Până în 2029, guvernul federal investește peste 2 miliarde de euro în cercetarea fuziunii. Institutul Fraunhofer pentru Tehnologia Laser ILT din Aachen este un pionier. În cadrul proiectelor de cercetare colaborativă, acesta cercetează și dezvoltă împreună cu parteneri din industrie și cercetare soluții pentru viitoarele centrale de fuziune. Este vorba despre construirea unor lanțuri de aprovizionare eficiente, precum și despre dezvoltarea de procese pentru o producție automată în masă. La nivel internațional, institutul colaborează strâns, printre altele, cu Laboratorul Național Lawrence Livermore. Facilitarea sa Națională de Aprindere a reușit să aprindă repetat plasma de fuziune cu cel mai mare laser din lume, obținând în același timp surplusuri de energie în creștere constantă. În dezvoltarea tehnologiei centralei, se conturează efecte de spillover care ar putea oferi fotonicii acces la noi piețe de aplicare.
Din decembrie 2022, cercetarea fuzionării este în plină expansiune la nivel mondial. Oamenii de știință de la Laboratorul Național Lawrence Livermore (LLNL) au realizat atunci un progres istoric în cadrul facilității naționale de aprindere (NIF) din California. Pentru prima dată, o fuzionare prin inerție (IFE) inițiată cu ajutorul unui laser de înaltă energie a eliberat mai multă energie decât laserul a concentrat pe un pellet de dimensiunea unei ace, care conținea combustibil de fuzionare. De atunci, LLNL a repetat experimentul de mai multe ori, cu un surplus de energie în creștere. Astfel, este clar: fizica de bază funcționează.
Viziunea sursei de energie fuzionare, aproape nelimitată și neutră din punct de vedere climatic, este mai accesibilă ca niciodată. În plus, instalațiile IFE sunt intrinsec sigure, deoarece plasma se aprinde doar sub o presiune enormă și la temperaturi de aproximativ 150 milioane °C. Fără alimentarea cu combustibil și impulsurile de aprindere, fuziunea se oprește imediat. Deoarece doar în aceste condiții extreme nucleele respingătoare ale izotopilor de hidrogen, deuteriu și tritiu, sunt capabile să depășească zidul Coulomb și să fuzioneze. Pentru o funcționare continuă a centralei electrice, trebuie comprimate 10 până la 15 pelete pe secundă cu impulsuri de laser de înaltă energie, transformate în plasmă și aprinse. Menținut astfel, fuziunea produce energie de bază la scară mare: doar 1 kg de combustibil de fuziune conține atât de multă energie cât 22.500 t de lignit, ceea ce corespunde încărcăturii unui tren de marfă de 6 km. În întregul univers, nu există un material cunoscut cu o densitate energetică similară.
Guvernul german investește peste 2 miliarde de euro în cercetarea fuzionării.
Ca sursă de energie neutră din punct de vedere climatic și capabilă să asigure o bază constantă, fuziunea poate deveni o completare importantă a sistemelor energetice viitoare, în care energia eoliană și solară, mai ieftină dar volatilă, acoperă cea mai mare parte a cererii. Conform prognozelor Agenției Internaționale pentru Energie (IEA), cererea de electricitate la nivel mondial va crește de 2,5 ori până la mijlocul secolului, ajungând la 70 de petawatt-oră (PWh) pe an. Pentru a acoperi o zecime din aceasta, ar fi nevoie de aproape 1.000 de centrale de fuziune. Aici se conturează o piață viitoare pentru fotonica, care depășește semnificativ volumul său actual de vânzări.
Guvernele și investitorii privați au recunoscut oportunitatea și direcționează sume mari de fonduri de sprijin și capital de risc către acest domeniu al viitorului. În prezent, nu este vorba doar despre dezvoltarea tehnologiilor de bază pentru astfel de centrale, ci și despre construirea unor lanțuri de aprovizionare eficiente și dezvoltarea de procese pentru fabricarea în masă, complet automatizată, a componentelor centralei. Aici intervine cercetarea aplicată a Societății Fraunhofer.
Încă așteaptă pe drumul către centralele electrice comerciale provocări tehnologice și operaționale enorme. În plus, există o altă abordare promițătoare cu fuzia magnetică (MFE). Guvernul federal sprijină ambele abordări în cadrul programului „Fuzia 2040”. Bugetul acestuia a fost recent crescut de ministerul responsabil pentru cercetare, tehnologie și spațiu (BMFTR) la peste 2 miliarde de euro până în 2029. Pentru fotonica, aceasta este o veste bună: laserele de înaltă energie și performanță, opticile, senzorii și tehnologia de fabricație bazată pe laseruri foarte flexibile sunt considerate nu doar tehnologii cheie pentru centralele electrice IFE, ci și pentru dezvoltarea, construcția și operarea reactorilor complexe Tokamak și Stellarator pentru fuzia magnetică.
