Neue Hochleistungsspiegel für die Laserfusion
Fraunhofer-Forschende entwickeln thermisch stabile Spiegelsysteme, die Lasern mit einer Leistung von über 1 Billiarde Watt standhalten.
Eine Forscherin hält einen hochreflektierenden Spiegel für Laseranwendungen in der Hand. Die Technologie soll für die Laserfusion optimiert werden.
Foto: Fraunhofer IOF
Lasergetriebene Fusionskraftwerke gelten als Schlüsseltechnologie auf dem Weg zur Klimaneutralität. Für diese Fusionskraftwerke sind hochreflektierende und thermisch stabile Spiegelsysteme entscheidend. Sie transportieren das Laserlicht von der Strahlquelle bis zur winzigen Brennstoffkugel. Im neuen Forschungsprojekt „Sharp“ werden neuartige, intern gekühlte Hochleistungsspiegel für diesen Zweck entwickelt. Das Projekt wird mit 8,4 Mio. € vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
„Das Projekt Sharp soll zu neuen Fertigungstechnologien führen, die großflächige Spiegel mit neuartigen Eigenschaften ermöglichen“, erklärt Yakup Gönüllü vom Unternehmen Schott. Der promovierte Philosoph, Chemiker und Materialwissenschaftler koordiniert das neue Verbundprojekt, das mit einer Kick-off-Veranstaltung am 4. März offiziell in seine dreijährige Laufzeit gestartet ist. „Diese Hochleistungsspiegel stellen einen unverzichtbaren Beitrag zur Realisierung kommerzieller Laserfusionskraftwerke im zuverlässigen Dauerbetrieb dar.“
Das Forschungsprojekt hat ein Gesamtvolumen von 10,4 Mio. €, von denen 8,4 Mio. € im Rahmen der Initiative „Basistechnologien für die Fusion – auf dem Weg zu einem Fusionskraftwerk“ vom BMBF gefördert werden.
Neue Fertigungstechnologien für Dauerbetrieb kommerzieller Laserkraftwerke
Frühere Arbeiten zu Laserspiegelsystemen haben den thermischen Aspekt nicht berücksichtigt. Zukünftig wird der absorptionsinduzierte thermische Energieeintrag in die Spiegelsysteme im Dauerbetrieb von lasergetriebenen Fusionskraftwerken jedoch entscheidend sein.
Neben der thermischen Stabilität der neuartigen Spiegel ist auch die Skalierbarkeit der Technologie ein zentraler Faktor des Projektes. Effiziente Fertigungsprozesse sollen zur Wirtschaftlichkeit sowie ökologischen Bilanz und somit zur Kommerzialisierung von Laserfusionskraftwerken beitragen.
Um dieses Ziel zu erreichen, sollen im Verbund Sharp die wissenschaftlich-technischen Grundlagen für neuartige Fertigungstechnologien für superpolierte, gekrümmte, großflächige Optiken sowie Methoden zur Entfernung unvollkommener Substratbereiche und sogenannte „Null-Fehler“-Reinigungsstrategien entwickelt werden. Für die thermische Stabilisierung und aktive Kühlung werden neuartige integrierte Kühlstrukturen in Glassubstraten und thermomechanische Effekte in die Schichtentwicklung einbezogen.
„Die Herausforderung besteht darin, dass die Laserspiegel über lange Zeit extremen Belastungen standhalten müssen“, erklärt die promovierte Physikerin Nadja Felde. Sie ist die zuständige Projektkoordinatorin am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena. „Der Hauptaspekt in diesem Forschungsprojekt ist daher das Verständnis und die Kontrolle der thermischen Eigenschaften von großflächigen Spiegelsystemen in Design und Fertigung unter Beibehaltung der Reflektivität auf höchstem Niveau.“
Anwendungspotenziale gehen über die Laserfusion hinaus
Prof. Dr. Thomas Höche vom Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS aus Halle (Saale) ergänzt: „Über die Laserfusion hinaus haben die angestrebten Entwicklungen ein großes Potenzial für Anwendungen in weitere Zukunftsmärkte, insbesondere für Hochleistungslaseranwendungen und die Lasermaterialbearbeitung, aber auch in der Raumfahrt sowie speziell auch für die nächste Generation von Substraten und Beschichtungen für die EUV-Lithografie.“
Koordinator ist die Schott AG
Das Sharp-Konsortium wird von der Schott AG koordiniert und vereint führende Unternehmen und Institute aus dem Bereich der optischen Prozesskette, darunter Layertec GmbH, Asphericon GmbH, 3D-Micromac AG, OptiX fab GmbH, Cutting Edge Coatings GmbH, Robeko GmbH & Co. KG, Laser Zentrum Hannover e.V. sowie das Fraunhofer IOF und das Fraunhofer IMWS.
Laserfusion: Saubere Energie durch Verschmelzung von Atomkernen
Die Laserfusion ist von der Natur inspiriert: Ähnlich wie es auf der Sonne geschieht, soll durch die Verschmelzung von Atomkernen Energie gewonnen werden. In einem Laserfusionskraftwerk werden dafür mehrere Hochleistungslaser auf eine Brennstoffkapsel gerichtet, um diese bei extrem hohen Temperaturen zu verdampfen und anschließend die Atomkerne unter hohem Druck zu verschmelzen.
Bei diesem Prozess wirken enorme Kräfte: Die Laserstrahlung in einem Fusionskraftwerk bewegt sich in der in der Größenordnung von mehreren Petawatt. Zum Vergleich: Ein Petawatt entspricht 1.000.000.000.000.000 W. Ein Kohle- oder Gaskraftwerk hat eine Leistung von 1.000.000.000 W, ein handelsüblicher Wasserkocher 2.000 W.
Experten gehen davon aus, dass es vor 2045 kein Fusionskraftwerk geben wird.
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