Joseph von Fraunhofer

Wenn Sonnenlicht durch ein Prisma in seine Spektralfarben zerlegt wird, erscheint ein Spektrum in Regenbogenfarben. Um 1814 erforschte Fraunhofer dieses Phänomen des Lichts mit seinem selbst entwickelten Spektrometer und entdeckte zwischen den Farbbereichen 574 dunkle Linien unterschiedlicher Stärke.

Bereits ein paar Jahre zuvor um 1802 hatte der englische Wissenschaftler William Hyde Wollaston diese dunklen Linien bemerkt. Aber erst Fraunhofer erkannte, dass diese Linien in der Natur der Sonne liegen und kein Zufallsprodukt sind. Er begann, sie mit einer erstaunlichen Genauigkeit zu vermessen und zu dokumentieren. Diese dunklen Linien waren der Schlüssel zum Erfolg für seine Forschungsarbeiten. Sie dienten ihm als Maßstab, um die Lichtbrechung verschiedener Gläser zu messen. Die genaue Kenntnis vom Farbzerstreuungsvermögen jeder Glasart war die Voraussetzung, damit Rohglas in einer gleich bleibenden Qualität hergestellt werden konnte, aus denen anschließend die besten optischen Linsen seiner Zeit entstanden.

Ein Meilenstein für die Astronomie

Etwa um 1860 erkannten Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Kirchhof bei der Entwicklung der Spektralanalyse die Entstehung der Fraunhofer’schen Linien. Sie fanden heraus, dass sich beim Verbrennen chemischer Elemente die Farben der jeweiligen Flammen charakteristisch verfärben. Die dunklen Linien im Spektrum entstehen, wenn chemische Elemente Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren, also verschlucken. Dadurch erscheint an dieser Stelle in der Farbskala ein schwarzer Bereich, im Spektrometer erkennbar als dunkle Linie. Jedes chemische Element hinterlässt einen ganz charakteristischen Fingerabdruck, an dunklen Linien im Farbspektrum, ähnlich einem Strichcode. Am Muster der Absorptionslinien kann man feststellen, aus welchen Elementen sich die Materie zusammensetzt, die das Licht durchwandert ist. Diese Entdeckung war ein Meilenstein für die Astronomie, denn unser Wissen über das Weltall wird aus der Analyse des Lichts gewonnen, das die Himmelsköper ausstrahlen. Heute sind im Sonnenspektrum ca. 25.000 Absorptionslinien bekannt. Die Fraunhofer'schen Linien gingen in die physikalische Terminologie ein und trugen wesentlich zur Entwicklung von Spektralanalyse und Astrophysik bei.

Joseph von Fraunhofer - vom Lehrling zum anerkannten Wissenschaftler

Fraunhofers Lebenslauf ließ zu Beginn keinen außergewöhnlichen Erfolg erwarten. Geboren im Jahr 1787, hatte er schon im Alter von zwölf Jahren beide Eltern verloren. Für den ursprünglich vorgesehenen Beruf des Drechslers war er körperlich zu schwach; so trat er - wie sein Vater - eine Lehre als Glaser an. Sein Lehrherr Philipp Anton Weichselgartner erlaubte jedoch nicht, daß der wissbegierige junge Fraunhofer die Feiertagsschule besuchte und Bücher las.

Erst ein Schicksalsschlag brachte die Wendung. Als Weichselgartners Haus 1801 einstürzte, konnte Fraunhofer nach einigen Stunden unverletzt geborgen werden. Dabei kam er in Kontakt mit Kurfürst Max IV. Joseph und mit dem Unternehmer Joseph von Utzschneider. Auf diese Weise in der Öffentlichkeit bekannt geworden, wuchsen Fraunhofers Möglichkeiten der persönlichen Entwicklung beträchtlich. Fortan durfte er die Schule besuchen, erhielt Unterricht in der Kunst des Linsenschleifens und wurde schließlich als Optiker an die Werkstatt des renommierten Erfinders und Konstrukteurs Georg von Reichenbach empfohlen, an der Utzschneider beteiligt war. 

Fraunhofers Begabung und Zielstrebigkeit wurden bald offenkundig. So beriefen ihn Reichenbach und Utzschneider bereits im Alter von 22 Jahren zum verantwortlichen Leiter der zum Betrieb gehörenden Glashütte in Benediktbeuern. Die Entwicklung neuer Glassorten, entscheidende Verbesserungen bei der Glasherstellung und die Perfektionierung des optischen Instrumentebaus führten zu eindrucksvollen Ergebnissen. Fraunhofer setzte standardisierte Herstellungsmethoden durch, erweiterte die Produktpalette der Werkstatt erheblich und vergrößerte damit auch deren wirtschaftlichen Erfolg. Der Betrieb stellte nun Fernrohre, Ferngläser, Mikroskope, Lupen und astronomische Fernrohre in einer bis dato unerreichten Qualität her. Fraunhofers Instrumente wurden in ganz Europa vertrieben und eingesetzt. 

