Mit dem Laser für mehr Nachhaltigkeit
Von der Energieforschung bis zur Metallbearbeitung: Überall bietet der
Laser Möglichkeiten, um mehr für eine nachhaltige Zukunft zu tun. Schon
heute werden Batteriezellen für die Elektromobilität mit dem Laser
besonders effizient geschweißt. Mit dem Laser lassen sich Schadstoffe in
der Atmosphäre messen und mit ihm wird das Quanteninternet aufgebaut.
Diese und weitere Innovationen zeigte das Fraunhofer-Institut für
Lasertechnik ILT auf der diesjährigen LASER World of PHOTONICS und der
World of QUANTUM in München.
Die LASER-Messe in München feierte in diesem Jahr ihren 50. Geburtstag.
Mit über
40 000 Besuchern lag sie gut 30 Prozent über dem Vor-Pandemie-Niveau, ein
klares Zeichen für die wirtschaftliche Relevanz des Themas Lasertechnik.
Am gleichen Ort fanden die Fachmessen automatica und die World of QUANTUM
statt. Das zeigt einerseits, wie stark Lasertechnik und Maschinenbau heute
vernetzt sind, andererseits forcieren neue Themen wie die
Quantentechnologien das Innovationstempo.
Wie eng die Lasertechnologie mit der Grundlagenforschung verknüpft ist,
zeigte sich auf dem World of Photonics Congress. Dr. Tammy Ma von der
National Ignition Facility des Lawrence Livermore National Laboratory und
Prof. Constantin Häfner, der Direktor des Fraunhofer ILT, sprachen dort im
Plenary Talk über das Potenzial lasergetriebener Trägheitsfusion. Das
Thema hat große Erwartungen als zukünftige Energiequelle geweckt – es wird
aber auch einen Entwicklungsschub in der Lasertechnik bewirken.
Laserschweißen für extreme Bedingungen
Ein Schneemobil gehört sicher zu den ungewöhnlichsten Exponaten auf einer
Lasermesse. In diesem Jahr zeigte das Fraunhofer ILT ein elektrisches
Schneemobil des finnischen Fahrzeugherstellers Aurora Powertrains auf
seinem Stand. Es nutzt kältefeste Batterien mit äußerst hoher
Energiedichte, die für arktische Temperaturen entwickelt wurden. Die
Fügetechnik für die IP67-klassifizierten Batterien wurde in Aachen
maßgeschneidert.
Zum Einsatz kommen Lithium-Ionen-NMC-Pouch-Zellen mit 0,2 mm dünnen
elektrischen Kupfer- und Aluminium-Kontakten. Geschweißt werden sie mit
einem 1 kW- Single Mode Faser-Laser, dessen Steuerungselektronik die
Leistung örtlich moduliert. »Wir haben die Idee evaluiert, die ersten
Muster gefertigt und das finnische Startup bei der Weiterentwicklung
begleitet«, erklärt Dr. Alexander Olowinsky, Abteilungsleiter Fügen und
Trennen am Fraunhofer ILT. »Jetzt unterstützen wir sie bei der Umsetzung
für die Großserienfertigung.«
Robuste Laser für Schadstoffmessungen aus dem Weltall
Expertinnen und Experten des Fraunhofer ILT setzen den Laser bereits seit
mehreren Jahren für die Klimaforschung ein. LIDAR-Systeme (Light Detection
and Ranging), eine Form des dreidimensionalen Laserscannings, ähnlich dem
Radar, leisten dabei einen wichtigen Beitrag. Es gibt erdgebundene,
helikopter- oder satellitengestützte Systeme. Auf der LASER World of
PHOTONICS wurden Exponate zu diesen drei verschiedenen Varianten
präsentiert. Eine davon ist das satellitengestützte LIDAR-System der
deutsch-französischen Klimamission MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR-
Mission).
Methan ist eines der gefährlichsten Treibhausgase. Es ist wesentlich
umweltschädlicher als CO2. Eine Untersuchung, wo genau es emittiert wird
und wo es verschwindet, ist entsprechend wichtig für das weitere
Verständnis des Klimawandels. Im Rahmen der Klimamission MERLIN entwickeln
Forschende aus Aachen ein robustes LIDAR-System. Dieses soll schließlich
an Bord eines Satelliten die Methankonzentration in der Atmosphäre messen.
Es wird Tag und Nacht Laserstrahlen in die Atmosphäre schicken und aus den
rückgestreuten Signalen die Methanverteilung berechnen. Im Gegensatz zu
herkömmlichen Methanmessungen mit optischen Spektrometern, für die
Sonnenstrahlung erforderlich ist, können mit dem MERLIN-LIDAR auch Werte
auf der Nachtseite der Erde gemessen werden. Auch sind damit Messungen in
kleinräumigen Wolkenlücken möglich. Der Laser muss über einen
Temperaturbereich von -30 bis +50 °C die volle Leistung bringen. Am
Fraunhofer ILT wurden dafür spezielle Mountingtechnologien entwickelt, die
inzwischen auch für andere Satellitenprojekte angewandt werden.
Quantenfrequenzkonverter für das Quanteninternet
In verschiedenen Förderprojekten werden derzeit Systeme für das
Quanteninternet entwickelt. Sie sollen eine abhörsichere Kommunikation
ermöglichen, später auch die Vernetzung von Quantencomputern. Übertragen
werden bei der Kommunikation via Quanteninternet einzelne Photonen, die in
speziellen Lichtquellen erzeugt werden.
Dabei gibt es ein Problem: Die Lichtquellen arbeiten meist im sichtbaren
Spektralbereich, die Übertragungsfasern haben ihre niedrigsten Verluste
jedoch im nahen Infrarot. In einer Kooperation mit QuTech, einer
gemeinsamen Forschungseinrichtung der Technischen Universität Delft und
der niederländischen Organisation für angewandte naturwissenschaftliche
Forschung TNO, hat ein Team vom Fraunhofer ILT einen
Quantenfrequenzkonverter (QFC) entwickelt, der das Problem löst. Er ist
inzwischen in Delft im Einsatz, wo drei verschiedene Knoten zu einem
ersten Quanteninformationsnetzwerk zusammengeschlossen werden.
An dem QFC wurden schon eine Effizienz von rund 50 Prozent (fiber in/fiber
out) und ein ultraniedriges Rauschen von 2 Hz/pm gemessen. Mit dem QFC
lassen sich jetzt in Aachen verschiedene Komponenten für den Aufbau von
Quantennetzwerken testen. Im Rahmen des Förderprojektes N-Quik können
Partner aus Industrie und Wissenschaft so neue Produkte und Anwendungen
entwickeln und das volle Potenzial des verteilten Quantencomputings
erschließen.
Beschichten und Zerspanen in einem Arbeitsgang
Hochfeste Schutzschichten können einiges ab. Je besser sie schützen, umso
schwieriger sind sie allerdings zu bearbeiten. Das Problem löst ein neues
Verfahren, das am Fraunhofer ILT entwickelt wurde. Dafür werden zwei
Fertigungsverfahren kombiniert: Die Beschichtung wird mit dem Extremen
Hochgeschwindigkeits-Laserauft
zeitgleich mechanisch bearbeitet. Die Schicht ist da noch heiß und deshalb
wesentlich besser zerspanbar.
Das Verfahren wird englisch Simultaneous Machining and Coating (SMaC)
genannt und spart signifikant Zeit, Energie und Material ein. »Mit SMaC
können wir korrosions- und verschleißbeständige Beschichtungen
wirtschaftlich aufbringen. Wir erzielen sehr hohe Oberflächenqualitäten in
kürzerer Zeit und mit potenziell höheren Werkzeugstandzeiten als mit der
üblichen, sequenziellen Bearbeitung«, erklärt Viktor Glushych, Leiter der
Gruppe Beschichtung LMD und Wärmebehandlung am Fraunhofer ILT. Je nach
Anforderungsprofil und Beschichtungswerkstoff kann die Prozessdauer um
mehr als 60 Prozent reduziert werden.
Das Verfahren lässt sich sehr breit anwenden, von der Energiewirtschaft
und der gesamten Mobilitätsbranche reicht das Spektrum bis zur chemischen
Industrie und dem Bergbau. Überall, wo hoch belastete,
rotationssymmetrische Bauteile zum Einsatz kommen sorgt SMaC für
Einsparungen bei wichtigen Ressourcen.
Laserscanner mit 90 Prozent weniger Bauvolumen
Eigentlich sind Laserscanner schon recht optimierte Baugruppen. Dennoch
ist es einem Team des Fraunhofer ILT gelungen, durch eine Fusion von
Scannerantrieb und Spiegelsubstrat deutlich kleinere Baugrößen zu
realisieren. Der planare Galvo-Scanner spart gegenüber konventionellen
Systemen bis zu 90 Prozent Bauvolumen.
Mit der besonders kompakten Bauform von nur 50 cm³ wird auch sehr viel
Gewicht eingespart, was ganz unterschiedliche Möglichkeiten in der
Anwendung eröffnet. So können zum Beispiel handgeführte Systeme noch
leichter werden oder mehrere Scanner nebeneinander in einem
Bearbeitungskopf eingesetzt werden. Der Miniscanner nutzt eine kommerziell
verfügbare, modellbasierte Regelungselektronik. Damit ist die Integration
in bestehende Maschinen unter Verwendung standardisierter
Kommunikationsprotokolle möglich.
CAPS: Hochleistungslaser für Secondary Sources
Die Strahlzeiten an den Beamlines von PETRA III am Deutschen Elektronen-
Synchrotron (DESY) in Hamburg sind meist überbucht. PETRA III produziert
brillante kurz-gepulste Röntgenstrahlung. Mit dieser Strahlung werden
beispielsweise Schweißvorgänge an Batteriepacks genauso untersucht wie
molekularbiologische Proben. Für viele dieser Messungen (oder auch
Strahlentherapien) wäre eine dezentrale Lösung eine große Vereinfachung.
Unter anderem daran arbeiten jetzt mehrere Teams der Fraunhofer-
Gesellschaft. Im Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources
CAPS haben sich 21 Fraunhofer-Institute zusammengeschlossen, um neue
Hochleistungslaser für ultrakurze Pulse zu entwickeln. Schon heute stehen
diese Laser mit kW-Leistungen in Applikationslaboren in Jena (Fraunhofer
IOF) und Aachen (Fraunhofer ILT) Anwendern zur Verfügung. Mit Hilfe einer
neu entwickelten Multipass-Kompressorzelle lassen sich die Pulse der kW-
Laser auf unter 20 fs komprimieren. Die komprimierten Pulse der kW-Laser
können damit in Röntgen-, Terahertz- oder MIR-Strahlung umgewandelt
werden, was den Weg zu dezentralen Secondary Sources (also Quellen
sekundärer Strahlung) eröffnet.
Die nächste LASER World of PHOTONICS findet vom 24. bis 27. Juni 2025 in
München statt.
