereich ultrapräziser Messsysteme zum Einsatz kommen.

Warum das wichtig ist

Die neue Maschine zielt auf Anwendungen, bei denen jedes Detail zählt. In der Fusionsforschung etwa werden große Gitter benötigt, die extrem hohe Laserleistungen präzise reflektieren. Schon kleinste Unregelmäßigkeiten können hier zu Energieverlusten oder Schäden führen.
In der Gravitationswellenforschung ist die Situation noch extremer: Dort müssen minimale Verzerrungen des Raums gemessen werden. Die Qualität der eingesetzten optischen Komponenten bestimmt direkt, wie empfindlich die Detektoren sind. Mit der neuen Lithographianlage sollen neuartige Spiegelkonzepte realisiert werden, die ein deutlich geringeres thermisches Rauschen aufweisen, wodurch sich die Empfindlichkeit des gesamten Gravitationswellenlängendetektors substanziell verbessert.

Die beiden Institute aus Jena sind bereits an Vorentwicklungen zu Projekten wie dem geplanten Einstein-Teleskop beteiligt, einem Gravitationswellendetektor der nächsten Generation. Die neue Maschine könnte Bauteile ermöglichen, die bislang schlicht nicht herstellbar waren.

Ein Projekt mit langem Atem

Zunächst entwickeln die Forschenden in einer dreijährigen Konzeptphase die Grundlagen und zentrale Teilsysteme. Danach soll schrittweise nachgewiesen werden, dass sich die angestrebten Präzisionswerte auf der gesamten Fläche von 1m² tatsächlich erreichen lassen.
Die fertige Maschine könnte ab etwa 2032 am Fraunhofer IOF im Einsatz sein.
Seinen offiziellen Auftakt nimmt das Projekt im Mai 2026 auf der Quantum Photonics Messe in Erfurt. Dort stellen die beteiligten Partner ihre Vision erstmals öffentlich vor.
Noch ist es ein ambitioniertes Vorhaben. Doch wenn es gelingt, könnte es die Herstellung optischer Hochleistungskomponenten grundlegend verändern – und damit auch die Möglichkeiten in einigen der anspruchsvollsten Forschungsfelder unserer Zeit erweitern.