156 Billionen FPS: Forscher entwickeln schnellste Kamera der Welt, die wissenschaftliche Phänomene sichtbar machen soll

Heutzutage sind Kameras aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie filmen, fotografieren und dokumentieren alles, was in dieser Welt passiert - dank den Ingenieuren jetzt sogar noch detaillierter. (Symbolbild, Quelle: Elvira - adobe.stock.com)

Größer, besser, schneller: Nicht nur im Leistungssport gibt es das Verlangen Rekorde zu brechen. Ingenieure des INRS Research Centre in Kanada haben sich dieses Motto ebenfalls zu Herzen genommen und die schnellste Kamera der Welt entwickelt.

Die Kamera nimmt unglaubliche 156,3 Billionen Bilder pro Sekunde auf. Damit wollen sie ultraschnelle Phänomene in den Bereichen der Physik, Biologie und Chemie für uns greifbarer und vor allem sichtbarer machen.

Geschwindigkeitsrekord in der Fotografie

In ihrer Studie vom 21. Februar 2024 haben die Ingenieure ihre neuesten Ergebnisse aus dem Bereich der sogenannten Femtofotographie veröffentlicht – also Fotografie im Femtosekunden-Bereich. Das entspricht einer Billiardstel Sekunde.

Der Versuchsaufbau: So sehen die Ingenieure hinter dieser Entwicklung und ihr Labor-Aufbau übrigens aus. Ihr Bild wurde vom Magazin Interesting Engineering auf X (ehemals Twitter) geteilt:

Link zum Twitter-Inhalt

Im Vordergrund könnt ihr die verschiedenen Linsen und Geräte sehen, die das Licht durchläuft, bis es schließlich auf dem Sensor der Kamera landet. Schnelle Schnappschüsse sind also nicht ohne weiteres möglich.

Doch warum sind diese Forschungsergebnisse etwas Besonderes? Dazu muss ein bisschen ausgeholt werden - diese rasante Bildtechnik gibt es nämlich noch nicht so lange.

Die Entwicklung der letzten Jahre: Die grundlegende Kameratechnik ist zwar alt - in diesem speziellen Fall liegt die Entwicklung für diese Vielzahl an Bildern pro Sekunde aber nur wenige Jahre zurück. Laut dem Magazin NewAtlas brechen die Ingenieure erst seit 2014 regelmäßig das Vorstellbare. Ein kurzer Zeitstrahl:

• 2014: 100 Milliarden Bilder pro Sekunde (Compressed Ultrafast Photography CUP)
• 2018: 10 Billionen Bilder pro Sekunde (T-CUP als Weiterentwicklung)
• 2020: 70 Billionen Bilder pro Sekunde (komprimierte ultraschnelle Spektralfotografie CUSP)
• 2024: 156,3 Billionen Bilder pro Sekunde (swept-coded aperture real-time femtophotography" SCARF)

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Neue Kamera könnte Erkenntnisse in einer Vielzahl an Forschungsgebieten ermöglichen

Relevanz: Eine solche Kamera ist für uns im Alltag uninteressant, weil wir so viele Bilder für reguläre Aufnahmen gar nicht brauchen.

Eine kaum greifbare Zahl: Aktuelle Handys wie das Samsung Galaxy S24 Ultra nehmen beispielsweise bei FHD-Qualität mit maximal 240 Bildern pro Sekunde auf. Das reicht für unsere Zwecke auch völlig aus.

Ein Beispiel: Unsere Kinofilme schauen wir uns meist in 24 Bildern pro Sekunde an, YouTube-Videos können bis zu 60 Bilder pro Sekunde enthalten.

Spannend wird es beispielsweise bei Slow-Motion-Aufnahmen, wie bei der Explosion dieses nachgebauten Creepers aus dem Spiel Minecraft. Je mehr Bilder die Kamera schafft, desto besser lässt sich hier bis ins kleinste Detail blicken.

Sehenswert: Hier könnt ihr zum Beispiel die Ausbreitung einer Schockwelle nachvollziehen:

Link zum YouTube-Inhalt

Doch wozu brauchen wir diese schnellen Kameras eigentlich abseits dieser unterhaltsamen, aber wenig wissenschaftlichen Spaßbilder? Die Ingenieure beschreiben den Nutzen dieser neuen, superschnellen Kamera im Beitrag des Research Institutes folgendermaßen:

Auf Deutsch: Laut den Ingenieuren können Forscher im Bereich der Chemie, Biologie und Physik dank der Bilder zukünftig besser verstehen, was warum passiert.

Billionen Bilder pro Sekunde: Mit einem Laser zum Rekord

Vereinfachte Erklärung: Hier wird nicht ins Detail getaucht, sondern ein grobes Prinzip erklärt, warum die Ingenieure so einen Versuchsaufbau brauchen.

Die Ingenieure sprechen in ihrer Studie von einer sogenannten Single-Shot-Echtzeit-Femto-Fotografie. Femto meint wie eingangs erwähnt ein Billiardstel einer Sekunde.

NewAtlas beschreibt die Technik hinter dieser Art der Fotografie recht einleuchtend:

Als erster Schritt wird beim SCARF ein ultrakurzer Laserlichtimpuls abgefeuert. Dieser trifft dann auf das Foto-Objekt oder Ereignis, das fotografiert werden soll.

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Das Licht durchläuft anschließend verschiedene Bauteile (zum Beispiel optische Linsen). Diese fokussieren, beugen und brechen das Licht immer weiter, bis es schlussendlich auf dem Sensor einer Kamera landet. Als letzten Schritt wandelt ein Computer die entsprechenden Signale in brauchbare Bilder um.

Wusstet ihr, was eine Femtosekunde ist? Welche Szenen würdet ihr gerne im kleinsten Detail betrachten? In welchem Anwendungsbereich könnte man daraus für die Medizin den größten Nutzen ziehen? Schreibt eure Gedanken gerne in die Kommentare.