Hasta 2029, el gobierno federal invertirá más de 2 mil millones de euros en la investigación sobre fusión. El Instituto Fraunhofer de Tecnología de Láser ILT en Aachen es un pionero. En proyectos de investigación colaborativa, investiga y desarrolla soluciones para futuras plantas de energía de fusión junto con socios de la industria y la investigación. Se trata de establecer cadenas de suministro efectivas y desarrollar procesos para una producción automatizada a gran escala. A nivel internacional, el instituto colabora estrechamente, entre otros, con el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Su Instalación Nacional de Ignición pudo encender plasma de fusión repetidamente con el láser más grande del mundo, logrando excedentes de energía en constante crecimiento. En el desarrollo de tecnología de plantas de energía, se vislumbran efectos de derrame que podrían proporcionar a la fotónica acceso a nuevos mercados de aplicación.
Desde diciembre de 2022, la investigación sobre fusión está en auge a nivel mundial. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) lograron en su momento un avance histórico en la Instalación Nacional de Ignición (NIF) en California. Por primera vez, una fusión inercial (IFE) encendida con la ayuda de un láser de alta energía liberó más energía de la que el láser había concentrado en un pellet del tamaño de una cabeza de alfiler con combustible de fusión. Desde entonces, el LLNL ha repetido el experimento varias veces con un creciente excedente de energía. Esto confirma que la física subyacente funciona.
La visión de la fuente de energía climáticamente neutra y casi ilimitada de la fusión es más tangible que nunca. Además, las instalaciones de IFE son intrínsecamente seguras, ya que el plasma solo se enciende bajo una enorme presión y a temperaturas de alrededor de 150 millones de °C. Sin el suministro de combustible y los pulsos de ignición, la fusión se apaga de inmediato. Solo bajo estas condiciones extremas, los núcleos repelentes de los isótopos de hidrógeno deuterio y tritio pueden superar la barrera de Coulomb y fusionarse. Para un funcionamiento continuo de la planta de energía, se deben comprimir, convertir en plasma y encender de 10 a 15 pellets por segundo con pulsos de láser de alta energía. Mantenida de esta manera, la fusión genera energía capaz de proporcionar carga base a gran escala: solo 1 kg de combustible de fusión contiene tanta energía como 22,500 t de lignito, lo que equivale a la carga de un tren de mercancías de 6 km de largo. No se conoce ningún material en todo el universo con una densidad de energía similar.
El gobierno alemán invierte más de 2 mil millones de euros en investigación sobre fusión
Como fuente de energía climáticamente neutra y capaz de proporcionar carga base, la fusión puede convertirse en un complemento importante para los futuros sistemas energéticos, donde la electricidad eólica y solar, más económica pero volátil, cubre la mayor parte de la demanda. Según pronósticos de la Agencia Internacional de Energía (AIE), la demanda de electricidad aumentará 2.5 veces a nivel mundial para mediados de siglo, alcanzando 70 petavatios-hora (PWh) por año. Para cubrir una décima parte de eso, se necesitarían casi 1,000 plantas de energía de fusión. Aquí se perfila un mercado futuro para la fotónica que supera con creces su volumen de negocio actual.
Los gobiernos y los inversores privados han reconocido la oportunidad y están dirigiendo grandes sumas de fondos de apoyo y capital de riesgo hacia este campo futuro. Actualmente, no solo se trata del desarrollo de las tecnologías básicas para tales plantas, sino también de establecer cadenas de suministro efectivas y desarrollar procesos para la fabricación masiva altamente automatizada de los componentes de las plantas de energía. Aquí es donde se centra la investigación aplicada de la Sociedad Fraunhofer.
Aún quedan enormes desafíos tecnológicos y operativos en el camino hacia plantas de energía comerciales. Además, existe un enfoque prometedor adicional con la fusión magnética (MFE). El gobierno federal apoya ambos enfoques en el programa «Fusión 2040». Su presupuesto fue recientemente elevado por el ministerio responsable de investigación, tecnología y espacio (BMFTR) a más de 2 mil millones de euros hasta 2029. Para la fotónica, esto es una buena noticia: los láseres de alta energía y alto rendimiento, ópticas, sensores y tecnología de fabricación láser altamente flexible no solo se consideran tecnologías clave para las plantas de energía IFE, sino también para el desarrollo, construcción y operación de los complejos reactores Tokamak y Stellarator para la fusión magnética.