Nicht zuletzt für die eigene wissenschaftliche Arbeit erwiesen sich die von Fraunhofer selbst entwickelten Instrumente als unentbehrliche Voraussetzung. Sein Spektrometer erlaubte ihm die genaue Untersuchung des Sonnenlichts und anderer Lichtquellen; selbstgefertigte optische Gitter machten es möglich, das Phänomen der Lichtbeugung zu untersuchen und in seiner Auswirkung auf den Bau optischer Instrumente zu beschreiben. 

Die konkurrenzlos guten Instrumente und seine wissenschaftlichen Leistungen brachten Fraunhofer national und international großen Ruhm und viele Ehrungen ein. Bedeutende Wissenschaftler und Politiker der damaligen Zeit besuchten ihn an seiner Wirkungsstätte. Dazu gehörten z. B. der Physiker Carl Friedrich Gauß, der bayerische König Max I. Joseph und wahrscheinlich auch der russische Zar, Alexander I. 

Sein wissenschaftliches Renommee führte dazu, dass Fraunhofer gegen den anfänglichen Widerstand etablierter Forscher als Vollmitglied in die Akademie der Wissenschaften aufgenommen wurde. Der bayerische König ernannte ihn schließlich zum Ritter des Civilverdienstordens und erhob ihn damit in den Adelsstand. Joseph von Fraunhofer starb 1826, im Alter von 39 Jahren, an Lungentuberkulose.

Fraunhofer gilt als Begründer der wissenschaftlichen Methodik im Bereich Optik und Feinmechanik, als Schöpfer der deutschen Präzisionsoptik und zugleich als erfolgreicher Unternehmer. 

Nach dem Eintritt in Utzschneiders und Reichenbachs Unternehmen, das Mathematisch-Mechanische Institut mit der Glasfabrikation in Benediktbeuern, konzentrierte er sich zunächst auf die Verbesserung der Glasqualität. Er führte präzise dokumentierte Experimente mit veränderten Rohmaterialien und modifizierten Schmelzverfahren durch und erreichte so die Produktion schlierenfreier Gläser. Zugleich standardisierte er die Bearbeitung des fertigen Glases - in der damaligen Zeit ein absolutes Novum - und machte das Ergebnis damit weitgehend unabhängig vom Geschick des einzelnen Linsenschleifers.

Seine genauen Kenntnisse über das Brechungsverhalten und die Farbdispersion einzelner Glassorten halfen Fraunhofer, ungewöhnlich große achromatische Fernrohre zu konstruieren. So entstand eine neue Generation astronomischer Refraktoren. Sie verfügten über Linsendurchmesser und Abbildungsleistungen, die bis dato als nicht realisierbar galten. Die Qualität der Fernrohre blieb noch viele Jahrzehnte nach ihrer Herstellung unübertroffen und ermöglichte grundlegende Entdeckungen in der Astronomie. So gelang es dem Astronomen und Mathematiker Friedrich Wilhelm Bessel mit Hilfe des Fraunhofer'schen Heliometers 1838 erstmals, eine Fixstern-Parallaxe zu bestimmen. Fraunhofers berühmtestes Werk ist der parallaktisch montierte Refraktor für die kaiserlich-russische Sternwarte in Dorpat. Mit dem baugleichen 9-Zoll-Refraktor, der heute im Deutschen Museum steht, gelang es dem Astronomen Johann Gottfried Galle 1846, den Planeten Neptun zu entdecken. 

Auch für seine eigene Forschungsarbeit waren die von Fraunhofer neu entwickelten optischen Instrumente von großer Bedeutung. Selbstgefertigte Prismen ermöglichten ihm die spektrale Untersuchung des Lichts. Schon andere Wissenschaftler vor ihm hatten dunkle Streifen im Spektrum des Sonnenlichts bemerkt; aber erst Fraunhofer erkannte, daß diese Linien - wir bezeichnen sie heute als Fraunhofer'sche Linien - in der Natur des Sonnenlichts selbst liegen. Mit seinen grundlegenden wissenschaftlichen Arbeiten zur spektralen Zusammensetzung des Lichts verschiedener Quellen wurde Fraunhofer zu einem der Väter der modernen Spektralanalyse.

Ein weiterer Meilenstein in Fraunhofers wissenschaftlicher Arbeit waren seine Untersuchungen zur Lichtbeugung. Mit Hilfe eines Diamanten stellte er ein Beugungsgitter mit einem Linienabstand von nur 0,003 Millimetern her. Damit gelang es ihm, die Wellenlänge des Lichts verschiedener Farben mit erstaunlicher Präzision zu messen. 

Wissenschaftliche Forschung und praktische Anwendung befruchteten sich bei Fraunhofer gegenseitig. Die Entdeckung und Beschreibung der Absorptionslinien im Spektrum des Sonnenlichts etwa ermöglichten es, das Brechungsvermögen einzelner Glassorten genau zu bestimmen. Die Untersuchungen zur Lichtbeugung waren unmittelbar zur Konstruktion verbesserter Fernrohre zu verwenden. Alle Erkenntnisse, die er experimentell gewann, wußte Fraunhofer auch in neue Produkte und Verfahren umzusetzen. Die Fortschritte bei der Herstellung optischer Instrumente schufen wiederum die Voraussetzung für die weiteren Erfolge seiner wissenschaftlichen Untersuchungen. So wurde Joseph von Fraunhofer auch zu einem Begründer der modernen anwendungsorientierten Forschung.

Optik in Wissenschaft und Technik von heute

Joseph von Fraunhofer hat mit seiner grundlegenden und systematischen Forschung die Optik maßgeblich beeinflußt. Und damit ist sein Wirken noch heute spürbar, denn optische Systeme sind aus der modernen Welt nicht mehr wegzudenken. 

Besonders deutlich ist dies am Beispiel der Informations- und Kommunikationstechnik zu erkennen: Die Datenübertragung durch Glasfasern vermag ein Vielfaches der bisher üblichen Kupferkabel zu leisten; auf optischen CDs, die mit Hilfe von Laserlicht beschrieben und gelesen werden, können weitaus mehr Informationen gespeichert werden als auf jedem anderen Datenträger. Die Entwicklung des Internet zeigt, daß die Datenflut ständig zunimmt und in Zukunft nur noch mit Hilfe optischer Übertragungs- und Speichertechniken zu bewältigen sein wird. Schon der heute übliche Medienkonsum wäre ohne die Anwendung optischer Datensysteme nicht mehr denkbar.

Licht ist zu einem universellen Werkzeug in Wissenschaft und Industrie geworden. Gebündelt in Gestalt eines Laserstrahls, können wir damit Materialien und Bauteile bearbeiten. Starke Lasergeneratoren erlauben es, mehrere Meter Blech pro Sekunde zu schneiden, die hochpräzise Steuerbarkeit des Laserstrahls ist wiederum Voraussetzung für seine Verwendung zur Datenspeicherung oder beim Laserdruck. 

In der Meßtechnik spielen optische Verfahren eine zunehmende Rolle. Selbst Spuren von Verunreinigungen in kilometerhohen Bereichen der Atmosphäre können lasertechnisch erfaßt und diagnostiziert werden. Die Spektralanalyse, zu deren Entwicklung Joseph von Fraunhofer grundlegende Erkenntnisse beitrug, gehört zum Standardrepertoire moderner analytischer Labors. 

Auch in der Mikroelektronik, einer weiteren Schlüsseltechnologie, ist die Optik unentbehrlich geworden: Integrierte Schaltkreise werden durch Belichtung photoempfindlicher Materialien und anschließende chemische Bearbeitung erzeugt. Die Vermittlung elektrischer und optischer Signale gehört zu einem wichtigen Entwicklungssektor auf dem Feld moderner Mikrosysteme. 

In der Medizin kann schon lange nicht mehr auf optische Systeme verzichtet werden. Die Laserchirurgie entwickelt sich zu einer bevorzugten Technik, und die minimalinvasive Chirurgie wäre ohne hochentwickelte optische Endoskope nicht durchführbar. Mikrooptische Analysegeräte von der Größe einer Armbanduhr ermöglichen es, physiologische Daten des Patienten permanent zu überwachen. 

Innovative Lichtquellen schließlich bringen eine neue Dimension in die Optik. Leuchtdioden und Diodenlaser schicken sich an, die herkömmlichen Glühlampen abzulösen. Einsatzfelder sind beispielsweise Bildschirme, Lichtsignale sowie Innenraum- und Fahrzeugbeleuchtungen. Lange Lebensdauer, geringer Preis und reduzierter Energieverbrauch werden diesen neuen Leuchtmitteln in absehbarer Zeit zum Durchbruch verhelfen. 

Joseph von Fraunhofers Vermächtnis wirkt fort. Der rasanten Entwicklung im Bereich der Optik hat er zu seiner Zeit einen entscheidenden Anstoß gegeben.

Anlässlich des 225. Geburtstags von Joseph von Fraunhofer am 6. März 2012 ist eine Sonderbriefmarke im Wert von 90 Cent erschienen. Das Motiv zeigt das symbolisierte Sonnenspektrum mit den Fraunhofer‘schen Linien, gestaltet nach einem Entwurf von Prof. Daniela Haufe und Prof. Detlef Fiedler aus Berlin. Dies ist die zweite Sondermarke, die zum Gedenken an den berühmten Namensgeber der Fraunhofer-Gesellschaft herausgegeben wurde.

Die erste Sondermarke im Wert von 80 Pfenning kam am 12. Februar 1987 zum 200. Geburtstag des berühmten Forschers heraus. Das Motiv war ebenfalls das Sonnenspektrum mit den Absorptionslinien, ergänzt mit einem Diagramm der Intensitätsverteilung und dem Schriftzug Joseph Fraunhofers nach einem Entwurf von Ernst Kößlinger.