Laserowa fuzja inercyjna jest strategicznym rynkiem przyszłości dla fotoniki. Jej wykonalność została udowodniona. W Niemczech formują się konsorcja z przemysłu i badań, aby wykorzystać neutralne dla klimatu i intrinsycznie bezpieczne źródło energii oraz stworzyć silne łańcuchy dostaw. Państwo wspiera rozwój technologii bazowych dla elektrowni fuzyjnych kwotą ponad miliarda euro. Podejścia te niosą ze sobą wysokie potencjały innowacyjne wykraczające poza fuzję. Ważni uczestnicy spotykają się na LASER 2025 na panelu aplikacyjnym „Fuzja laserowa: ożywienie przemysłu fotoniki”. Prowadzone przez Fraunhofer ILT, omawia potencjały rynkowe i szanse fuzji. Laserowa fuzja inercyjna jest na progu przejścia z badań podstawowych do rozwoju technologii bliskiej zastosowaniu. Niemcy przygotowały się, aby jak najszybciej wykorzystać neutralne dla klimatu źródło energii dostępne przez całą dobę. Od momentu, gdy rząd federalny wiosną 2024 roku uruchomił program „Fuzja 2040 – badania w drodze do elektrowni fuzyjnej”, powstało 16 konsorcjów z budżetem wsparcia wynoszącym 140 milionów euro. Korporacje, średnie przedsiębiorstwa, start-upy, instytuty badawcze i uczelnie łączą w nim swoje kompetencje, aby rozwijać technologie bazowe dla elektrowni fuzyjnych. To początek ofensywy badawczej, którą Niemcy wspierają do 2030 roku kwotą ponad miliarda euro. Dodatkowo pojawiają się prywatne inwestycje ze strony uczestniczących firm. W większości pochodzą one z przemysłu fotoniki i dostrzegły fuzję jako strategiczny rynek przyszłości.
Panel aplikacyjny »Laser Fusion: Ożywienie przemysłu fotoniki« na targach LASER
Panel aplikacyjny w ramach Laser World of Photonics zbada potencjał dla przemysłu fotoniki. Pod przewodnictwem dr. Jochena Stollenwerka, pełniącego obowiązki kierownika Instytutu Fraunhofera dla Techniki Laserowej ILT w Akwizgranie, czołowi eksperci z przemysłu i nauki będą dyskutować na temat stanu technologii, wyzwań oraz fotonowych rozwiązań. Wykład wprowadzający panelu „Laser Fusion: Energizing Photonics Industry” wygłosi prof. Constantin Häfner, członek zarządu ds. badań i transferu w Fraunhofer-Gesellschaft. Do końca 2019 roku jako dyrektor programu ds. zaawansowanych technologii fotonowych w Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii, USA, był odpowiedzialny za rozwój najsilniejszych systemów laserowych na świecie, które w tamtejszym National Ignition Facility (NIF) po raz pierwszy umożliwiły zapłon plazmy fuzji.
Od swojego przejścia do Niemiec Häfner wnosi swoją ekspertyzę między innymi jako doradca rządu federalnego w Radzie Fuzji Federalnego Ministerstwa Badań, Technologii i Przestrzeni Kosmicznej (BMFTR) oraz jako przewodniczący komisji ekspertów ds. fuzji laserowej. W swoim wystąpieniu wprowadzającym omówi szanse Niemiec i Europy na rynku przyszłości fuzji laserowej, również w kontekście,
że niemieckie firmy fotoniki jako dostawcy technologii i sprzętu odegrały nie do przecenienia rolę w budowie NIF.
„Budowa wydajnych łańcuchów dostaw w fotonice jest warunkiem technicznej i ekonomicznej wykonalności elektrowni termojądrowej“ – mówi Häfner. W drodze do tego potrzebnych jest jeszcze wiele innowacji. Z powodu przewidywanej wielkości rynku, będą one prowadzić do daleko idących transformacji na dzisiejszym rynku laserów przemysłowych, zastosowań laserowych i optyki. W formie spill-over.
Efekty mogą już w krótkim okresie wpłynąć na rynek fotoniki w wyniku trwających badań i rozwoju.
Start sygnał do budowy skutecznych łańcuchów dostaw
Z powodu utworzenia pierwszych konsorcjów w programie „Fusion 2040” rozpoczęła się niezbędna ofensywa innowacyjna. Projekty łączą uczestników z dziedziny fotoniki, optyki i nauk materiałowych oraz ich kompetencje. Skupiają się na rozwoju i produkcji wysokoefektywnych laserów diodowych oraz odpornych szkła optycznych i kryształów. Będą one wykorzystywane w ciągłej eksploatacji komercyjnej.
Elektrownie są narażone na ekstremalne obciążenia. Ich zadaniem jest pompowanie impulsów laserowych o wysokiej częstotliwości na niezbędny poziom energii, aby przekształcić mieszankę izotopów wodoru deuteru i trytu w plazmę i zapalić ich fuzję. Dla komercyjnej działalności należy zapalić od dziesięciu do dwudziestu celów z tą mieszanką na sekundę. Również w przypadku tych celów – kulek wielkości główki od szpilki – oraz w przypadku pierwszej ściany reaktora istnieje potrzeba rozwoju. Ta ostatnia jest narażona na neutrony uwalniane podczas fuzji oraz na promieniowanie termiczne.
150 milionów stopni Celsjusza, narażone na gorące plazmy fuzji. Obszary rozwoju pojawiają się również w zakresie cyklu trytu oraz, jeśli to możliwe, dodatniej produkcji złożonych komponentów elektrowni. Tematy te są adresowane przez konsorcja. Już dziś widać, że wspomniane efekty spill-over wpłyną na fotonikę i jej branże użytkowe. Jednym z projektów jest dążenie do znacznego zwiększenia wydajności laserów diodowych przy jednoczesnym znacznie obniżonych kosztach dzięki w pełni zautomatyzowanej produkcji. Jeśli konsorcjum osiągnie
jego cele, to diodowe lasery powinny w różnych branżach wykazywać potencjał transformacyjny – a częściowo nawet disruptywny. Istnieje również zapotrzebowanie na źródła promieniowania o wysokiej mocy oraz na szkła optyczne potrzebne w elektrowniach termojądrowych z innych rynków. Wzrasta także zapotrzebowanie na lasery, które mogą być wykorzystywane jako źródła wtórne do generowania promieniowania EUV, neutronowego lub rentgenowskiego. Są one
między innymi do połączonego obrazowania rentgenowskiego i neutronowego. Metoda ma umożliwić optyczne i materiałowe analizy zawartości przez ściany zamkniętych beczek i kontenerów. Źródła promieniowania laserowego są kluczem do miniaturyzacji potrzebnych akceleratorów cząstek i integracji ich w kompaktowych urządzeniach.
Podstawowa fizyka działa – początek rozwoju zastosowań
Rozwój laserowej fuzji postępuje w szybkim tempie, szczególnie od 5 grudnia 2022 roku – dnia przełomu w NIF. Według oceny Häfnera, rosnące wykorzystanie sztucznej inteligencji jeszcze bardziej zwiększy tempo innowacji. W celu optymalizacji eksperymentów w amerykańskim obiekcie badawczym już wykorzystuje się sztuczną inteligencję: zapłon plazmy fuzji pod koniec 2022 roku uwolnił 3,15 megadżula (MJ), co stanowiło 1,5-krotność energii laserowej potrzebnej do zapłonu, natomiast NIF pod koniec 2024 roku ogłosiła wzrost do 5,2 MJ – a w maju 2025 roku do 8,6 MJ. W ten sposób fuzja uwolniła 4,13 razy więcej energii, niż laser skoncentrował na celu. Udane eksperymenty potwierdzają, że podstawowa fizyka działa. Jednak obiekt nie jest zaprojektowany do produkcji energii, lecz do badań nad plazmą. W swoich 192 równoległych strumieniach lampy błyskowe i specjalne szkła podnoszą poziom energii impulsów laserowych do wymaganego poziomu. Po każdym zapłonie system musi się schłodzić, ponieważ ani komponenty optyczne, ani system laserowy, ani materiały komory spalania nie są przystosowane do ciągłej pracy elektrowni.
W drodze do koncepcji i technologii odpowiednich dla elektrowni
Aby uczynić technologię fuzji użyteczną w elektrowniach, potrzebne są zupełnie nowe koncepcje. Ich rozwój został zainicjowany przez rząd federalny w ramach programu „Fuzja 2040”. Udział przemysłu w pierwszych przetargach był ogromny. Rozpoczęto rozwój technologii elektrowni optycznych, fotonowych i materiałowych. Do 2030 roku dostępnych jest ponad miliard euro na badania otwarte na technologie: obok fuzji inercyjnej opartej na laserach, na agendzie znajduje się fuzja magnetyczna. Konsorcja łączą producentów laserów, optyki, procesów powlekania, coraz bardziej technologii produkcji wspieranej przez AI oraz z dziedziny testowania i rozwoju oprogramowania z instytucjami badawczymi, aby wykorzystać ogromny potencjał przyszłego rynku fotonowego. Współpraca przemysłu i nauki łączy wiedzę, procesy – i łańcuchy dostaw. To tworzy podstawy do komercyjnego wykorzystania fuzji. Jako wewnętrznie bezpieczne źródło energii ma stać się obok energii wiatrowej i słonecznej niezawodnym elementem systemu energetycznego odłączonego od cyklu węglowego.
Panel aplikacyjny „Fuzja laserowa: ożywienie przemysłu fotonowego”
Data: wtorek, 24 czerwca 2025
Godzina: 10:30 – 12:00
Miejsce: hala A2.561
Przewodniczący: Dr. Jochen Stollenwerk, Fraunhofer ILT
Panel, m.in. z:
Prof. Constantin Häfner, członek zarządu ds. badań i transferu, Fraunhofer-Gesellschaft
Prof. Thomas Thiemann, starszy wiceprezydent (SVP), Siemens Energy
Dr. Ulrich Steegmüller, dyrektor ds. technologii (CTO) i starszy wiceprezydent (SVP), ams OSRAM
Dr. Frank Nürnberg, globalny szef sprzedaży optyki, HERAEUS Covantics
Alexander Ancsin, dyrektor zarządzający (CEO), Layertec GmbH
Kontakt