La planta de prueba de EE. UU. es solo un modelo - el camino hacia la planta de energía de fusión es largo
El Fraunhofer ILT es uno de los pioneros en la investigación sobre fusión. Con socios de la industria y la investigación (más de 20 institutos de la Sociedad Fraunhofer están activos en este campo de investigación), desarrolla en proyectos nacionales e internacionales las bases tecnológicas para plantas de energía de fusión. Estos consorcios de investigación colaborativa son núcleos de las cadenas de suministro que se necesitan urgentemente. Los proyectos se centran en la modelización y simulación realista de componentes, subsistemas hasta plantas de energía completas, así como en el desarrollo de ópticas robustas y láseres de impulso para esos láseres de alta energía que deben encender plasma de fusión en las plantas de energía IFE del futuro a un ritmo de 15 Hz. Para lograr una frecuencia así, solo son viables los láseres de estado sólido bombeados por diodos (DPSSL) complejos.
El láser de la planta de prueba en California se basa en 192 caminos de rayos, en los que placas de vidrio bombeadas por lámparas de destello amplifican los pulsos láser. Para ello, sus fotones interactúan con electrones en placas de vidrio cristalino. El nivel de energía de un pulso inicial de nanojulios aumenta en la medida en que se amplifica un golpe normal con la mano al nivel de un fuerte terremoto. Este bombeo ocurre en el rango de longitudes de onda infrarrojas.
El pulso distribuido en 192 caminos de rayos se convierte posteriormente en longitudes de onda verde y azul, y se transforma en radiación de rayos X de ultracorta longitud de onda cuando los 192 rayos impactan sincrónicamente en el objetivo con más de 2 megajulios de energía de pulso combinada. El pulso de ignición alcanza durante unos pocos nanosegundos la misma potencia que toda la red eléctrica de EE. UU. Por lo tanto, se necesitan enormes condensadores para almacenar la energía eléctrica necesaria. Y después del disparo, el sistema debe enfriarse durante horas. Para los láseres de alta energía de las plantas de energía futuras, esto es impensable. Deben ser altamente eficientes y proporcionar hasta 15 disparos por segundo. La eficiencia de la conversión de energía eléctrica en energía óptica debe aumentar entre 10 y 15 veces en comparación con la NIF. Contexto: la planta de prueba de California nunca estuvo diseñada para la producción de energía, sino para la investigación de plasma.
Los proyectos de financiación desarrollan la base fotónica para las plantas de energía de fusión
Los DPSSL son componentes clave para las centrales IFE. En lugar de ser bombeados con lámparas de destello, se utilizan diodos láser de alta potencia eficientes. En el proyecto de financiamiento BMFTR DioHELIOS, el Fraunhofer ILT colabora en un amplio consorcio dedicado al desarrollo de los diodos láser de alta potencia que se necesitan en masa. Además de la modelación de los diodos, se trata de su integración en módulos activamente refrigerados con lentes de colimación hasta el diseño de cadenas de producción altamente automatizadas.
Los objetivos son ambiciosos: la energía de pulso alcanzable con los módulos de bombeo de diodos debería aumentar en un factor de 50, con una eficiencia mejorada y propiedades espectrales más homogéneas y estables. Además, se busca reducir los costos de los módulos de láser de diodos a menos de un centavo por vatio de potencia mediante la fabricación masiva totalmente automatizada. Eso sería menos de una cuarentena parte de sus costos actuales. Sin embargo, esto no debe hacerse a expensas de la calidad: porque el hardware muy exigido debe durar 30 años en operación de la central. La magnitud del desafío también se muestra en que la producción mundial anual actual de diodos de alta potencia ni siquiera cubre la demanda de una sola central IFE. Con sus socios en el consorcio DioHELIOS, el Fraunhofer ILT ya está buscando soluciones concretas.
DioHELIOS es una de las medidas en el programa 'Fusión 2040'. En el proyecto estrechamente relacionado PriFUSIO, un consorcio liderado por el Fraunhofer ILT trabaja en los componentes ópticos clave de los láseres de alta energía para centrales de fusión. 'Se trata de su desarrollo y validación sistemáticos', explica la Dra. Sarah Klein, coordinadora de investigación en fusión en la sociedad Fraunhofer. El proyecto se dedica a nuevos métodos para la fabricación, recubrimiento y control de calidad de lentes, rejillas ópticas, así como a la simulación y desarrollo de materiales de las placas amplificadoras que, en combinación con diodos láser de alta potencia, deben amplificar los pulsos de ignición en el rango de megajoules. 'Todos los componentes ópticos deben soportar la operación de la central 24/7. Para ello, entre otras cosas, es necesario aumentar significativamente sus umbrales de destrucción', dice. Además, se requieren nuevos enfoques para fabricar de manera rentable las ópticas, que al principio solo se necesitan en pequeñas cantidades y que son en parte muy grandes. El Fraunhofer ILT también está siguiendo un enfoque prometedor para esto: cadenas de procesos basadas en láser para conformado, pulido y post-procesamiento. En comparación con los métodos mecánicos, la herramienta de luz introduce desde el principio menos microgrietas y defectos en los componentes ópticos, lo que aumenta su robustez y vida útil.
En los proyectos 'IFE-Targetry-HUB' y 'Durable', equipos del Fraunhofer ILT también están trabajando en la primera línea para desarrollar tecnologías clave para las centrales de fusión. 'Durable' se ocupa de la simulación y desarrollo de procesos para la fabricación aditiva de componentes de pared del lado del plasma. En la operación de la central 24/7, los neutrones liberados continuamente por la fusión impactan en las paredes. Su energía cinética se transfiere a un medio de refrigeración en las paredes, que se evapora y acciona una turbina. También se requieren elementos de pared especiales en los que los neutrones sirven para extraer el isótopo de hidrógeno tritio del litio. 'Para dar forma a las aleaciones de tungsteno extremadamente robustas y resistentes a altas temperaturas de las paredes, se ofrecen métodos de fabricación aditiva basados en láser', explica Klein. El Fraunhofer ILT ha inventado, patentado y desarrollado sistemáticamente la impresión 3D de metales. La IA juega un papel cada vez más importante, al igual que en el también concebido y patentado proceso de soldadura por láser de alta velocidad extrema EHLA. 'Ambos métodos aditivos tienen un gran potencial para la fabricación de componentes de centrales', dice.
No menos relevantes son los métodos asistidos por láser para la fabricación de los objetivos de combustible. Cuando las centrales de fusión en operación de 15 Hz encienden hasta 1.3 millones de veces al día, los costos de los objetivos deben reducirse en órdenes de magnitud hasta el rango de centavos. También este desafío es abordado por los investigadores del Fraunhofer ILT en el proyecto 'IFE-Targetry-HUB'. En la investigación de fusión, convergen muchos hilos que el instituto ha recogido y desarrollado en las últimas décadas. Ahora, este trabajo previo está dando sus frutos. 'Nuestros proyectos se mueven en el punto de trabajo típico de Fraunhofer: se trata de repensar tecnologías y transferirlas de la investigación a la aplicación industrial concreta', dice la coordinadora de investigación en fusión.
Entender los láseres de alta energía desde cero
Se espera que los láseres de alta energía de las futuras centrales IFE tengan muchos cientos de longitudes de haz paralelas. Miles de bloques de diodos láser de alta potencia bombearán placas amplificadoras de vidrio especial o cristal para aumentar los pulsos al nivel de energía requerido para la ignición. Láseres tan complejos no se pueden realizar con un enfoque de prueba y error. Más bien, se necesitan métodos computacionales para probar y optimizar virtualmente antes de la construcción del prototipo. Los prototipos virtuales de los componentes, subsistemas y, finalmente, del láser de alta energía completo permiten a los investigadores explorar sus funciones y simularlas de manera realista en operación virtualizada. En los últimos años, el Fraunhofer ILT ha realizado modelos de simulación láser altamente desarrollados para el diseño, desarrollo y escalado industrial de DPSSL. Ahora está sometiéndolos a una prueba de fuego, comparándolos en el proyecto 'ICONIC-FL' con soluciones comparables del LLNL.
El instituto estadounidense se especializa en la simulación y construcción de láseres de alta energía, mientras que el Fraunhofer ILT se especializa en DPSSL con altas potencias medias. Por lo tanto, ambos socios aportan conocimientos complementarios. 'En este proyecto no se trata de unir nuestros modelos de simulación o intercambiar código', enfatiza Johannes Weitenberg, líder del proyecto por parte del Fraunhofer ILT. Más bien, los dos institutos quieren aprender uno del otro y validar sus resultados de simulación para la próxima generación de DPSSL para centrales de fusión, sometiendo el diseño del láser a una validación cruzada independiente. Para ello, simularán las etapas de amplificación de los láseres de alta energía con sus respectivas soluciones. En este proceso, quieren profundizar en efectos físicos complejos: 'En operación 24/7, el calentamiento, los efectos de refracción y las aberraciones pueden distorsionar el haz láser. Aquí, incluso los efectos más pequeños son significativos y pueden causar pérdidas de eficiencia o incluso daños directos a la óptica', dice Weitenberg. Quieren entender exactamente lo que sucede en cada placa amplificadora para poder simular más tarde pilas de placas complejas.
En última instancia, la investigación actual en fusión tiene como objetivo forzar saltos tecnológicos con enfoques multidisciplinarios. El ejemplo de NIF muestra lo que es posible: con la ayuda de conocimientos científicos y de ingeniería, así como de optimización de procesos basada en simulaciones e IA, se ha logrado aumentar el excedente energético de la fusión de 1.5 veces a 4 veces la energía aportada por el láser. Este factor ahora debe aumentarse a un factor de 50 a 100 con láseres de alta energía optimizados específicamente para centrales IFE.
Los láseres de alta energía no solo son interesantes para la fusión.
El gran proyecto de la planta de fusión necesita una estrecha cooperación entre la industria y la investigación. Los programas de financiación estatal pueden crear bases tecnológicas, pero a largo plazo las empresas deben invertir y construir cadenas de suministro. Para las innovaciones, esto significa que no solo deben estar orientadas hacia el objetivo final de la planta de fusión, sino también hacia otros mercados de aplicación. Para, por ejemplo, construir la capacidad de fabricación necesaria para diodos láser de alta potencia y reducir sus costos a través de efectos de escala al nivel requerido, deben explorarse nuevas aplicaciones. "Aquí, nuestro instituto apoya a la industria con un conocimiento acumulado durante más de 40 años", explica Klein.
Ya se están produciendo los primeros efectos de derrame. Así, del proyecto PriFUSIO ha surgido una nueva generación de placas de vidrio de cuarzo sintético que, además de la fusión, también son interesantes para otras aplicaciones de láser de alta potencia en el rango del infrarrojo cercano, incluyendo el corte y soldadura láser. El fabricante Heraeus Covantics ha optimizado el proceso de fabricación tanto en términos de rendimiento como de costos. Además, ofrece mayor flexibilidad en los tamaños de las placas. El nuevo material se caracteriza por una absorción muy baja y una alta densidad de potencia.
También hay demanda para láseres de alta energía más allá de la fusión: como impulsores de fuentes secundarias, deberían abrir nuevos caminos para la generación de radiación extrema ultravioleta (EUV), rayos X o radiación de neutrones. Entre las aplicaciones prometedoras se encuentra la imagenología combinada de rayos X y neutrones, que el Fraunhofer ILT está desarrollando actualmente en el proyecto conjunto PLANET. Debería permitir análisis ópticos y materiales del contenido de barriles y contenedores cerrados a través de sus paredes. Las fuentes de rayos láser son la clave para miniaturizar los aceleradores de partículas necesarios y para integrarlos en dispositivos compactos, posiblemente incluso móviles en el futuro. "Mucho de lo que estamos trabajando en la investigación de fusión es relevante para muchos mercados. ¡No solo estamos trabajando en una planta de energía!", enfatiza Klein. La fusión es una gran oportunidad para la industria del láser y la óptica en Alemania y Europa. Si el éxito comercial de la fusión láser tarda más de lo esperado, la industria podría abrir nuevos mercados con los saltos tecnológicos logrados en la investigación de fusión. Si tiene éxito, una sola planta necesitaría la producción mundial anual actual de diodos láser de alta potencia, así como decenas de miles de grandes ópticas. Incluso con estimaciones conservadoras, el volumen de negocios actual del mercado mundial del láser se multiplicaría drásticamente.
Fusión en el AKL'26
Ante tales perspectivas, el AKL - Congreso Internacional de Tecnología Láser (22 - 24 de abril de 2026 en Aquisgrán) iluminará en varias sesiones el potencial económico y tecnológico del mercado futuro de la fusión. En la sesión Gerd Herziger el 23 de abril de 2026, el Prof. Constantin Häfner, en su conferencia "Laser Power Unleashed: Impulsores para la energía de fusión y ecosistemas industriales", proporcionará información actual sobre el estado de la investigación de fusión y el estado de las cadenas de suministro necesarias. El director de investigación y transferencia de la Sociedad Fraunhofer es un experto en fusión reconocido y fue responsable del desarrollo de láseres de alta energía en el LLNL, antes de que, durante su tiempo como director del Fraunhofer ILT y como asesor del gobierno federal, diera importantes impulsos para la investigación de fusión en Alemania. También participará en el panel de la sesión.
A continuación, la Sesión 4, Fuentes de láser II, ofrecerá una visión técnica más profunda sobre el desarrollo de láseres de alta energía para la fusión y fuentes secundarias. También en la Sesión 7 - Fuentes de láser III el 24 de abril, que se ocupa de láseres de pulso ultracorto, se tratará el bloque dirigido por la Dra. Sarah Klein titulado 'Láseres de diodo' láseres semiconductores para las centrales de fusión del futuro.
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