Do roku 2029 investuje spolková vláda více než 2 miliardy € do výzkumu fúze. Fraunhoferův institut pro laserovou techniku ILT v Aachenu je průkopníkem. V rámci společných výzkumných projektů zkoumá a vyvíjí s partnery z průmyslu a výzkumu řešení pro budoucí fúzní elektrárny. Jde o vybudování silných dodavatelských řetězců a vývoj procesů pro automatizovanou hromadnou výrobu. Mezinárodně institut úzce spolupracuje mimo jiné s Lawrence Livermore National Laboratory. Jeho National Ignition Facility dokázalo s pomocí aktuálně největšího laseru na světě opakovaně zapálit fúzní plazma a dosahuje přitom neustále rostoucích energetických přebytků. Při vývoji techniky elektráren se objevují spillover efekty, které by mohly fotonice otevřít přístup na nové trhy aplikací.
Od prosince 2022 je fúzní výzkum na celém světě na vzestupu. Výzkumníkům z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) se tehdy v kalifornském National Ignition Facility (NIF) podařil historický průlom. Poprvé uvolnila tržní fúze (IFE) zapálená pomocí vysoce energetického laseru více energie, než kolik laser soustředil na pellet s fúzním palivem velikosti hlavičky špendlíku. Od té doby LLNL experiment několikrát zopakovalo s rostoucím energetickým přebytkem. Je tedy jasné: Základní fyzika funguje.
Vize klimaticky neutrální, téměř neomezený zdroj energie fúze je bližší než kdy jindy. Kromě toho jsou zařízení IFE intrinsicky bezpečná, protože plasma se zapaluje pouze pod obrovským tlakem a při teplotách kolem 150 milionů °C. Bez dodávky paliva a zapalovacích pulsů fúze okamžitě zhasne. Pouze za těchto extrémních podmínek jsou se navzájem odpuzující jádra izotopů vodíku deuteria a tritia schopna překonat Coulombovu bariéru a fúzovat. Pro trvalý provoz elektrárny je třeba komprimovat 10 až 15 pelet za sekundu pomocí pulzů vysoce energetických laserů, převést je na plasma a zapálit. Takto udržovaná fúze produkuje základní zatížitelné energie ve velkém měřítku: Pouze 1 kg fúzního paliva obsahuje tolik energie jako 22 500 t hnědého uhlí, což odpovídá nákladu 6 km dlouhého nákladního vlaku. V celém vesmíru není znám žádný materiál s podobnou energetickou hustotou.
Německá vláda investuje více než 2 miliardy eur do výzkumu fúze.
Jako klimaticky neutrální, základní zdroj energie může fúze představovat důležitý doplněk budoucích energetických systémů, v nichž nákladově efektivní, ale volatilní větrná a solární energie pokrývá většinu poptávky. Podle prognóz Mezinárodní energetické agentury (IEA) vzroste poptávka po elektřině do poloviny století celosvětově 2,5krát na 70 petawatthodin (PWh) ročně. K pokrytí jedné desetiny z toho by bylo potřeba téměř 1 000 fúzních elektráren. Zde se rýsuje budoucí trh pro fotoniku, který výrazně překračuje její současný objem tržeb.
Vlády a soukromí investoři si uvědomili tuto příležitost a směřují vysoké částky z dotací a rizikového kapitálu do oblasti budoucnosti. V současnosti se nejedná pouze o vývoj základních technologií pro takové elektrárny, ale také o budování silných dodavatelských řetězců a vývoj postupů pro masově vysoce automatizovanou výrobu komponentů elektráren. Zde se zaměřuje aplikovaný výzkum Fraunhoferovy společnosti.
Na cestě k komerčním elektrárnám stále čekají obrovské technologické a provozní výzvy. K tomu se přidává, že existuje další slibný přístup s magnetickou fúzí (MFE). Spolková vláda podporuje v programu „Fúze 2040“ oba přístupy. Jeho rozpočet nedávno zvýšilo vedoucí ministerstvo pro výzkum, technologie a vesmír (BMFTR) na více než 2 miliardy eur do roku 2029. Pro fotoniku je to dobrá zpráva: vysokovýkonné a vysokovýkonné lasery, optiky, senzory a vysoce flexibilní laserové výrobní technologie jsou považovány nejen za klíčové technologie pro IFE elektrárny, ale také pro vývoj, výstavbu a provoz komplexních tokamakových a stellarátorových reaktorů pro magnetickou fúzi.
US zkušební zařízení pouze jako modroprint – cesta k fúzní elektrárně je dlouhá.
Fraunhofer ILT patří mezi průkopníky výzkumu fúze. Ve spolupráci s partnery z průmyslu a výzkumu (více než 20 institutů Fraunhoferovy společnosti je aktivních v této oblasti výzkumu) vyvíjí v národních a mezinárodních projektech technologické základy pro fúzní elektrárny. Tyto výzkumné konsorcia jsou zárodek naléhavě potřebných dodavatelských řetězců. Projekty se zaměřují na realistické modelování a simulaci komponent, subsystémů až po celkové elektrárny a na vývoj robustních optik a řídicích laserů pro tyto vysoce energetické lasery, které mají v budoucích IFE elektrárnách zapalovat fúzní plazma v rytmu 15 Hertz. Aby bylo možné dosáhnout takové frekvence, přicházejí v úvahu pouze složité diodově pumpované pevnolátkové lasery (DPSSL).
Laser zkušebního zařízení v Kalifornii je založen na 192 paprscích, ve kterých skleněné desky pumpované bleskovými lampami zesilují laserové pulzy. Při tom interagují jejich fotony s elektrony v krystalových skleněných deskách. Energetická úroveň počátečního nanojoulového pulzu se přitom zvyšuje tak, jako byste akusticky zesilovali normální úder ruky na úroveň silného zemětřesení. Toto pumpování probíhá v infračerveném vlnovém rozsahu.
Puls rozložený na 192 paprsků je následně přeměněn na zelené a modré vlnové délky – a stává se ultrakrátkovlnným rentgenovým zářením, když všech 192 paprsků s více než 2 megajouly kombinované pulsní energie synchronně zasáhne cíl. Zápalový puls přitom dosahuje po dobu několika nanosekund stejného výkonu jako celé americké elektrické síť. Odpovídajícím způsobem jsou potřeba obrovské kondenzátory k uchování potřebné elektrické energie. A po výstřelu musí systém hodiny chladnout. Pro vysokovýkonné lasery budoucích elektráren je to nepředstavitelné. Musí být vysoce efektivní a dodávat až 15 výstřelů za sekundu. Účinnost přeměny elektrické energie na optickou musí vzrůst oproti NIF 10 až 15násobně. Pozadí: Kalifornská zkušební zařízení nikdy nebyla navržena pro výrobu energie, ale pro výzkum plazmatu.
Podpora projektů vyvíjí fotonický základ pro fúzní elektrárny.
DPSSL jsou klíčové komponenty pro IFE elektrárny. Místo zábleskových lamp jsou pumpovány efektivními vysoce výkonnými laserovými diodami. V rámci BMFTR podpůrného projektu DioHELIOS se Fraunhofer ILT podílí na široké konsorcium, které se věnuje vývoji masově potřebných vysoce výkonných laserových diod. Kromě modelování diod se jedná o jejich integraci do aktivně chlazených modulů včetně kolimačních čoček až po návrh vysoce automatizovaných výrobních řetězců.
Cíle jsou ambiciózní: Pulsní energie dosažitelná pomocí diodových pumpovacích modulů by se měla při zlepšené účinnosti a homogennějších, stabilnějších spektrálních vlastnostech zvýšit o faktor 50. Kromě toho je třeba snížit náklady diodových laserových modulů pomocí plně automatizované hromadné výroby na méně než cent za watt výkonu. To by bylo méně než jedna čtyřicetina jejich současných nákladů. To však nesmí být na úkor kvality: Silně zatěžovaná hardware by měla v provozu elektrárny vydržet 30 let. Rozsah výzvy se ukazuje také v tom, že dnešní světová roční výroba vysoce výkonných diod nepokryje ani potřebu jediné IFE elektrárny. Společně se svými partnery v konsorciu DioHELIOS hledá Fraunhofer ILT již konkrétní řešení.
DioHELIOS je jednou z opatření v programu „Fusion 2040“. V úzce souvisejícím projektu PriFUSIO pracuje konsorcium pod vedením Fraunhofer ILT na optických klíčových komponentách vysokovýkonných laserů pro fúzní elektrárny. „Jde o jejich systematický další vývoj a validaci,“ vysvětluje Dr. Sarah Klein, koordinátorka fúzního výzkumu ve Fraunhoferově společnosti. Projekt se zaměřuje na nové postupy výroby, povrchové úpravy a kontrolu kvality čoček, optických mřížek a také na simulaci a vývoj materiálů zesilovacích desek, které mají ve spolupráci s vysokovýkonnými laserovými diodami zesilovat iniciační pulzy do megajouleového rozsahu. „Všechny optické komponenty musí odolávat provozu elektrárny 24/7. Je třeba výrazně zvýšit jejich prahové hodnoty destrukce,“ říká. Navíc jsou zapotřebí nové přístupy k nákladné výrobě optiky, která je zpočátku potřebná pouze v malém množství a často má velmi velké rozměry. Fraunhofer ILT také sleduje slibný přístup: laserové procesní řetězce pro tvarování, leštění a dodatečné zpracování. Ve srovnání s mechanickými postupy přináší nástroj světla od začátku méně mikrotrhlin a defektů do optických komponentů, což zvyšuje jejich robustnost a životnost.
V projektech „IFE-Targetry-HUB“ a „Durable“ se týmy Fraunhofer ILT také aktivně podílejí na vývoji klíčových technologií pro fúzní elektrárny. „Durable“ se zabývá simulací a vývojem procesů pro aditivní výrobu komponent stěn na plazmové straně. V nepřetržitém provozu elektrárny neustále dopadají na stěny neutrony uvolněné při fúzi. Jejich kinetická energie se ve stěnách přenáší na chladicí médium, které se odpařuje a pohání turbínu. Také jsou požadovány speciální stěnové prvky, ve kterých neutrony slouží k získávání izotopu vodíku tritia z lithia. „Pro tvarování vysoce teplotně odolných, extrémně robustních wolframových slitin stěn se nabízejí laserové aditivní výrobní procesy,“ vysvětluje Klein. Fraunhofer ILT vynalezl metalový 3D tisk, patentoval ho – a od té doby ho systematicky dále vyvíjí. Umělá inteligence hraje přitom, stejně jako u extrémního vysokorychlostního laserového nánosového svařování EHLA, které bylo také vynalezeno a patentováno na institutu, stále důležitější roli. „Oba aditivní procesy mají velký potenciál pro výrobu komponent elektráren,“ říká.
Neméně relevantní jsou laserem podporované procesy pro výrobu cílových materiálů pro palivo. Když fúzní elektrárny pracují při frekvenci 15 Hz a zapalují až 1,3 milionu krát denně, musí náklady na cíle klesnout o řády až na centovou úroveň. I tuto výzvu řeší výzkumníci Fraunhofer ILT v projektu „IFE-Targetry-HUB“. V oblasti fúzního výzkumu se spojuje mnoho nití, které institut za poslední desetiletí zachytil a dále rozvíjel. Nyní se tato předchozí práce vyplácí. „Naše projekty se pohybují na typickém pracovním bodě Fraunhoferu: jde o to, přehodnotit technologie a převést je z výzkumu do konkrétní průmyslové aplikace,“ říká koordinátorka fúzního výzkumu.
Hochenergické lasery pochopit od základů
Očekává se, že vysokovýkonné lasery budoucích IFE elektráren budou mít mnoho stovek paralelních paprsků. Každý z nich bude pumpován tisíci vysoce výkonných laserových diodových bloků, které budou posilovat zesilovací desky ze speciálního skla nebo krystalu, aby se pulzy zvýšily na energetickou úroveň potřebnou pro zapálení. Tak složité lasery nelze realizovat metodou pokus-omyl. Spíše je potřeba využít výpočetní metody, aby je nejprve virtuálně otestovali a optimalizovali před výrobou prototypů. Virtuální prototypy komponent, subsystémů a nakonec i celých vysokovýkonných laserů umožňují výzkumníkům prozkoumat jejich funkce a realisticky simulovat jejich provoz ve virtualizovaném prostředí. Fraunhofer ILT v posledních letech realizoval vysoce vyvinuté modely laserových simulací pro design, vývoj a průmyslové škálování DPSSL. Nyní je podrobuje zkoušce tím, že je porovnává s podobnými řešeními LLNL v projektu „ICONIC-FL“.
Americký institut se specializuje na simulaci a výstavbu vysoce energetických laserů, Fraunhofer ILT se zaměřuje na DPSSL s vysokými průměrnými výkony. Oba partneři tedy přinášejí komplementární know-how. „V tomto projektu nejde o to, abychom spojili naše simulační modely nebo si vyměnili kód,“ zdůrazňuje Johannes Weitenberg, vedoucí projektu ze strany Fraunhofer ILT. Spíše se obě instituce chtějí navzájem učit a své simulační výsledky s ohledem na další generaci DPSSL pro fúzní elektrárny dvakrát ověřit tím, že podrobí laserový design nezávislé křížové validaci. K tomu budou každá se svými řešeními simulovat zesilovací stupně vysoce energetických laserů. Při tom chtějí proniknout do složitých fyzikálních jevů: „V 24/7 provozu mohou ohřev, refrakční efekty a aberace deformovat laserový paprsek. I ty nejmenší efekty mají význam a mohou způsobit ztráty účinnosti nebo dokonce přímé poškození optiky,“ říká Weitenberg. Chtějí přesně pochopit, co se v jednotlivé zesilovací desce děje, aby později mohli simulovat složité deskové stohy.
Konečně cílem současného výzkumu fúze je vynutit technologické skoky pomocí multidisciplinárních přístupů. Příklad NIF ukazuje, co je možné: S využitím přírodovědného a inženýrského know-how, stejně jako optimalizace procesů podporované simulacemi a umělou inteligencí, se tam podařilo zvýšit energetický přebytek fúze z původního 1,5násobku na 4násobek energie dodané laserem. Tento faktor je nyní třeba zvýšit s pomocí vysoce energetických laserů specificky optimalizovaných pro IFE elektrárny na faktor 50 až 100.
Vysokovýkonné lasery nejsou zajímavé pouze pro fúzi.
Velký projekt fúzní elektrárny vyžaduje úzkou spolupráci mezi průmyslem a výzkumem. Státní podpůrné programy mohou vytvořit technologické základy, ale z dlouhodobého hlediska musí firmy investovat a budovat dodavatelské řetězce. Pro inovace to znamená, že by měly být zaměřeny nejen na vzdálený cíl fúzní elektrárny, ale také na další aplikační trhy. Aby bylo možné vybudovat potřebnou výrobní kapacitu pro vysoce výkonné laserové diody a snížit jejich náklady díky úsporám z rozsahu na požadovanou úroveň, je třeba objevit nové aplikace. "Naše instituce stojí průmyslu po boku s více než 40 lety nahromaděného know-how," vysvětluje Klein.
První spillover efekty se již projevují. Z projektu PriFUSIO vznikla nová generace syntetických křemenných skel, která jsou zajímavá nejen pro fúzi, ale také pro další aplikace vysoce výkonných laserů v blízké infračervené oblasti – včetně laserového řezání a svařování. Výrobce Heraeus Covantics optimalizoval výrobní proces jak z hlediska výkonu, tak nákladů. Navíc nabízí větší flexibilitu v rozměrech desek. Nový materiál se vyznačuje velmi nízkou absorpcí a vysokou výkonovou hustotou.
Také pro vysoce energetické lasery existuje poptávka mimo fúzi: Jako pohon pro sekundární zdroje by měly otevírat nové cesty k vytváření extrémního ultrafialového (EUV), rentgenového nebo neutronového záření. Mezi slibné aplikace patří kombinované rentgenové a neutronové zobrazování, které aktuálně vyvíjí Fraunhofer ILT v rámci společného projektu PLANET. Mělo by umožnit optické a materiálové analýzy obsahu uzavřených sudů a kontejnerů skrze jejich stěny. Laserové zdroje jsou klíčem k miniaturizaci potřebných urychlovačů částic a jejich integraci do kompaktních, možná v budoucnu dokonce mobilních zařízení. "Mnoho toho, na čem pracujeme ve fúzním výzkumu, je relevantní pro mnoho trhů. Nepracujeme pouze na elektrárně!" zdůrazňuje Klein. Fúze je velkou příležitostí pro laserový a optický průmysl v Německu a Evropě. Pokud se komerční úspěch laserové fúze opozdí déle, než se očekávalo, může odvětví s technologickými skoky dosaženými ve fúzním výzkumu otevřít nové trhy. Pokud bude úspěšná, pak jedna jediná elektrárna potřebuje aktuální světovou roční produkci vysoce výkonných laserových diod a desítky tisíc velkých optik. I při konzervativních odhadech by se objem dnešního obratu na světovém trhu s lasery náhle zdesetinásobil.
Fúze na AKL '26
Vzhledem k takovým perspektivám se AKL – Mezinárodní kongres laserové technologie (22. – 24. dubna 2026 v Aachenu) v různých sekcích zaměří na ekonomický a technologický potenciál budoucího trhu fúze. V Gerd Herziger sekci 23. dubna 2026 poskytne prof. Constantin Häfner ve své přednášce "Laser Power Unleashed: Pohon pro fúzní energii a průmyslové ekosystémy" aktuální pohledy na stav fúzního výzkumu a stav potřebných dodavatelských řetězců. Předseda pro výzkum a transfer Fraunhoferovy společnosti je uznávaným expertem na fúzi a byl zodpovědný za vývoj vysoce energetických laserů na LLNL, než v době, kdy byl ředitelem Fraunhofer ILT a poradcem vlády, přinesl důležité impulsy pro fúzní výzkum v Německu. Bude také diskutovat na panelu sekce.
Následně se v sekci 4, Laserové zdroje II, podíváme hlouběji na vývoj vysokovýkonných laserů pro fúzi a sekundární zdroje. Také v sekci 7 – Laserové zdroje III 24. dubna, která se zabývá ultrakrátkými pulzními lasery, se bude slot vedený Dr. Sarah Klein věnovat »Diodovým laserům« polovodičovým laserům pro fúzní elektrárny budoucnosti.
Kontakt:
