Do 2029. godine njemačka vlada će u istraživanje fuzije uložiti više od 2 milijarde €. Fraunhofer Institut za lasersku tehnologiju ILT u Aachenu je pionir u tom području. U zajedničkim istraživačkim projektima istražuje i razvija rješenja za buduće fuzijske elektrane u suradnji s partnerima iz industrije i istraživanja. Riječ je o uspostavljanju učinkovitih opskrbnih lanaca te razvoju postupaka za automatiziranu masovnu proizvodnju. Institut međunarodno surađuje, između ostalog, i s Lawrence Livermore National Laboratory. Njihova Nacionalna ignicijska postrojenja su uz pomoć trenutno najvećeg lasera na svijetu više puta zapalila fuzijsko plazmu i pritom ostvarila stalno rastuće energetske viškove. U razvoju tehnologije elektrana naziru se spillover efekti koji bi fotonici mogli omogućiti pristup novim tržištima primjene.
Od prosinca 2022. godine, istraživanje fuzije doživljava svjetski uzlet. Istraživačima iz Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) uspjelo je u kalifornijskom National Ignition Facility (NIF) ostvariti povijesni proboj. Po prvi put, inercijska fuzija (IFE) pokrenuta pomoću visokenergijskog lasera oslobodila je više energije nego što je laser koncentrirao na pelet s fuzijskim gorivom veličine glave igle. Od tada je LLNL eksperiment više puta ponovio s rastućim energetskim viškom. Time je potvrđeno: temeljna fizika funkcionira.
Vizija klimatski neutralnog, gotovo neograničenog izvora energije fuzije je bliža nego ikad. Osim toga, IFE postrojenja su intrinsčki sigurna, jer plazma započinje samo pod ogromnim pritiskom i na temperaturama oko 150 milijuna °C. Bez opskrbe gorivom i impulsa za paljenje, fuzija odmah prestaje. Jer samo pod tim ekstremnim uvjetima, međusobno odbijajući jezgre izotopa vodika deuterija i tritija mogu prevladati Coulombovu barijeru i fuzionirati. Za održavanje kontinuiranog rada elektrane potrebno je komprimirati 10 do 15 peleta u sekundi visokoenergetskim laserskim impulsima, pretvoriti ih u plazmu i zapaliti. Održavanjem na taj način, fuzija proizvodi osnovnu energiju u velikim razmjerima: samo 1 kg fuzijskog goriva sadrži toliko energije koliko 22.500 t smeđeg ugljena, što odgovara teretu teretnog vlaka dugog 6 km. U cijelom svemiru nije poznat nijedan materijal slične energetske gustoće.
Njemačka vlada ulaže više od 2 milijarde eura u istraživanje fuzije.
Kao klimatski neutralan, osnovni izvor energije, fuzija može postati važna dopuna budućim energetskim sustavima u kojima je jeftina, ali volatilna energija vjetra i sunca glavni izvor opskrbe. Prema prognozama Međunarodne agencije za energiju (IEA), potražnja za električnom energijom će do sredine stoljeća globalno porasti 2,5 puta na 70 petavat-sati (PWh) godišnje. Da bi se pokrilo deset posto te potražnje, bilo bi potrebno gotovo 1.000 fuzijskih elektrana. Ovdje se nazire tržište budućnosti za fotoniku, koje znatno premašuje njezinu današnju razinu prihoda.
Vlade i privatni investitori prepoznali su priliku i usmjeravaju velike svote potpornih sredstava i rizičnog kapitala u ovo buduće polje. Trenutno se ne radi samo o razvoju osnovnih tehnologija za takve elektrane, već i o uspostavljanju snažnih opskrbnih lanaca i razvoju postupaka za masovnu visokoautomatiziranu proizvodnju komponenti elektrana. Tu se fokusira primijenjeno istraživanje Fraunhoferove društva.
Još uvijek postoje ogromni tehnološki i operativni izazovi na putu prema komercijalnim elektranama. Uz to, postoji i još jedan obećavajući pristup s magnetskom fuzijom (MFE). Savezna vlada podržava oba pristupa u programu "Fuzija 2040". Njegov proračun nedavno je povećalo nadležno Ministarstvo za istraživanje, tehnologiju i svemir (BMFTR) na više od 2 milijarde eura do 2029. godine. Za fotoniku je to dobra vijest: laseri visoke energije i visoke učinkovitosti, optike, senzori i visoko fleksibilna laserska proizvodna tehnologija smatraju se ne samo ključnim tehnologijama za IFE elektrane, već i za razvoj, izgradnju i rad složenih Tokamak i Stellarator reaktora za magnetsku fuziju.
Američka probna postrojenja samo su plavi otisak – Put do fuzijske elektrane je dug.
Fraunhofer ILT spada među pionire istraživanja fuzije. U suradnji s partnerima iz industrije i istraživanja (više od 20 instituta Fraunhoferove zajednice aktivno je u ovom istraživačkom području), razvija tehnološke osnove za fuzijske elektrane u nacionalnim i međunarodnim projektima. Ove istraživačke konzorcije su klice nužno potrebnih opskrbnih lanaca. U projektima se radi o realističnom modeliranju i simulaciji komponenti, podsustava do ukupnih elektrana te o razvoju robusnih optika i pogonskih lasera za visokoenergetske lasere koji bi u budućim IFE elektranama trebali paliti fuzijsko plazmu brzinom od 15 Hertz. Da bi se postigla takva frekvencija, mogu se koristiti samo složeni diodama pumpani čvrsto stanje laseri (DPSSL).
Laser probne instalacije u Kaliforniji temelji se na 192 putanje zraka, u kojima stakleni paneli pumpani bljeskalicama pojačavaju laserske pulse. Pri tome fotoni interagiraju s elektronima u kristalnim staklenim pločama. Energijska razina inicijalnog nanojoule pulsa raste onoliko koliko bi se normalan udarac rukom akustički pojačao na razinu jakog potresa. Ova pumpa se odvija u infracrvenom području valne duljine.
Puls raspoređen na 192 putanje kasnije se pretvara u zelene i plave valne duljine – i postaje ultrakratkovalno rendgensko zračenje kada svih 192 zraka s više od 2 megajoula kombinirane pulsne energije sinkrono udare u cilj. Palni puls pritom dostiže istu snagu kao cijela američka elektroenergetska mreža na nekoliko nanosekundi. Stoga su potrebni ogromni kondenzatori za pohranu potrebne električne energije. A nakon ispaljivanja sustav se mora hladiti satima. Za visokoenergetske lasere budućih elektrana to je nezamislivo. Moraju isporučivati visoku učinkovitost do 15 ispaljivanja u sekundi. Učinkovitost pretvorbe električne u optičku energiju mora se povećati 10 do 15 puta u odnosu na NIF. Pozadina: Kalifornijska eksperimentalna postrojenja nikada nisu bila namijenjena za proizvodnju energije, već za istraživanje plazme.
Razvoj projekata podrške za fotonsku osnovu fuzijskih elektrana
DPSSL su ključne komponente za IFE elektrane. Umjesto sa bljeskalicama, pumpaju se s učinkovitima visokoučinkovitim laserskim diodama. U BMFTR projektu financiranja DioHELIOS, Fraunhofer ILT sudjeluje u širokom konzorciju koji se bavi razvojem masovno potrebnih visokoučinkovitih laserskih dioda. Osim modeliranja dioda, radi se o njihovoj integraciji u aktivno hlađene module s kolimacijskim lećama do dizajna visoko automatiziranih proizvodnih lanaca.
Ciljevi su ambiciozni: Pulsna energija koja se može postići s diodnim pumpnim modulima trebala bi se povećati za faktor 50 uz poboljšanu učinkovitost i homogenije, stabilnije spektralne karakteristike. Osim toga, cilj je smanjiti troškove diodnih lasera kroz potpuno automatiziranu masovnu proizvodnju na ispod jednog centa po vatu snage. To bi bilo manje od četrdesetine njihovih današnjih troškova. Međutim, to ne smije biti na račun kvalitete: jer snažno opterećeni hardver trebao bi trajati 30 godina u radu elektrane. Opseg izazova također se očituje u tome što današnja svjetska godišnja proizvodnja visokoučinkovitih dioda ne pokriva ni potrebu jedne jedine IFE elektrane. Sa svojim partnerima u DioHELIOS konzorciju, Fraunhofer ILT već traži konkretna rješenja za to.
DioHELIOS je jedna od mjera u programu »Fusion 2040«. U usko povezanim projektima PriFUSIO, konzorcij pod vodstvom Fraunhofer ILT radi na optičkim ključnim komponentama visokoučinkovitih lasera za fuzijske elektrane. »Radi se o njihovom sustavnom daljnjem razvoju i validaciji«, objašnjava dr. Sarah Klein, koordinatorica za fuzijska istraživanja u Fraunhofer društvu. Projekt se posvećuje novim postupcima za proizvodnju, premazivanje i kontrolu kvalitete leća, optičkih rešetki, kao i simulaciji i razvoju materijala pojačivačkih ploča, koje bi u suradnji s visokoučinkovitim laserskim diodama trebale pojačati paljenje u megajouleskom području. »Sve optičke komponente moraju izdržati rad elektrane 24/7. Za to je potrebno, između ostalog, značajno povećati njihove granice uništenja«, kaže ona. Također su potrebni novi pristupi za isplativu proizvodnju velikih optika koje su u početku potrebne samo u malim količinama. Fraunhofer ILT također prati obećavajući pristup: laserski procesi za oblikovanje, poliranje i doradu. U usporedbi s mehaničkim postupcima, alat svjetlosti od samog početka unosi manje mikropukotina i smetnji u optičke komponente, što povećava njihovu robusnost i trajnost.
U projektima »IFE-Targetry-HUB« i »Durable« timovi Fraunhofer ILT također sudjeluju na prvoj liniji u razvoju ključnih tehnologija za fuzijske elektrane. »Durable« se bavi simulacijom i razvojem procesa za aditivnu proizvodnju komponenti zidova s plazmom. U radu elektrane 24/7, neutroni oslobođeni fuzijom neprekidno udaraju u zidove. Njihova kinetička energija prenosi se u zidovima na rashladno sredstvo, koje isparava i pokreće turbinu. Također su potrebni posebni zidni elementi u kojima neutroni služe za uzgoj izotopa vodika tritija iz litija. »Kako bismo oblikovali visoko temperaturno otporne, izuzetno robusne legure volframa zidova, prikladne su aditivne proizvodne metode temeljene na laseru«, objašnjava Klein. Fraunhofer ILT je izumio metalni 3D tisak, patentirao ga – i od tada ga sustavno dalje razvija. AI igra sve važniju ulogu, kao i u ekstremnom laserskom zavarivanju s visokom brzinom EHLA, koje je također osmišljeno i patentirano na institutu. »Obje aditivne metode imaju veliki potencijal za proizvodnju komponenti elektrane«, kaže ona.
Nimalo manje relevantne su laserom potpomognute metode za proizvodnju cilindra goriva. Kada fuzijske elektrane rade na 15 Hz, paljenje se mora dogoditi do 1,3 milijuna puta dnevno, a troškovi cilindra moraju se smanjiti za red veličine do razine centa. Ovaj izazov također se rješava od strane istraživača Fraunhofer ILT u projektu "IFE-Targetry-HUB". U fuzijskim istraživanjima povezuje se mnogo niti koje je institut tijekom posljednjih desetljeća prikupio i dalje razvio. Sada se ta prethodna priprema isplati. "Naši projekti se kreću na tipičnoj radnoj točki Fraunhofera: radi se o ponovnom razmišljanju tehnologija i njihovom prijenosu iz istraživanja u konkretne industrijske primjene", kaže koordinatorica fuzijskih istraživanja.
Razumjeti visokoenergetske lasere od temelja.
Očekuje se da će visokoenergetski laseri budućih IFE elektrana imati nekoliko stotina paralelnih putanja zraka. Tisuće visokoučinkovitih laserdijodnih blokova će pumpati pojačivačke ploče od specijalnog stakla ili kristala kako bi pojačali pulse na razinu energije potrebnu za paljenje. Tako složeni laseri nisu realizabilni putem pristupa pokušaja i pogrešaka. Umjesto toga, potrebne su računalne metode kako bi se prvo virtualno testirali i optimizirali prije izrade prototipa. Virtualni prototipovi komponenti, podsustava i konačno cijelih visokoenergetskih lasera omogućuju istraživačima da istraže njihove funkcije i realistički ih simuliraju u virtualiziranom radu. Fraunhofer ILT je u posljednjim godinama razvio napredne modele laserskih simulacija za dizajn, razvoj i industrijsku skalabilnost DPSSL. Sada ih podvrgava ispitivanju u projektu "ICONIC-FL" uspoređujući ih s usporedivim rješenjima LLNL-a.
Američki institut specijaliziran je za simulaciju i izgradnju visokenergijskih lasera, dok je Fraunhofer ILT fokusiran na DPSSL s visokim prosječnim snagama. Oba partnera donose komplementarno znanje. "Ovaj projekt nije usmjeren na spajanje naših simulacijskih modela ili razmjenu koda", naglašava Johannes Weitenberg, voditelj projekta sa strane Fraunhofer ILT. Umjesto toga, oba instituta žele učiti jedno od drugoga i dvostruko osigurati svoje simulacijske rezultate s obzirom na sljedeću generaciju DPSSL-a za fuzijske elektrane, podvrgavajući dizajn lasera neovisnoj unakrsnoj validaciji. U tu svrhu će svako od njih simulirati pojačavajuće stupnjeve visokenergijskih lasera sa svojim rješenjima. Pri tome žele istražiti složene fizičke efekte: "U 24/7 radu, zagrijavanje, refrakcijski efekti i aberacije mogu iskriviti laserski snop. Čak i najmanji efekti imaju značaj i mogu uzrokovati gubitke u učinkovitosti ili čak izravne štete na optici", kaže Weitenberg. Žele točno razumjeti što se događa u pojedinoj pojačavajućoj ploči kako bi kasnije mogli simulirati složene slojeve ploča.
Na kraju, trenutna istraživanja fuzije imaju za cilj prisiliti skokove u tehnologiji koristeći multidisciplinarne pristupe. Primjer NIF-a pokazuje što je moguće: uz pomoć znanstvenog i inženjerskog znanja, kao i optimizacije procesa potpomognute simulacijama i umjetnom inteligencijom, uspjelo se povećati energetski višak fuzije s prvotnih 1,5 puta na 4 puta energiju unesenu laserom. Ovaj faktor sada treba povećati na faktor od 50 do 100 s visokoenergetskim laserima optimiziranim specifično za IFE elektrane.
Visokoenergetski laseri nisu zanimljivi samo za fuziju.
Veliki projekt fuzijskog reaktora zahtijeva blisku suradnju između industrije i istraživanja. Državni poticajni programi mogu stvoriti tehnološke osnove, no dugoročno, tvrtke moraju ulagati i graditi opskrbne lance. Za inovacije to znači da se ne bi trebale usmjeravati samo na daleki cilj fuzijskog reaktora, već i na dodatna tržišta primjene. Kako bi se izgradila potrebna proizvodna kapacitet za visokoučinkovite laserske diode i smanjili njihovi troškovi kroz učinak razmjera na potrebnu razinu, moraju se istražiti nove primjene. 'Naš institut stoji uz industriju s koncentriranim, više od 40 godina generiranim znanjem', objašnjava Klein.
Prvi spillover efekti već se javljaju. Tako je iz projekta PriFUSIO proizašla nova generacija sintetičkih staklenih ploča, koje su zanimljive ne samo za fuziju, već i za druge primjene visokoučinkovitih lasera u bliskom infracrvenom području - uključujući lasersko rezanje i zavarivanje. Proizvođač Heraeus Covantics optimizirao je proces proizvodnje s obzirom na performanse i troškove. Osim toga, nudi veću fleksibilnost u veličinama ploča. Novi materijal odlikuje se vrlo malom apsorpcijom i visokom gustoćom snage.
Postoji potreba i za visokoučinkovitim laserima izvan fuzije: kao pokretači sekundarnih izvora, trebali bi otvoriti nove puteve za generiranje ekstremno ultraljubičastog (EUV), rendgenskog ili neutronskog zračenja. Među obećavajućim primjenama je kombinirano rendgensko i neutronsko snimanje, koje trenutno razvija Fraunhofer ILT u suradničkom projektu PLANET. Trebalo bi omogućiti optičke i materijalne analize sadržaja zatvorenih bačvi i kontejnera kroz njihove zidove. Izvori laserskog snopa ključni su za miniaturizaciju potrebnih akceleratora čestica i njihovu integraciju u kompaktne, možda čak i mobilne uređaje u budućnosti. 'Mnogo toga na čemu radimo u istraživanju fuzije relevantno je za mnoga tržišta. Ne radimo samo na elektrani!', naglašava Klein. Fuzija je velika prilika za industriju lasera i optike u Njemačkoj i Europi. Ako komercijalni uspjeh laserske fuzije bude duže od očekivanog, industrija bi mogla otvoriti nova tržišta s tehnološkim skokovima postignutim u istraživanju fuzije. Ako bude uspješna, tada će jedna jedina elektrana trebati godišnju svjetsku proizvodnju visokoučinkovitih laserskih dioda, kao i desetke tisuća velikih optika. Čak i prema konzervativnim procjenama, današnji volumen prometa na svjetskom tržištu lasera naglo bi se povećao.
Fuzija na AKL '26
S obzirom na takve perspektive, AKL - Međunarodni kongres laserske tehnologije (22. - 24. travnja 2026. u Aachen) raspravlja o ekonomskom i tehnološkom potencijalu tržišta fuzije u različitim sesijama. U sesiji Gerd Herziger 23. travnja 2026. prof. Constantin Häfner u svom predavanju 'Laser Power Unleashed: Pokretači za fuzijsku energiju i industrijske ekosustave' pruža aktualne uvide u stanje istraživanja fuzije i status potrebnih opskrbnih lanaca. Predsjednik za istraživanje i transfer Fraunhofer društva je istaknuti stručnjak za fuziju i bio je odgovoran za razvoj visokoučinkovitih lasera na LLNL, prije nego što je kao voditelj Fraunhofer ILT i savjetnik savezne vlade dao važne impulse za istraživanje fuzije u Njemačkoj. Također će sudjelovati u raspravi na panelu sesije.
Nakon toga, sesija 4, Laserski izvori II, pružit će dublji stručni uvid u razvoj visokenergijskih lasera za fuziju i sekundarne izvore. Također, u sesiji 7 – Laserski izvori III 24. travnja, koja se bavi ultrakratkimpulsnim laserima, bit će obrađena tema 'Diodni laser' poluprovodnički laseri za fuzijske elektrane budućnosti, pod vodstvom dr. Sarah Klein.
Kontakt:
