Für Kraftwerke der Zukunft: Neue Hochleistungsspiegel für die Laserfusion werden am Fraunhofer-Institut in Halle entwickelt 

Lasergetriebene Fusionskraftwerke gelten als Schlüsseltechnologie auf dem Weg zur Klimaneutralität. Für diese Fusionskraftwerke sind hochreflektierende und thermisch stabile Spiegelsysteme entscheidend, um das Laserlicht von der Strahlquelle bis zur winzigen Brennstoffkugel zu transportieren. Im neuen Forschungsprojekt SHARP werden neuartige Hochleistungsspiegel für diesen Zweck entwickelt. Das Projekt wird mit 8,4 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Ziel des Verbundprojekts SHARP (»Skalierbare Highpower Reflektoren für Petawatt«) ist die Entwicklung einer neuen Generation hochreflektierender Laserspiegel, die den extremen Anforderungen zukünftiger Petawatt-Laserfusionsreaktoren gerecht werden. Zu diesem Zweck sollen großflächige und intern gekühlte optische Hochleistungsspiegelsysteme entwickelt werden, die es so bisher noch nicht gibt.

»Das Projekt SHARP soll zu neuen Fertigungstechnologien führen, die großflächige Spiegel mit neuartigen Eigenschaften ermöglichen«, erklärt Dr. Yakup Gönüllü von SCHOTT. Er koordiniert das neue Verbundprojekt, das mit einer Kickoff-Veranstaltung am 04. März nun offiziell in seine dreijährige Laufzeit gestartet ist. »Diese Hochleistungsspiegel stellen einen unverzichtbaren Beitrag zur Realisierung kommerzieller Laserfusionskraftwerke im zuverlässigen Dauerbetrieb dar«, so Gönüllü weiter. Das Forschungsprojekt hat ein Gesamtvolumen von 10,4 Millionen Euro, von denen 8,4 Millionen Euro 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 Fusionskraftwerke jedoch entscheidend sein. Schlüsseleigenschaften der im Projekt zu entwickelnden Hochleistungsspiegel sind daher höchste optische Qualität sowie ein neuartiges Wärmemanagement für die verwendeten optischen Komponenten.

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.

Entwicklung wissenschaftlich-technischer Grundlagen

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 Dr. Nadja Felde, 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.«

Anwendungspotentiale über die Laserfusion hinaus

Über die Potentiale der anvisierten Ergebnisse im SHARP-Verbund ergänzt Prof. Dr. Thomas Höche vom Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS aus Halle (Saale): »Über die Laserfusion hinaus haben die angestrebten Entwicklungen ein großes Potential für Anwendungen in weitere Zukunftsmärkten, 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.«

Partner aus Industrie und Forschung im Projekt »SHARP«

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 Watt. Ein Kohle- oder Gaskraftwerk hat eine Leistung von 1.000.000.000 Watt, ein handelsüblicher Wasserkocher 2.000 Watt.

Geleitet werden die Laserstrahlen über spezielle Spiegelsysteme, die sowohl optisch als auch mechanisch und thermisch besondere Eigenschaften aufweisen müssen. Eine Kombination der erforderlichen Eigenschaften konnte bisher so noch nicht realisiert werden. Das will das Konsortium im neuen Forschungsverbund SHARP durch die Entwicklung neuer Fertigungstechnologien sowie der Realisierung neuartiger Laserspiegel für den Einsatz im Petawatt-Bereich ändern.

Foto Fraunhofer-Institut IWMS