Fino al 2029, il governo federale investirà oltre 2 miliardi di euro nella ricerca sulla fusione. L'Istituto Fraunhofer per la tecnologia laser ILT di Aquisgrana è un pioniere. In progetti di ricerca collaborativa, esplora e sviluppa soluzioni per futuri impianti di fusione insieme a partner dell'industria e della ricerca. Si tratta di costruire catene di approvvigionamento efficaci e di sviluppare processi per una produzione automatizzata su larga scala. A livello internazionale, l'istituto collabora strettamente, tra l'altro, con il Lawrence Livermore National Laboratory. La sua National Ignition Facility è riuscita a innescare ripetutamente plasma da fusione con il laser più grande al mondo, ottenendo costantemente surplus energetici in crescita. Nello sviluppo della tecnologia per le centrali elettriche, si delineano effetti spillover che potrebbero dare alla fotonica accesso a nuovi mercati applicativi.
Dal dicembre 2022, la ricerca sulla fusione è in forte espansione a livello mondiale. I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno raggiunto un traguardo storico nella National Ignition Facility (NIF) in California. Per la prima volta, una fusione inerziale (IFE) accesa con l'ausilio di un laser ad alta energia ha liberato più energia di quella che il laser aveva concentrato su un pellet delle dimensioni di una testa di spillo contenente combustibile per fusione. Da allora, il LLNL ha ripetuto l'esperimento più volte, con un crescente surplus energetico. È quindi chiaro: la fisica sottostante funziona.
La visione della fonte di energia climaneutrale e quasi illimitata della fusione è più concreta che mai. Inoltre, gli impianti IFE sono intrinsecamente sicuri, poiché il plasma si accende solo sotto enormi pressioni e a temperature di circa 150 milioni di °C. Senza l'apporto di combustibile e impulsi di accensione, la fusione si estingue immediatamente. Infatti, solo in queste condizioni estreme i nuclei respingenti degli isotopi di idrogeno deuterio e trizio sono in grado di superare la barriera di Coulomb e fondersi. Per un funzionamento continuo della centrale, è necessario comprimere 10-15 pellet al secondo con impulsi laser ad alta energia, trasformarli in plasma e accenderli. In questo modo, la fusione produce energia di base su larga scala: solo 1 kg di combustibile da fusione contiene tanta energia quanto 22.500 t di lignite, corrispondente al carico di un treno merci lungo 6 km. Non esiste nel tutto l'universo un materiale con una densità energetica simile.
Il governo tedesco investe oltre 2 miliardi di euro nella ricerca sulla fusione.
Come fonte di energia climaneutrale e in grado di fornire carico di base, la fusione potrebbe diventare un'importante integrazione dei futuri sistemi energetici, in cui l'elettricità eolica e solare, più economica ma volatile, copre la maggior parte della domanda. Secondo le previsioni dell'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA), la domanda di elettricità a livello globale aumenterà di 2,5 volte entro la metà del secolo, raggiungendo 70 petawattora (PWh) all'anno. Per coprire un decimo di tale domanda, sarebbero necessari quasi 1.000 centrali nucleari a fusione. Qui si delinea un mercato futuro per la fotonica, che supera di gran lunga il suo attuale volume d'affari.
I governi e gli investitori privati hanno riconosciuto l'opportunità e stanno indirizzando ingenti somme di fondi di sostegno e venture capital nel settore del futuro. Attualmente non si tratta solo dello sviluppo delle tecnologie di base per tali centrali, ma anche della creazione di catene di approvvigionamento efficienti e dello sviluppo di procedure per la produzione altamente automatizzata su larga scala dei componenti delle centrali. Qui entra in gioco la ricerca applicata della Fraunhofer-Gesellschaft.
Ancora ci sono enormi sfide tecnologiche e operative da affrontare sulla strada verso le centrali elettriche commerciali. Inoltre, esiste un ulteriore approccio promettente con la fusione magnetica (MFE). Il governo federale sostiene entrambi gli approcci nel programma "Fusion 2040". Il budget di questo programma è stato recentemente aumentato dal ministero federale per la ricerca, la tecnologia e lo spazio (BMFTR) a oltre 2 miliardi di euro fino al 2029. Per la fotonica, questa è una buona notizia: i laser ad alta energia e ad alte prestazioni, le ottiche, i sensori e le tecnologie di produzione laser altamente flessibili non sono solo considerati tecnologie chiave per le centrali IFE, ma anche per lo sviluppo, la costruzione e l'operazione dei complessi reattori Tokamak e Stellarator per la fusione magnetica.
Impianto di prova statunitense solo una bozza - La strada verso la centrale a fusione è lunga
Il Fraunhofer ILT è uno dei pionieri nella ricerca sulla fusione. Con partner dell'industria e della ricerca (oltre 20 istituti della Fraunhofer-Gesellschaft sono attivi in questo campo di ricerca), sviluppa in progetti nazionali e internazionali le basi tecnologiche per le centrali a fusione. Questi consorzi di ricerca collaborativa sono le cellule germinali delle catene di approvvigionamento di cui c'è urgente bisogno. I progetti riguardano la modellazione e la simulazione realistica di componenti, sottosistemi fino a centrali complete e lo sviluppo di ottiche robuste e laser di pompaggio per quei laser ad alta energia che dovranno accendere il plasma di fusione nelle centrali IFE del futuro con una frequenza di 15 Hertz. Per raggiungere tale frequenza, sono necessari solo complessi laser a stato solido pompati a diodi (DPSSL).
Il laser dell'impianto di prova in California si basa su 192 percorsi di fascio, in cui lastre di vetro pompate da lampade a flash amplificano gli impulsi laser. In questo processo, i fotoni interagiscono con gli elettroni in lastre di vetro cristallino. Il livello di energia di un impulso iniziale di nanojoule aumenta in misura tale da sembrare che si amplifichi acusticamente un normale colpo di mano al livello di un forte terremoto. Questa pompaggio avviene nella gamma delle lunghezze d'onda infrarosse.
L'impulso distribuito su 192 fasci viene successivamente convertito in lunghezze d'onda verdi e blu – e diventa radiazione X ultracorta quando tutti i 192 fasci colpiscono il bersaglio con più di 2 megajoule di energia combinata dell'impulso in sincronia. L'impulso di innesco raggiunge per pochi nanosecondi la stessa potenza dell'intera rete elettrica degli Stati Uniti. Di conseguenza, sono necessari enormi condensatori per immagazzinare l'energia elettrica necessaria. E dopo il colpo, il sistema deve raffreddarsi per ore. Per i laser ad alta energia delle future centrali elettriche, questo è impensabile. Devono fornire fino a 15 colpi al secondo con alta efficienza. L'efficienza della conversione da energia elettrica a energia ottica deve aumentare di 10-15 volte rispetto alla NIF. Contesto: l'impianto di prova californiano non è mai stato progettato per la produzione di energia, ma per la ricerca sul plasma.
Progetti di finanziamento sviluppano basi fotoniche per centrali a fusione.
I DPSSL sono componenti chiave per le centrali IFE. Invece di essere pompati con lampade flash, vengono pompati con efficienti diodi laser ad alta potenza. Nel progetto di finanziamento BMFTR DioHELIOS, il Fraunhofer ILT collabora in un ampio consorzio dedicato allo sviluppo dei diodi laser ad alta potenza necessari in massa. Oltre alla modellazione dei diodi, si tratta della loro integrazione in moduli attivamente raffreddati con lenti di collimazione fino alla progettazione di catene di produzione altamente automatizzate.
Gli obiettivi sono ambiziosi: l'energia del impulso ottenibile con i moduli di pompaggio a diodi dovrebbe aumentare di un fattore 50, con efficienza migliorata e proprietà spettrali più omogenee e stabili. Inoltre, è necessario ridurre i costi dei moduli laser a diodi a meno di un centesimo per watt di potenza attraverso una produzione di massa completamente automatizzata. Questo sarebbe meno di un quarantesimo dei loro costi attuali. Tuttavia, ciò non deve avvenire a scapito della qualità: l'hardware fortemente sollecitato deve durare 30 anni nel funzionamento della centrale. L'entità della sfida si manifesta anche nel fatto che la produzione mondiale annuale attuale di diodi ad alta potenza non copre nemmeno il fabbisogno di una sola centrale IFE. Con i suoi partner nel consorzio DioHELIOS, il Fraunhofer ILT sta già cercando soluzioni concrete.
DioHELIOS è una delle misure nel programma 'Fusion 2040'. Nel progetto strettamente correlato PriFUSIO, un consorzio guidato dal Fraunhofer ILT lavora sui componenti ottici chiave dei laser ad alta energia per le centrali a fusione. 'Si tratta del loro sviluppo sistematico e validazione', spiega la Dr.ssa Sarah Klein, coordinatrice della ricerca sulla fusione nella Fraunhofer-Gesellschaft. Il progetto si dedica a nuovi metodi per la produzione, rivestimento e controllo qualità di lenti, reticoli ottici, nonché alla simulazione e sviluppo dei materiali delle piastre amplificatrici, che in combinazione con diodi laser ad alta potenza devono amplificare gli impulsi di accensione nell'area dei megajoule. 'Tutti i componenti ottici devono resistere al funzionamento della centrale 24/7. Per questo è necessario aumentare significativamente le loro soglie di rottura', afferma. Inoltre, sono richiesti nuovi approcci per produrre in modo economico le ottiche inizialmente necessarie in piccole quantità, talvolta molto grandi. Il Fraunhofer ILT sta perseguendo anche un approccio promettente: catene di processo basate su laser per formatura, lucidatura e post-elaborazione. Rispetto ai metodi meccanici, lo strumento laser introduce fin dall'inizio meno microfessure e difetti nei componenti ottici, aumentando la loro robustezza e durata.
Nei progetti 'IFE-Targetry-HUB' e 'Durable', i team del Fraunhofer ILT sono anche in prima linea nello sviluppo di tecnologie chiave per le centrali a fusione. 'Durable' si occupa della simulazione e sviluppo dei processi per la produzione additiva di componenti delle pareti lato plasma. Nel funzionamento della centrale 24/7, i neutroni liberati dalla fusione colpiscono continuamente le pareti. La loro energia cinetica viene trasferita alle pareti a un mezzo di raffreddamento, che evapora e aziona una turbina. Sono richiesti anche elementi murari speciali, in cui i neutroni servono per estrarre l'isotopo di idrogeno trizio dal litio. 'Per modellare le leghe di tungsteno estremamente robuste e resistenti alle alte temperature delle pareti, i metodi di produzione additiva basati su laser sono indicati', spiega Klein. Il Fraunhofer ILT ha inventato, brevettato e sistematicamente sviluppato la stampa 3D in metallo. L'IA gioca un ruolo sempre più importante anche nel processo di saldatura laser ad alta velocità EHLA, anch'esso concepito e brevettato dall'istituto. 'Entrambi i metodi additivi hanno un grande potenziale per la produzione di componenti per centrali', afferma.
Non meno rilevanti sono i metodi supportati da laser per la produzione dei target di combustibile. Quando le centrali a fusione accendono fino a 1,3 milioni di volte al giorno in modalità 15 Hz, i costi dei target devono scendere di ordini di grandezza fino all'area del centesimo. Anche questa sfida è affrontata dai ricercatori del Fraunhofer ILT nel progetto 'IFE-Targetry-HUB'. Nella ricerca sulla fusione si intrecciano molti fili che l'istituto ha raccolto e sviluppato negli ultimi decenni. Ora questo lavoro preparatorio sta dando i suoi frutti. 'I nostri progetti si muovono nel tipico punto di lavoro Fraunhofer: si tratta di ripensare le tecnologie e trasferirle dall ricerca all'applicazione industriale concreta', afferma la coordinatrice della ricerca sulla fusione.
Comprendere i laser ad alta energia fin dalle basi
Si prevede che i laser ad alta energia delle future centrali IFE avranno molte centinaia di lunghezze di fascio parallele. Migliaia di barre di diodi laser ad alta potenza pomperanno piastre amplificatrici in vetro speciale o cristallo per aumentare l'energia degli impulsi al livello richiesto per l'accensione. Laser così complessi non possono essere realizzati con un approccio di prova e errore. È necessaria piuttosto una modellazione computazionale per testarli e ottimizzarli virtualmente prima della costruzione del prototipo. I prototipi virtuali dei componenti, dei sottosistemi e infine anche dei laser ad alta energia completi consentono ai ricercatori di esplorare le loro funzioni e simulare il funzionamento virtualizzato in modo realistico. Negli ultimi anni, il Fraunhofer ILT ha realizzato modelli di simulazione laser altamente sviluppati per la progettazione, lo sviluppo e la scalabilità industriale dei DPSSL. Ora li sta sottoponendo a una prova di resistenza, confrontandoli nel progetto 'ICONIC-FL' con soluzioni comparabili del LLNL.
L'istituto statunitense è specializzato nella simulazione e costruzione di laser ad alta energia, mentre il Fraunhofer ILT si concentra sui DPSSL con alte potenze medie. Entrambi i partner portano quindi competenze complementari. 'In questo progetto non si tratta di unire i nostri modelli di simulazione o scambiare codice', sottolinea Johannes Weitenberg, project manager per il Fraunhofer ILT. Piuttosto, i due istituti vogliono imparare l'uno dall'altro e convalidare i loro risultati di simulazione in vista della prossima generazione di DPSSL per le centrali a fusione, sottoponendo il design del laser a una validazione incrociata indipendente. A tal fine, simuleranno ciascuno i livelli di amplificazione dei laser ad alta energia con le loro soluzioni. In questo processo, vogliono approfondire effetti fisici complessi: 'Nel funzionamento 24/7, il riscaldamento, gli effetti di rifrazione e le aberrazioni possono distorcere il fascio laser. Anche i più piccoli effetti hanno un peso e possono causare perdite di efficienza o addirittura danni diretti all'ottica', afferma Weitenberg. Si vuole capire esattamente cosa accade in ciascuna piastra amplificatrice per poter successivamente simulare pile di piastre complesse.
In definitiva, la ricerca attuale sulla fusione mira a forzare salti tecnologici con approcci multidisciplinari. L'esempio del NIF mostra cosa è possibile: grazie a competenze scientifiche e ingegneristiche, nonché all'ottimizzazione dei processi supportata da simulazioni e IA, è stato possibile aumentare l'eccedenza energetica della fusione da un iniziale 1,5 volte a 4 volte l'energia fornita dal laser. Questo fattore deve ora essere aumentato a un fattore compreso tra 50 e 100 con laser ad alta energia ottimizzati specificamente per le centrali IFE.
I laser ad alta energia non sono interessanti solo per la fusione
Il grande progetto della centrale a fusione richiede una stretta cooperazione tra industria e ricerca. I programmi di finanziamento statali possono creare basi tecnologiche, ma a lungo termine le aziende devono investire e costruire catene di approvvigionamento. Per le innovazioni, ciò significa che non devono essere orientate solo verso l'obiettivo finale della centrale a fusione, ma anche verso ulteriori mercati applicativi. Per costruire la capacità produttiva necessaria per diodi laser ad alte prestazioni e ridurre i costi attraverso economie di scala al livello richiesto, devono essere esplorate nuove applicazioni. 'Il nostro istituto è al fianco dell'industria con un know-how accumulato in oltre 40 anni', spiega Klein.
I primi effetti spillover si stanno già manifestando. Dal progetto PriFUSIO è emersa una nuova generazione di lastre di vetro di quarzo sintetico, che oltre alla fusione è interessante anche per altre applicazioni laser ad alte prestazioni nel vicino infrarosso - tra cui il taglio e la saldatura laser. Il produttore Heraeus Covantics ha ottimizzato il processo di produzione sia in termini di prestazioni che di costi. Inoltre, offre maggiore flessibilità nelle dimensioni delle lastre. Il nuovo materiale si distingue per una bassa assorbimento e alta densità di potenza.
C'è anche bisogno di laser ad alta energia al di fuori della fusione: come driver per fonti secondarie, dovrebbero aprire nuove strade per la generazione di radiazione ultravioletta estrema (EUV), raggi X o radiazione neutronica. Tra le applicazioni promettenti c'è l'imaging combinato di raggi X e neutroni, che il Fraunhofer ILT sta attualmente sviluppando nel progetto collaborativo PLANET. Dovrebbe consentire analisi ottiche e materiali del contenuto di fusti e contenitori chiusi attraverso le loro pareti. Le sorgenti laser sono la chiave per miniaturizzare gli acceleratori di particelle necessari e integrarli in dispositivi compatti, possibilmente anche mobili in futuro. 'Molte delle cose su cui stiamo lavorando nella ricerca sulla fusione sono rilevanti per molti mercati. Non stiamo lavorando solo a una centrale!', sottolinea Klein. La fusione rappresenta una grande opportunità per l'industria laser e ottica in Germania e in Europa. Se il successo commerciale della fusione laser tarderà più del previsto, il settore potrebbe aprire nuovi mercati grazie ai salti tecnologici ottenuti nella ricerca sulla fusione. Se avrà successo, una sola centrale avrà bisogno della produzione annuale mondiale attuale di diodi laser ad alte prestazioni e di decine di migliaia di grandi ottiche. Anche con stime conservative, il volume di affari attuale del mercato laser mondiale aumenterebbe rapidamente.
Fusione all'AKL '26
Alla luce di tali prospettive, l'AKL - Congresso Internazionale sulla Tecnologia Laser (22 - 24 aprile 2026 ad Aquisgrana) esplorerà in diverse sessioni il potenziale economico e tecnologico del mercato futuro della fusione. Nella sessione Gerd Herziger del 23 aprile 2026, il Prof. Constantin Häfner fornirà nel suo intervento 'Laser Power Unleashed: Driver per l'energia da fusione e ecosistemi industriali' attuali approfondimenti sullo stato della ricerca sulla fusione e sullo stato delle catene di approvvigionamento necessarie. Il membro del consiglio per la ricerca e il trasferimento della Fraunhofer-Gesellschaft è un esperto di fusione riconosciuto ed è stato responsabile dello sviluppo di laser ad alta energia presso il LLNL, prima di dare importanti impulsi alla ricerca sulla fusione in Germania durante il suo periodo come direttore del Fraunhofer ILT e come consulente del governo federale. Parteciperà anche al dibattito della sessione.
Successivamente, la Sessione 4, Fonti di laser a fascio II, fornirà approfondimenti tecnici sullo sviluppo di laser ad alta energia per la fusione e fonti secondarie. Anche nella Sessione 7 - Fonti di laser a fascio III il 24 aprile, che tratta dei laser a impulsi ultracorti, il slot guidato dalla Dr.ssa Sarah Klein intitolato 'Laser a diodi' tratterà i laser a semiconduttore per le centrali nucleari del futuro.
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