Instalația de testare din SUA este doar o schiță - drumul către centrala de fuziune este lung.
Fraunhofer ILT se numără printre pionierii cercetării fuzionale. Cu parteneri din industrie și cercetare (peste 20 de institute ale Societății Fraunhofer sunt active în acest domeniu de cercetare), dezvoltă în proiecte naționale și internaționale baze tehnologice pentru centralele de fuzionare. Aceste consorții de cercetare colaborativă sunt celulele fundamentale ale lanțurilor de aprovizionare de care este urgent nevoie. Proiectele se concentrează pe modelarea și simularea realistă a componentelor, subsistemelor și a centralelor electrice complete, precum și pe dezvoltarea de optici robuste și lasere de impuls pentru acei laseri de înaltă energie care ar trebui să aprindă plasma de fuzionare în centralele IFE ale viitorului, la un ritm de 15 Hertz. Pentru a crea o astfel de frecvență, sunt necesare doar lasere cu solid de tip diodă pompate (DPSSL) complexe.
Laserul instalației de testare din California se bazează pe 192 de traiectorii de fascicul, în care plăcile de sticlă pompată de lămpi cu blitz amplifică pulsurile laser. În acest proces, fotonii interacționează cu electronii din plăcile de sticlă cristalină. Nivelul de energie al unui puls inițial de nanojouli crește în măsura în care un simplu lovit cu mâna este amplificat acustic la nivelul unui cutremur puternic. Această pompare se desfășoară în domeniul lungimilor de undă infraroșii.
Pulsul distribuit pe 192 traiectorii este apoi transformat în lungimi de undă verzi și albastre – și devine radiație X cu lungime de undă ultracurtă, atunci când toate cele 192 de raze cu mai mult de 2 megajouli de energie combinată a pulsului lovesc sincron ținta. Pulsul de aprindere atinge pentru câteva nanosecunde aceeași putere ca întreaga rețea electrică din SUA. În consecință, sunt necesare condensatoare uriașe pentru a stoca energia electrică necesară. Iar după fiecare tragere, sistemul trebuie să se răcească timp de ore întregi. Pentru laserele de înaltă energie ale viitoarelor centrale electrice, acest lucru este de neconceput. Ele trebuie să livreze eficient până la 15 trageri pe secundă. Eficiența conversiei energiei electrice în energie optică trebuie să crească de 10 până la 15 ori față de NIF. Context: instalația experimentală din California nu a fost niciodată destinată producerii de energie, ci a fost concepută pentru cercetarea plasmei.
Proiecte de finanțare pentru dezvoltarea unei baze fotonice pentru centralele de fuziune.
DPSSL sunt componente cheie pentru centralele electrice IFE. În loc să fie pompați cu lămpi cu blitz, aceștia sunt pompați cu diode laser de înaltă performanță eficiente. În cadrul proiectului de finanțare BMFTR DioHELIOS, Fraunhofer ILT colaborează într-un consorțiu larg dedicat dezvoltării diodelor laser de înaltă performanță necesare în cantități mari. Pe lângă modelarea diodelor, se lucrează la integrarea acestora în module active răcite, împreună cu lentile de colimare, până la proiectarea lanțurilor de producție complet automatizate.
Obiectivele sunt ambițioase: Energia pulsată realizabilă cu modulele de pompare cu diode ar trebui să crească de 50 de ori, cu o eficiență îmbunătățită și proprietăți spectrale mai omogene și mai stabile. În plus, trebuie să se reducă costurile modulelor cu lasere cu diode prin producție în masă complet automatizată la sub un cent pe watt putere. Aceasta ar fi mai puțin de o patruzeci din costurile lor actuale. Totuși, acest lucru nu trebuie să afecteze calitatea: deoarece hardware-ul foarte solicitat ar trebui să reziste 30 de ani în operarea centralelor electrice. Mărimea provocării se arată și în faptul că producția mondială anuală actuală de diode de înaltă performanță nu acoperă nici măcar necesarul unei singure centrale IFE. Cu partenerii săi din consorțiul DioHELIOS, Fraunhofer ILT caută deja soluții concrete pentru aceasta.
