Do 2029 roku rząd federalny zainwestuje ponad 2 miliardy euro w badania nad fuzją. Instytut Fraunhofera ds. Techniki Laserowej ILT w Akwizgranie jest wczesnym pionierem. W ramach projektów badawczych współpracuje z partnerami z przemysłu i nauki, aby badać i rozwijać rozwiązania dla przyszłych elektrowni fuzyjnych. Chodzi o budowę silnych łańcuchów dostaw oraz rozwój procesów dla zautomatyzowanej produkcji masowej. Instytut współpracuje międzynarodowo, między innymi ściśle z Narodowym Laboratorium Lawrence'a Livermore'a. Jego Narodowa Instalacja Zapłonu była w stanie wielokrotnie zapalić plazmę fuzji za pomocą największego na świecie lasera, osiągając przy tym stale rosnące nadwyżki energii. W rozwoju technologii elektrowni pojawiają się efekty spillover, które mogą otworzyć fotonice dostęp do nowych rynków zastosowań.
Od grudnia 2022 roku badania nad fuzją jądrową zyskują na znaczeniu na całym świecie. Naukowcom z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) udało się wówczas osiągnąć historyczny przełom w kalifornijskim National Ignition Facility (NIF). Po raz pierwszy zainicjowana za pomocą lasera o wysokiej energii fuzja inercyjna (IFE) uwolniła więcej energii, niż laser skoncentrował na pelletach z paliwem fuzji wielkości główki od szpilki. Od tego czasu LLNL wielokrotnie powtarzało eksperyment, osiągając coraz większy nadmiar energii. To potwierdza, że podstawowa fizyka działa.
Wizja klimatycznie neutralnego, niemal nieograniczonego źródła energii, jakim jest fuzja, jest bardziej realna niż kiedykolwiek. Ponadto urządzenia IFE są z natury bezpieczne, ponieważ plazma zapala się tylko pod ogromnym ciśnieniem i w temperaturach około 150 mln °C. Bez dostarczania paliwa i impulsów zapłonowych fuzja natychmiast zanika. Tylko w tych ekstremalnych warunkach jądra izotopów wodoru, deuteru i trytu, które się odpychają, są w stanie pokonać barierę Coulomba i zfuzjonować. Aby zapewnić ciągłą pracę elektrowni, należy kompresować 10 do 15 pelletów na sekundę, przekształcać je w plazmę i zapalać. Utrzymywana w ten sposób fuzja wytwarza energię podstawową na dużą skalę: tylko 1 kg paliwa fuzyjnego zawiera tyle energii, co 22 500 t węgla brunatnego, co odpowiada ładunkowi 6-kilometrowego pociągu towarowego. W całym wszechświecie nie ma znanego materiału o podobnej gęstości energii.
Niemiecki rząd inwestuje ponad 2 miliardy euro w badania nad fuzją.
Jako klimatycznie neutralne, zdolne do zapewnienia podstawowego obciążenia źródło energii, fuzja może stać się ważnym uzupełnieniem przyszłych systemów energetycznych, w których tańsza, ale zmienna energia wiatrowa i słoneczna pokrywa większość zapotrzebowania. Według prognoz Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) zapotrzebowanie na energię elektryczną do połowy wieku wzrośnie na całym świecie 2,5-krotnie do 70 petawatogodzin (PWh) rocznie. Aby pokryć jedną dziesiątą tego zapotrzebowania, potrzebnych byłoby prawie 1.000 elektrowni fuzyjnych. Rysuje się tutaj przyszły rynek dla fotoniki, który znacznie przewyższa jej obecny wolumen przychodów.
Rządy i prywatni inwestorzy dostrzegli tę szansę i kierują wysokie sumy funduszy wsparcia oraz kapitału venture do tego przyszłościowego obszaru. Obecnie chodzi nie tylko o rozwój technologii podstawowych dla takich elektrowni, ale także o budowę efektywnych łańcuchów dostaw oraz rozwój procesów do masowej, wysoko zautomatyzowanej produkcji komponentów elektrowni. Tutaj angażuje się badania stosowane Fraunhofer-Gesellschaft.
Na drodze do komercyjnych elektrowni czekają jeszcze ogromne wyzwania technologiczne i operacyjne. Dodatkowo istnieje obiecujący podejście w postaci fuzji magnetycznej (MFE). Rząd federalny wspiera oba podejścia w programie „Fuzja 2040”. Jego budżet został niedawno podniesiony przez wiodące Ministerstwo Badań, Technologii i Przestrzeni Kosmicznej (BMFTR) do ponad 2 miliardów euro do 2029 roku. Dla fotoniki to dobra wiadomość: lasery o wysokiej energii i wysokiej wydajności, optyka, czujniki oraz wysoko elastyczna technika wytwarzania oparta na laserach uważane są nie tylko za technologie kluczowe dla elektrowni IFE, ale także dla rozwoju, budowy i eksploatacji skomplikowanych reaktorów Tokamak i Stellarator dla fuzji magnetycznej.
Amerykańska instalacja próbna tylko szkicem – droga do elektrowni termojądrowej jest daleka
Fraunhofer ILT należy do wczesnych pionierów badań nad fuzją. Wspólnie z partnerami z przemysłu i nauki (ponad 20 instytutów z Towarzystwa Fraunhofera jest aktywnych w tej dziedzinie badawczej) opracowuje w krajowych i międzynarodowych projektach technologiczne podstawy dla elektrowni fuzyjnych. Te konsorcja badawcze są komórkami macierzystymi pilnie potrzebnych łańcuchów dostaw. Projekty dotyczą realistycznego modelowania i symulacji komponentów, podsystemów aż po całe elektrownie oraz rozwoju solidnych optyk i laserów napędowych dla tych wysokoenergetycznych laserów, które w przyszłych elektrowniach IFE mają zapalać plazmę fuzji w rytmie 15 Hz. Aby osiągnąć taką częstotliwość, można zastosować tylko skomplikowane lasery stałokrystaliczne z diodowym pompowaniem (DPSSL).
Laser w instalacji próbnej w Kalifornii oparty jest na 192 torach optycznych, w których szklane płyty pompowane przez lampy błyskowe wzmacniają impulsy laserowe. W tym procesie fotony oddziałują z elektronami w kryształowych płytach szklanych. Poziom energii początkowego impulsu o wartości nanojula wzrasta w takim stopniu, jakby normalne uderzenie ręką było akustycznie wzmacniane do poziomu silnego trzęsienia ziemi. To pompowanie odbywa się w zakresie fal podczerwonych.
Puls, rozłożony na 192 wiązki, jest następnie przekształcany w zielone i niebieskie długości fal – i staje się ultrakrótkofalowym promieniowaniem rentgenowskim, gdy wszystkie 192 promienie z więcej niż 2 megadżulami skumulowanej energii impulsu synchronizują się na celu. Impuls zapłonowy osiąga w tym czasie przez kilka nanosekund taką samą moc jak całkowita sieć energetyczna USA. W związku z tym potrzebne są ogromne kondensatory, aby przechować niezbędną energię elektryczną. Po strzale system musi chłodzić się przez wiele godzin. Dla laserów wysokiej energii przyszłych elektrowni jest to nie do pomyślenia. Muszą one dostarczać do 15 strzałów na sekundę z wysoką efektywnością. Sprawność przekształcania energii elektrycznej w optyczną musi wzrosnąć w porównaniu do NIF od 10 do 15 razy. Tło: Kalifornijska instalacja próbna nigdy nie była zaprojektowana do produkcji energii, lecz do badań nad plazmą.
Projekty wsparcia opracowują fotonową bazę dla elektrowni fuzyjnych.
DPSSL są kluczowymi komponentami dla elektrowni IFE. Zamiast lamp błyskowych są one pompowane za pomocą wydajnych diod laserowych o wysokiej mocy. W ramach projektu BMFTR DioHELIOS instytut Fraunhofera ILT działa w szerokim konsorcjum, które zajmuje się rozwojem masowo potrzebnych diod laserowych o wysokiej mocy. Oprócz modelowania diod, projekt obejmuje ich integrację w aktywnie chłodzone moduły wraz z soczewkami kolimacyjnymi oraz projekt wysoko zautomatyzowanych łańcuchów produkcyjnych.
Cele są ambitne: Pulsowa energia, którą można osiągnąć za pomocą modułów pomp diodowych, ma wzrosnąć o czynnik 50 przy poprawionej efektywności oraz bardziej jednorodnych i stabilnych właściwościach spektralnych. Ponadto celem jest obniżenie kosztów modułów laserów diodowych poprzez w pełni zautomatyzowaną produkcję masową do poniżej jednego centa za wat mocy. To byłoby mniej niż jedna czterdziesta ich dzisiejszych kosztów. Nie może to jednak odbywać się kosztem jakości: ponieważ mocno obciążony sprzęt ma wytrzymać 30 lat w eksploatacji elektrowni. Skala wyzwania ujawnia się również w tym, że dzisiejsza roczna produkcja wysokowydajnych diod nie pokrywa nawet zapotrzebowania jednej elektrowni IFE. Wraz ze swoimi partnerami w konsorcjum DioHELIOS, Fraunhofer ILT już poszukuje konkretnych rozwiązań.
DioHELIOS jest jednym z działań w programie „Fusion 2040”. W ściśle powiązanym projekcie PriFUSIO konsorcjum pod przewodnictwem Fraunhofer ILT pracuje nad optycznymi kluczowymi komponentami wysokoenergetycznych laserów dla elektrowni fuzyjnych. „Chodzi o ich systematyczny rozwój i walidację”, wyjaśnia dr Sarah Klein, koordynatorka badań nad fuzją w Fraunhofer-Gesellschaft. Projekt koncentruje się na nowych metodach produkcji, powlekania i kontroli jakości soczewek, siatek optycznych oraz symulacji i rozwoju materiałów płyt wzmacniających, które w połączeniu z diodami laserowymi wysokiej mocy mają zwiększać impulsy zapłonowe w zakresie megadżuli. „Wszystkie komponenty optyczne muszą wytrzymać działanie elektrowni 24/7. W tym celu należy między innymi znacznie zwiększyć ich progi zniszczenia”, mówi. Ponadto potrzebne są nowe podejścia, aby wytwarzać kosztowo efektywnie optykę, która na początku jest potrzebna tylko w niewielkich ilościach, a często jest bardzo duża. Fraunhofer ILT również w tym zakresie stosuje obiecujące podejście: laserowe łańcuchy procesowe do formowania, polerowania i obróbki końcowej. W porównaniu z procesami mechanicznymi narzędzie laserowe wprowadza z góry mniej mikropęknięć i defektów do komponentów optycznych, co zwiększa ich odporność i żywotność.
W projektach „IFE-Targetry-HUB“ i „Durable“ zespoły Fraunhofer ILT również na pierwszej linii pracują nad rozwojem kluczowych technologii dla elektrowni fuzyjnych. „Durable” zajmuje się symulacją i rozwojem procesów dla addytywnej produkcji komponentów ścian po stronie plazmy. W ciągłej pracy elektrowni 24/7 na ściany nieustannie oddziałują neutrony uwalniane podczas fuzji. Ich energia kinetyczna jest przekazywana do ścian, gdzie podgrzewa medium chłodzące, które paruje i napędza turbinę. Potrzebne są również specjalne elementy ścienne, w których neutrony służą do hodowli izotopu wodoru trytu z litu. „Aby nadać wysokotemperaturowym, niezwykle odpornym stopom tungstenowym kształt, odpowiednie są oparte na laserze procesy addytywne”, wyjaśnia Klein. Fraunhofer ILT wynalazł, opatentował i od tego czasu systematycznie rozwija druk 3D metalu. Sztuczna inteligencja odgrywa w tym coraz ważniejszą rolę, podobnie jak w przypadku ekstremalnego laserowego spawania przyrostowego EHLA, które również zostało wymyślone i opatentowane w instytucie. „Oba procesy addytywne mają duży potencjał do produkcji komponentów elektrowni”, mówi.
Nie mniej istotne są wspomagane laserowo procesy produkcji celów paliwowych. Gdy elektrownie fuzyjne działają w trybie 15 Hz i zapalają się do 1,3 miliona razy dziennie, koszty celów muszą spaść o rzędy wielkości do poziomu centów. To wyzwanie podejmują również badacze z Fraunhofer ILT w projekcie „IFE-Targetry-HUB”. W badaniach nad fuzją łączy się wiele wątków, które instytut zbierał i rozwijał przez ostatnie dziesięciolecia. Teraz ta wcześniejsza praca przynosi owoce. „Nasze projekty poruszają się w typowym punkcie pracy Fraunhofer: chodzi o to, aby na nowo przemyśleć technologie i przenieść je z badań do konkretnego zastosowania przemysłowego” – mówi koordynatorka badań nad fuzją.
Zrozumieć lasery wysokiej energii od podstaw
Przewiduje się, że lasery o wysokiej energii przyszłych elektrowni IFE będą miały wiele setek równoległych wiązek. Tysiące diod laserowych o wysokiej mocy będą w nich pompować płyty wzmacniające z specjalnego szkła lub kryształu, aby wzmocnić impulsy do poziomu energii potrzebnego do zapłonu. Tak skomplikowane lasery nie mogą być zrealizowane metodą prób i błędów. Wymagane są raczej metody obliczeniowe, aby najpierw wirtualnie przetestować i zoptymalizować je przed budową prototypu. Wirtualne prototypy komponentów, podsystemów, a w końcu także całych laserów o wysokiej energii umożliwiają badaczom zgłębianie ich funkcji i realistyczne symulowanie ich działania w wirtualnym środowisku. Fraunhofer ILT w ostatnich latach opracowało zaawansowane modele symulacji laserów do projektowania, rozwoju i przemysłowej skali DPSSL. Teraz poddaje je próbie, porównując je w projekcie „ICONIC-FL” z porównywalnymi rozwiązaniami LLNL.
Amerykański instytut specjalizuje się w symulacji i budowie laserów o wysokiej energii, a Fraunhofer ILT w DPSSL o wysokich średnich mocach. Obaj partnerzy wnoszą więc komplementarną wiedzę. „W tym projekcie nie chodzi o to, aby połączyć nasze modele symulacyjne lub wymieniać się kodem”, podkreśla Johannes Weitenberg, kierownik projektu po stronie Fraunhofer ILT. Raczej obie instytucje chcą się od siebie uczyć i podwójnie zabezpieczyć swoje wyniki symulacji z myślą o następnej generacji DPSSL dla elektrowni fuzyjnych, poddając projekt lasera niezależnej walidacji krzyżowej. W tym celu każda z nich będzie symulować etapy wzmocnienia laserów o wysokiej energii za pomocą swoich rozwiązań. Chcą przy tym zgłębić złożone efekty fizyczne: „W trybie pracy 24/7 nagrzewanie, efekty załamania i aberracje mogą zniekształcać wiązkę laserową. Nawet najmniejsze efekty mają znaczenie i mogą powodować straty efektywności lub nawet bezpośrednie uszkodzenia optyki”, mówi Weitenberg. Chcą dokładnie zrozumieć, co dzieje się w poszczególnych płytach wzmacniających, aby później móc symulować złożone stosy płyt.
Ostatecznie obecne badania nad fuzją mają na celu wymuszenie skoków technologicznych przy użyciu podejść multidyscyplinarnych. Przykład NIF pokazuje, co jest możliwe: dzięki wiedzy z zakresu nauk przyrodniczych i inżynierii oraz optymalizacji procesów wspieranej przez symulacje i sztuczną inteligencję udało się tam zwiększyć nadwyżkę energetyczną fuzji z początkowego 1,5-krotności do 4-krotności energii wprowadzonej przez laser. Teraz należy zwiększyć ten współczynnik przy użyciu wysokoenergetycznych laserów, które są specyficznie zoptymalizowane dla elektrowni IFE, do współczynnika 50 do 100.
Lasery o wysokiej energii są interesujące nie tylko dla fuzji.
Wielki projekt elektrowni fuzyjnej wymaga ścisłej współpracy między przemysłem a badaniami. Programy wsparcia państwowego mogą stworzyć podstawy technologiczne, ale w dłuższej perspektywie firmy muszą inwestować i budować łańcuchy dostaw. W przypadku innowacji oznacza to, że powinny być one ukierunkowane nie tylko na odległy cel, jakim jest elektrownia fuzyjna, ale także na inne rynki zastosowań. Aby na przykład zbudować niezbędne moce produkcyjne dla diod laserowych o wysokiej wydajności i obniżyć ich koszty dzięki efektom skali do wymaganego poziomu, należy odkryć nowe zastosowania. "Nasze instytut stoi przy przemysłach z potężnym, ponad 40-letnim doświadczeniem" - wyjaśnia Klein.
Pierwsze efekty spillover już się pojawiają. Z projektu PriFUSIO powstała nowa generacja syntetycznych płyt kwarcowych, które są interesujące nie tylko dla fuzji, ale także dla innych zastosowań laserów o wysokiej wydajności w zakresie bliskiej podczerwieni – w tym cięcia i spawania laserowego. Producent Heraeus Covantics zoptymalizował proces produkcji zarówno pod kątem wydajności, jak i kosztów. Oferuje również większą elastyczność w zakresie rozmiarów płyt. Nowy materiał charakteryzuje się bardzo niską absorpcją i wysoką gęstością mocy.
Istnieje również zapotrzebowanie na lasery o wysokiej energii poza fuzją: jako napędy dla źródeł wtórnych mają otworzyć nowe drogi do generowania ekstremalnego promieniowania ultrafioletowego (EUV), promieniowania rentgenowskiego lub neutronowego. Do obiecujących zastosowań należy połączone obrazowanie rentgenowskie i neutronowe, które Fraunhofer ILT aktualnie współtworzy w projekcie PLANET. Ma ono umożliwić optyczne i materiałowe analizy zawartości zamkniętych beczek i kontenerów przez ich ściany. Źródła promieniowania laserowego są kluczem do miniaturyzacji wymaganych akceleratorów cząstek i ich integracji w kompaktowe, a być może w przyszłości nawet mobilne urządzenia. "Wiele z tego, nad czym pracujemy w badaniach fuzji, jest istotne dla wielu rynków. Nie pracujemy tylko nad elektrownią!" - podkreśla Klein. Fuzja to wielka szansa dla przemysłu laserowego i optycznego w Niemczech i Europie. Jeśli komercyjny sukces fuzji laserowej będzie się opóźniał dłużej niż oczekiwano, branża może odkryć nowe rynki dzięki technologicznym skokom osiągniętym w badaniach fuzji. Jeśli odniesie sukces, jedna elektrownia potrzebuje rocznej produkcji światowej diod laserowych o wysokiej wydajności oraz dziesiątek tysięcy dużych optyk. Nawet przy konserwatywnych szacunkach obecna wartość rynku laserowego gwałtownie by się zwiększyła.
Fuzja na AKL'26
W obliczu takich perspektyw AKL – Międzynarodowy Kongres Technologii Laserowej (22-24 kwietnia 2026 w Akwizgranie) w różnych sesjach oświetli ekonomiczny i technologiczny potencjał rynku przyszłości, jakim jest fuzja. W sesji Gerd Herziger 23 kwietnia 2026 prof. Constantin Häfner w swoim wykładzie "Laser Power Unleashed: Napędy dla energii fuzji i przemysłowych ekosystemów" przedstawi aktualne informacje na temat stanu badań fuzji i statusu wymaganych łańcuchów dostaw. Członek zarządu ds. badań i transferu Fraunhofer-Gesellschaft jest uznawanym ekspertem w dziedzinie fuzji i był odpowiedzialny za rozwój laserów o wysokiej energii w LLNL, zanim w czasie swojej kadencji jako dyrektor Fraunhofer ILT oraz doradca rządu federalnego wniósł istotne impulsy dla badań fuzji w Niemczech. Weźmie również udział w dyskusji na podium sesji.
Następnie sesja 4, Źródła promieni laserowych II, dostarczy pogłębionych informacji fachowych na temat rozwoju laserów wysokiej energii do fuzji i źródeł wtórnych. Również w sesji 7 – Źródła promieni laserowych III 24 kwietnia, która dotyczy laserów ultrakrótkoimpulsowych, omawiany będzie blok kierowany przez dr Sarah Klein pt. „Laser diodowy” – lasery półprzewodnikowe dla elektrowni fuzyjnych przyszłości.
Kontakt:
