Neues Fundament für die Laser-Fusionsforschung

Aufwind für die Trägheitsfusionsenergie (Inertial Fusion Energy; IFE) in
Deutschland: Das Forschungsprojekt PriFUSIO startet die systematische
Entwicklung von Schlüsseltechnologien für klimaneutrale Fusionskraftwerke
der Zukunft. Das Konsortium aus Start-ups, mittelständischen Unternehmen,
Konzernen, dem Laserzentrum Hannover und den Fraunhofer-Instituten ILT in
Aachen und IOF in Jena wird grundlegende Prinzipien für die gezielte
Komponentenentwicklung erforschen und praktikable photonische Ansätze für
die kommerzielle Nutzung der lasergezündeten Trägheitsfusion erkunden. Das
Bundesministerium für Bildung und Forschung stellt dafür in den nächsten
drei Jahren 18 Mio. Euro bereit.

Seit Jahrzehnten verfolgt die Fusionsforschung das Ziel, Energie aus der
Kernfusion rund um die Uhr verfügbar zu machen. Auf dem Weg, die
Energiequelle der Sonne mithilfe der lasergetriebenen Trägheitsfusion auf
der Erde zu erschließen, haben Forschende des Lawrence Livermore National
Laboratory an der National Ignition Facility kürzlich einen bedeutenden
Durchbruch erzielt: Am 5. Dezember 2022 gelang ihnen die Zündung eines
Fusionsplasmas mithilfe von Hochenergielasern. Seither haben sie das
Experiment mehrmals wiederholt und damit belegt, dass die Physik der
Zündung und des selbsttragenden Abbrands eines Brennstoffgemischs aus den
Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium beherrschbar ist. Der Prozess
wird in der NIF durch die Energiezufuhr über fokussierte Laserstrahlen aus
fußballfeldgroßen Hochenergielasern ausgelöst.

Dieser Meilenstein der Kernforschung kann den Weg in eine saubere und
sichere Energieversorgung ebnen. Gelingt es, sie kommerziell nutzbar zu
machen, bietet die Trägheitsfusionsenergie der Menschheit eine nahezu
unerschöpfliche, CO2-neutrale Energiequelle. Ein Gramm Fusions-Brennstoff
kann so viel Energie erzeugen wie die Verbrennung von elf Tonnen
Steinkohle. Anders als in herkömmlichen Kernreaktoren entstehen keine
langlebigen hochradioaktiven Abfälle. Auch Kettenreaktionen bis zur
Kernschmelze sind in der lasergezündeten Trägheitsfusionsenergie (IFE)
nicht möglich. Um die Fusion aufrechtzuerhalten, werden winzige Pellets
mit leichten Atomkernen wie Deuterium und Tritium verwendet, die durch
Laserzündung zu Helium fusionieren. Die Masse des entstehenden Helium-
Kerns ist geringer als die Masse der beiden leichten Kerne zusammen, was
als nutzbare Energie freigesetzt wird.

PriFUSIO-Verbund tritt an, um Basistechnologien zu erforschen

Für kommerziell nutzbare Fusionskraftwerke gilt es allerdings noch, viele
Schlüsseltechnologien zur Anwendungsreife zu entwickeln. Dank ihrer
herausragenden Position im Bereich der Laser- und optischen Technologien
hat die deutsche Industrie dafür beste Voraussetzungen. Es kann gelingen,
in dieser Zukunftstechnologie bedeutenden Mehrwert für Deutschland zu
schaffen. Hier setzt PriFUSIO an. Das Konsortium aus sieben
Industriepartnern und drei Forschungsinstituten macht sich auf den Weg,
photonische Schlüsselkomponenten für die laserbasierte Fusion zu
erforschen und industriell nutzbar zu machen. Das Bundesministerium für
Bildung und Forschung (BMBF) wird ihr Projekt in den nächsten drei Jahren
mit 18 Millionen Euro fördern. Es ist Teil des Förderprogramms »Fusion
2040 – Forschung auf dem Weg zum Fusionskraftwerk«. Darin wird die
Bundesregierung bis zu fünf Milliarden Euro investieren. Zielsetzung:
Deutschland soll als eines der ersten Länder weltweit ein Fusionskraftwerk
entwickeln und bauen.

»Wir wollen ein Fusionsökosystem aus Industrie, Start-ups und Wissenschaft
aufbauen, welches die vorhandenen Stärken bündelt und Synergien zwischen
den unterschiedlichen Akteuren schafft«, sagte Bettina Stark-Watzinger,
Bundesministerin für Bildung und Forschung, angesichts der Bekanntgabe des
Programms, »diese riesige Chance dürfen wir – gerade mit Blick auf
Wachstum und Wohlstand – nicht verpassen«. Die exzellente
Forschungslandschaft und die starke Industrie böten hierfür hervorragende
Voraussetzungen.

Herausforderungen entschlossen angehen

Auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung der IFE-Technologie gibt es einige
Herausforderungen. Dazu gehören die Entwicklung von leistungsfähigen,
zuverlässigen und kostengünstigen Laserquellen und Optiken sowie
automatisierte Lösungen für die Brennstoffzufuhr und die effiziente
Nutzung der entstehenden Abwärme. Die NIF besitzt die größte und
energiereichste Laseranlage der Welt. Sie kann nur wenige Schüsse pro Tag
machen, da das System für grundlegende Plasmaexperimente und nicht für die
Erforschung der Energiegewinnung gebaut wurde. Für ein Kraftwerk ist eine
Laseranlage notwendig, die etwa die gleiche Energie erzeugen kann, diese
aber mehr als zehnmal pro Sekunde abgeben kann. Dafür muss ihre mittlere
Leistung um mindestens fünf Größenordnungen (x100.000) gegenüber der NIF-
Laseranlage gesteigert werden.

PriFUSIO wird vor allem fundamentale Fragen zur Entwicklung der nächsten,
kraftwerkstauglichen Generation von Hochleistungslasern erforschen, die
die millimetergroßen Brennstoffkügelchen komprimieren und die Fusion bei
Temperaturen von über 100 Mio. Grad Celsius zünden. Das setzt einerseits
die Erzeugung und Manipulation von Laserstrahlen auf hohem Energielevel
und mit zuvor nie erreichten Leistungen voraus. Andererseits bedarf es
voller Kontrolle des entstehenden Plasmas, um die freigesetzte
Fusionsenergie nutzbar zu machen. Die erforderlichen Leistungen stellen
höchste Anforderungen an die Materialien, das Engineering und das
hochkomplexe Optiksystem.

Gesucht: Materialien für effiziente Hochenergielaser und belastbare
Optiken

Im Konsortium wirken mit der Focused Energy GmbH und der Marvel Fusion
GmbH zwei deutsche Start-ups mit, die auf verschiedenen technologischen
Pfaden auf die kommerzielle Nutzung der IFE-Technologie hinarbeiten. Sie
formulieren Anforderungen an die benötigten Hochleistungslaser, aus denen
die Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT in Aachen und für Angewandte
Optik und Feinmechanik IOF in Jena den konkreten Forschungs- und
Entwicklungsbedarf ableiten, der für die Umsetzung dieser Spezifikationen
notwendig sein wird. »Die Performance und Wirkungsgrade der
Hochleistungslaser hängen direkt von den Eigenschaften der eingesetzten
optischen Komponenten ab«, erklärt Hans-Dieter Hoffmann, Leiter der
Abteilung Laser und Optische Systeme am Fraunhofer ILT.

Aus diesem Grund sind mit der Schott AG und der Heraeus Group nicht nur
führende Anbieter von optischen Gläsern und Beschichtungsmaterialien im
Projekt vertreten, sondern mit der LAYERTEC GmbH aus Mellingen und der
LASEROPTIK GmbH aus Garbsen auch hochspezialisierte Mittelständler aus dem
Bereich der Bearbeitung und Beschichtung optischer Komponenten. Die
Expertise im Bereich komplexer Hochleistungslaser bringt die TRUMPF Laser
AG ein.

Umfassendes Know-how entlang der Prozesskette

»PriFUSIO wird das Know-how der Partner entlang der Prozesskette
zusammenführen«, erklärt Hoffmann. Es gehe im Projekt darum, präzise
beschichtete Highend-Optiken zu entwickeln, die den Leistungsanforderungen
in IFE-Reaktoren dauerhaft gewachsen sind. Den Nachweis dafür sollen unter
anderem Zerstörschwellentests am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)
erbringen.

Eine technologische Herausforderung liegt laut Hoffmann darin, dass IFE-
Kraftwerke großflächige optische Elemente benötigen, deren optische
Eigenschaften trotz der dauerhaft sehr hohen Energieeinträge stabil
bleiben müssen. Über die Materialeigenschaften und die Beschichtungen
lässt sich die Absorption der Laserenergie – und damit das Aufheizen der
Optiken – zwar minimieren; dennoch muss es gelingen, die Wärme effizient
abzuführen. Zudem gilt es, durch die Entwicklung effizienter Bearbeitungs-
und Beschichtungsprozesse die Kosten zu reduzieren. »Gelingt es, diese
hohen Anforderungen zu erfüllen, dann werden sich aus PriFUSIO auch über
die Anwendung in der IFE-Technologie hinausweisende Synergien für
Industrielaser ergeben«, ist Hoffmann überzeugt.

Fraunhofer-Institute steuern Kompetenzen für Laserentwicklung und
Optikfertigung bei

Das Fraunhofer ILT wird sich im Zuge des Verbundforschungsprojektes mit
Simulationsrechnungen für effiziente Hochenergielaser sowie mit
laserbasierten Fertigungsverfahren für die Highend-Optiken befassen. »In
der Optikfertigung werden wir eng mit LAYERTEC zusammenarbeiten und auch
hybride Ansätze mit konventionellen und laserbasierten Verfahren
verfolgen«, erklärt der ILT-Abteilungsleiter.
Das Fraunhofer IOF in Jena steuert zum Projekt sein Know-how im Bereich
optischer Gitter und Dünnschichtabscheidung bei und wird darüber hinaus
Expertise in der multispektralen und hoch sensitiven Charakterisierung der
Absorption optischer Komponenten sowie ihres winkelabhängigen
Streulichtverhaltens einbringen. Dabei geht es unter anderem um die
Erforschung neuartige Ansätze auf Basis hybrider nano-optischer
Schichtsysteme zur Leistungsskalierung von Pulskompressorgittern, die für
Fast-Ignitor Lasersysteme benötigt werden.

Das IOF untersucht hierfür neue Materialien, neue Gitterkonzepte sowie
angepasste Verfahren zur Abscheidung defektarmer optischer Schichten.
Neben der Untersuchung innovativer Konzepte für laserfeste
Pulskompressorgitter wird das Team in enger Zusammenarbeit mit dem LZH die
Beständigkeit gegenüber Laserbestrahlung untersuchen und entlang der
gesamten Prozesskette Ursachenanalysen von Schadensereignissen betreiben.
Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse werden den Projektpartnern bei der
Entwicklung der optischen Komponenten und der Optimierung der
Fertigungsprozesse die Richtung weisen.

Wärmeproblematik lösen

Welche Lasermaterialien und optischen Komponenten zum Einsatz kommen
werden, ist noch offen. Die NIF in Kalifornien nutzt mit Blitzlampen
gepumpte Festkörperlaser auf der Basis von Neodym dotiertem Laserglas.
Blitzlampengepumpte Laser sind zwar kosteneffektiv, haben aber bei der der
Wandlung von elektrischer Energie in Laserenergie Schwächen. Für die
nächste Lasergeneration müssen daher Halbleiterlaser als Pumpquelle
dienen, um im Ultravioletten Bereich eine erhebliche Steigerung der
Lasereffizienz auf Werte über zehn Prozent zu erreichen. Als Lasermedium
wird grundsätzlich auch der Einsatz keramischer oder kristalliner
Werkstoffe untersucht, da diese wegen der im Vergleich zu Gläsern besseren
Wärmeleitung eine effizientere Kühlung ermöglichen.

Ein effizienter Kraftwerksbetrieb erfordert anders als die Versuchsanlage
zehn bis zwanzig Laserpulse pro Sekunde »Dafür wird es entscheidend sein,
wie effizient wir die Wärme insbesondere aus dem Lasermedium ableiten
können«, erklärt Fraunhofer ILT-Forscher Hoffmann. Für Glas sprächen die
spektrale Bandbreite, die günstige Produktion und die Fähigkeit, Energie
im Laserbetrieb effizient zu speichern und abzurufen. Doch ob es die
extremen Anforderungen erfüllen kann, ist ungeklärt. »Das werden wir im
Projekt PriFUSIO untersuchen und zudem auf Basis des umfassenden
photonischen, optischen und materialwissenschaftlichen Know-hows der
Projektpartner die Machbarkeit klären«, sagt er.

Mit dem Forschungsvorhaben soll der Übergang von der Grundlagen- zur
anwendungsnahen Forschung gelingen. Die zu erwartenden
Forschungsergebnisse werden sich laut Hoffmann auch über die Laserfusion
hinaus positiv auf die Weiterentwicklung von Hochenergielasern und
optischen Komponenten auswirken. »PriFUSIO wird damit zur Stärkung der
beteiligten Industriepartner in ihren jeweiligen Märkten beitragen«, ist
er überzeugt. Die aktive Teilnahme an der Entwicklung der IFE-Technologie
sei für die deutsche Industrie eine vielversprechende Gelegenheit, ihr
Know-how und ihre Expertise im Bereich der Hochtechnologie weiter
auszubauen und darüber hinaus positive Spillover-Effekte zu erzielen,
indem sie neue Märkte für verwandte Technologien erschließe.