Joseph von Fraunhofer

Fraunhofer-Gesellschaft

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Zum Andenken an den 225. Geburtstag von Joseph von Fraunhofer (1787-1826) am 6. März 2012 geben die Fraunhofer-Experten Pater Leo Weber und Carl R. Preyß einen Einblick in sein Leben und seine Wirkungsstätte im Kloster Benediktbeuern.

Joseph von Fraunhofer

Ihren Namen verdankt die Fraunhofer-Gesellschaft dem Münchener Gelehrten Joseph von Fraunhofer (1787-1826), der als Wissenschaftler, Erfinder und Unternehmer gleichermaßen erfolgreich war. Fraunhofer gilt als Begründer der wissenschaftlichen Methodik im Bereich der Optik und Feinmechanik, sowie als Pionier der deutschen Präzisionsoptik.

Der Glasschleiferlehrling aus einfachen bürgerlichen Verhältnissen wurde von dem Geheimen Rat Joseph von Utzschneider gefördert. Er trat in dessen Optisches Institut ein und übernahm dort im Alter von 22 Jahren die Leitung der Glasherstellung in Benediktbeuern. Auf ihn geht die Entwicklung neuer Produktions- und Bearbeitungstechniken für optische Gläser zurück, die die Abbildungsqualität von Linsen entscheidend verbesserten.

Selbst entwickelte optische Instrumente wie das Spektroskop und Experimente zur Beugung des Lichts an optischen Gittern ermöglichten es Fraunhofer, grundlegende Forschungsergebnisse im Bereich von Licht und Optik durchzuführen. Er nutzte seine Erkenntnisse, um die Materialeigenschaften von Linsen mit einer wesentlich gesteigerten Genauigkeit zu messen. Dadurch gelang es ihm, die Objektive zu optimieren. Er vermaß erstmals das Spektrum des Sonnenlichts und charakterisiert die darin auftretenden dunklen Absorptionsstreifen, die »Fraunhofer'schen Linien«. Seine Arbeit als autodidaktsicher Forscher verschaffte ihm große Anerkennung in Wissenschaft und Politik. So wurde der ehemalige Lehrling Vollmitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und Professor des physikalischen Kabinetts der Akademie.

Die Fraunhofer'schen Linien

Die Fraunhofer'schen Absorptionslinien im Sonnenspektrum begegnen jedem, der in die Sphären der Optik einsteigen will. Joseph von Fraunhofer hat sie als Erster systematisch untersucht, vermessen und veröffentlicht. Sie dienten ihm als objektiver Maßstab für die Entwicklung und Prüfung des Optikglases. Heute spielen sie unter anderem in der Weltraumforschung eine entscheidende Rolle, denn sie verraten uns nicht nur die chemische Zusammensetzung und Temperatur der Gasatmosphäre von Sternen, sondern auch deren Entfernung und mit welcher Geschwindigkeit sie sich fortbewegen.

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

Bereits ein paar Jahre zuvor, um 1802, hatte der englische Wissenschaftler William Hyde Wollaston diese dunklen Linien bemerkt. Aber erst Fraunhofer erkannte, dass sie kein Zufallsprodukt sind, sondern in der Natur des Sonnenlichts liegen. Er vermaß und dokumentierte die Linien mit erstaunlicher Genauigkeit. Sie waren der Schlüssel zum Erfolg seiner Forschungsarbeiten, denn sie dienten ihm als Maßstab, um die Lichtbrechung verschiedener Gläser zu messen. Die genaue Kenntnis dieser Eigenschaft jeder Glasart war die Voraussetzung dafür, Rohglas in konstanter Qualität herzustellen, aus denen anschließend die besten Linsen der damaligen Zeit gefertigt werden konnten.

Erst 1859 erkannten Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Kirchhof bei der Entwicklung der Spektralanalyse, wie die Fraunhofer’schen Linien entstehen. Sie fanden heraus, dass sich beim Verbrennen chemischer Elemente die Farbe der Flamme charakteristisch ändert, und dass die dunklen Linien im Spektrum entstehen, wenn chemische Elemente Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren, also verschlucken. Dadurch fehlt an dieser Stelle in der Farbskala das Licht, und im Spektrometer wird eine dunkle Linie erkennbar. Jedes chemische Element hinterlässt in Gestalt der dunklen Linien im Farbspektrum einen charakteristischen »Fingerabdruck«, ähnlich einem Strichcode. Am Muster der Linien kann man erkennen, aus welchen Elementen sich die Materie zusammensetzt, die das Licht durchwandert hat. Diese Entdeckung war ein Meilenstein für die Astronomie, denn unser Wissen über das Weltall wird fast ausschließlich durch die 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.

Seine Vita

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.

Seine Leistungen

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 Fraunhoferschen Heliometers 1883 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 Fraunhofersche 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.

Sein Vermächtnis

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.

Joseph von Fraunhofers Lebenslauf in Daten

6. März 1787

Joseph Fraunhofer wird als elftes Kind von Franz Xaver und Anna Maria Fraunhofer im niederbayrischen Straubing geboren.

1799–1804

Der junge Fraunhofer absolviert eine Lehre beim Spiegelmacher und Zierraten-Glasschleifer Philipp Anton Weichselberger in München.

1801

Weichselbergers Haus stürzt ein; Fraunhofer wird verschüttet. Bei der Rettung kommt er in Kontakt mit dem Geheimen Rat Joseph von Utzschneider und mit Kurfürst Maximilian IV. Joseph.

1804-1806

Fraunhofer arbeitet als Geselle bei Weichselberger.

1806

Fraunhofer tritt als Optiker in das Mathematisch-mechanische Institut von Reichenbach, Utzschneider und Liebherr in München ein.

1808

Fraunhofer arbeitet als Glasschleifer in der Glashütte Benediktbeuern, die zum Mathematisch-mechanischen Institut gehört; er veröffentlicht eine erste wissenschaftliche Abhandlung.

1809

Bis auf die Glasschmelze trägt Fraunhofer die gesamte Verantwortung für die Glasherstellung in Benediktbeuern.

1811

Fraunhofer übernimmt die Gesamtleitung der Glashütte des Mathematisch-mechanischen Instituts in Benediktbeuern.

1814

Fraunhofer wird alleiniger Partner von Utzschneider und Leiter des gesamten Mathematisch-mechanischen Instituts.

1817

Die Bayerische Akademie der Wissenschaften ernennt Fraunhofer zum korrespondierenden Mitglied.

1819

Rückverlegung des Mathematisch-mechanischen Instituts nach München

1821

Nach einigen Diskussionen wegen seiner fehlenden akademischen Ausbildung wird Fraunhofer zum außerordentlichen besuchenden Mitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften ernannt.

1822

Verleihung der Ehrendoktorwürde der Universität Erlangen an Fraunhofer.

1823

Fraunhofer wird besoldeter Professor und Konservator des physikalischen Kabinetts der Bayerischen Akademie der Wissenschaften.

1824

König Max l. Joseph ernennt Fraunhofer zum Ritter des »Civil-Verdienst-Ordens der Baierischen Krone«; damit ist der persönliche Adel verbunden.

7. Juni 1826

Joseph von Fraunhofer stirbt in München.

Sonderbriefmarken Joseph von Fraunhofer

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.