DioHELIOS este una dintre măsurile din programul „Fusion 2040”. În proiectul strâns legat PriFUSIO, un consorțiu condus de Fraunhofer ILT lucrează la componentele optice cheie ale laserelor de înaltă energie pentru centralele de fuziune. „Este vorba despre dezvoltarea și validarea sistematică a acestora”, explică Dr. Sarah Klein, coordonatoarea cercetării în domeniul fuziunii în cadrul Fraunhofer-Gesellschaft. Proiectul se concentrează pe noi metode de fabricație, acoperire și control al calității lentilelor, grilelor optice, precum și pe simularea și dezvoltarea materialelor plăcilor amplificatoare, care, împreună cu diodele laser de înaltă performanță, ar trebui să amplifice impulsurile de aprindere în domeniul megajoule. „Toate componentele optice trebuie să reziste funcționării centralei 24/7. Pentru aceasta, este necesar să se crească semnificativ pragurile lor de distrugere”, spune ea. De asemenea, sunt necesare noi abordări pentru a produce cost-eficient opticile, care la început sunt necesare în cantități reduse, dar uneori foarte mari. Fraunhofer ILT urmărește și pentru aceasta o abordare promițătoare: lanțuri de procese bazate pe laser pentru formare, polisare și prelucrare ulterioară. Comparativ cu metodele mecanice, uneltele cu laser introduc din start mai puține microfisuri și defecte în componentele optice, ceea ce le crește robustetea și durata de viață.
În proiectele „IFE-Targetry-HUB” și „Durable”, echipele de la Fraunhofer ILT contribuie, de asemenea, la dezvoltarea tehnologiilor cheie pentru centralele de fuziune. „Durable” se ocupă cu simularea și dezvoltarea proceselor pentru fabricația aditivă a componentelor de perete din partea plasmatică. În funcționarea centralelor 24/7, neutronii eliberați continuu de fuziune lovesc pereții. Energia lor cinetică este transferată în pereți către un mediu de răcire, care se evaporă și acționează o turbină. De asemenea, sunt necesare elemente de perete speciale, în care neutronii servesc la producerea izotopului de hidrogen tritiu din litiu. „Pentru a modela aliajele de tungsten extrem de rezistente la temperaturi ridicate și foarte robuste ale pereților, se oferă procese de fabricație aditivă bazate pe laser”, explică Klein. Fraunhofer ILT a inventat, brevetat și dezvoltat sistematic imprimarea 3D metalică. Inteligența artificială joacă, de asemenea, un rol din ce în ce mai important, atât în cazul procesului de sudură prin depunere laser de mare viteză extremă (EHLA), care a fost de asemenea conceput și brevetat la institut. „Ambele procese aditive au un mare potențial pentru fabricarea componentelor centralei”, spune ea.
Nu sunt mai puțin relevante metodele asistate de laser pentru fabricarea țintelor de combustibil. Când centralele de fuziune funcționează la 15 Hz și detonează de până la 1,3 milioane de ori pe zi, costurile țintelor trebuie să scadă cu ordine de mărime până în zona cenților. Această provocare este abordată și de cercetătorii de la Fraunhofer ILT în cadrul proiectului „IFE-Targetry-HUB”. În cercetarea fuziunii, se interconectează foarte multe fire, pe care institutul le-a preluat și le-a dezvoltat în ultimele decenii. Acum, această muncă pregătitoare dă roade. „Proiectele noastre se află la punctul de lucru tipic al Fraunhofer: este vorba despre a gândi din nou tehnologiile și a le transfera din cercetare în aplicații industriale concrete”, spune coordonatoarea cercetării în fuziune.
Înțelegerea laserelor de înaltă energie de la bază.
Se preconizează că laserii de înaltă energie ai viitoarelor centrale IFE vor avea sute de traiectorii paralele. Mii de bare de diode laser de înaltă performanță vor pompa plăci amplificatoare din sticlă sau cristal special pentru a amplifica impulsurile la nivelul de energie necesar pentru aprindere. Astfel de lasere complexe nu pot fi realizate prin metoda Trial-&-Error. Mai degrabă, sunt necesare metode computaționale pentru a le testa și optimiza virtual înainte de construcția prototipurilor. Prototipurile virtuale ale componentelor, subsistemelor și, în cele din urmă, ale întregului laser de înaltă energie permit cercetătorilor să investigheze funcțiile acestora și să le testeze într-un mod realist în operarea virtualizată. Fraunhofer ILT a realizat în ultimii ani modele avansate de simulare a laserelor pentru proiectarea, dezvoltarea și scalarea industrială a DPSSL. Acestea sunt acum supuse unei probe de foc, comparându-le în cadrul proiectului „ICONIC-FL” cu soluții comparabile de la LLNL.
Institutul din SUA este specializat în simularea și construcția de lasere cu energie mare, iar Fraunhofer ILT se concentrează pe DPSSL cu puteri medii mari. Așadar, ambele părți aduc un know-how complementar. „În acest proiect nu este vorba despre unirea modelelor noastre de simulare sau despre schimbul de coduri”, subliniază Johannes Weitenberg, manager de proiect din partea Fraunhofer ILT. Mai degrabă, cele două institute doresc să învețe unul de la celălalt și să își valideze rezultatele simulării cu privire la următoarea generație de DPSSL pentru centralele de fuziune, supunând designul laserului unei validări încrucișate independente. Pentru aceasta, fiecare va simula etapele de amplificare ale laserelor cu energie mare cu soluțiile lor. În acest proces, doresc să înțeleagă efectele fizice complexe: „În funcționarea 24/7, încălzirea, efectele de refracție și aberațiile pot distorsiona fasciculul laser. Chiar și cele mai mici efecte au o importanță semnificativă și pot cauza pierderi de eficiență sau chiar daune directe opticii”, spune Weitenberg. Se dorește să se înțeleagă exact ce se întâmplă în fiecare placă de amplificare pentru a putea simula ulterior stive complexe de plăci.
În cele din urmă, cercetarea actuală în domeniul fuziunii vizează forțarea salturilor tehnologice prin abordări multidisciplinare. Exemplul NIF arată ce este posibil: cu ajutorul cunoștințelor științifice și inginerești, precum și a optimizării proceselor bazate pe simulări și inteligență artificială, s-a reușit acolo să se crească surplusul de energie al fuziunii de la inițial 1,5 ori la 4 ori energia introdusă de laser. Acest factor trebuie acum să fie crescut cu lasere de înaltă energie optimizate specific pentru centralele IFE la un factor de 50 până la 100.
Laserele de înaltă energie nu sunt interesante doar pentru fuziune.
Proiectul mare al centralei de fuziune necesită o cooperare strânsă între industrie și cercetare. Programele de sprijin guvernamental pot crea baze tehnologice, dar pe termen lung, companiile trebuie să investească și să construiască lanțuri de aprovizionare. Pentru inovații, aceasta înseamnă că acestea nu ar trebui să fie orientate doar către obiectivul final al centralei de fuziune, ci și către alte piețe de aplicare. De exemplu, pentru a construi capacitatea de producție necesară pentru dioda laser de înaltă performanță și a reduce costurile prin efecte de scară la nivelul necesar, trebuie explorate aplicații noi. „Institutul nostru stă alături de industrie cu un know-how concentrat, generat în peste 40 de ani”, explică Klein.
Primele efecte de spillover au început deja să apară. Astfel, din proiectul PriFUSIO a rezultat o nouă generație de plăci de sticlă de cuarț sintetic, care sunt interesante nu doar pentru fuziune, ci și pentru alte aplicații de laser de înaltă performanță în domeniul infraroșu apropiat - inclusiv tăierea și sudarea cu laser. Producătorul Heraeus Covantics a optimizat procesul de fabricație atât din perspectiva performanței, cât și a costurilor. De asemenea, oferă o flexibilitate mai mare în ceea ce privește dimensiunile plăcilor. Noua material se caracterizează printr-o absorbție foarte scăzută și o densitate de putere ridicată.
De asemenea, există o cerere pentru lasere de înaltă energie în afara fuziunii: ca generatoare pentru surse secundare, acestea ar trebui să deschidă noi căi pentru generarea radiației extreme-ultraviolete (EUV), radiației X sau radiației cu neutroni. Printre aplicațiile promițătoare se numără imagistica combinată cu raze X și neutroni, care este dezvoltată în prezent de Fraunhofer ILT în cadrul proiectului colaborativ PLANET. Aceasta ar trebui să permită analize optice și materiale ale conținutului butoaielor și containerelor închise prin pereții lor. Sursele de fascicul laser sunt cheia pentru miniaturizarea acceleratoarelor de particule necesare și integrarea acestora în dispozitive compacte, posibil chiar mobile în viitor. „Multe dintre lucrurile la care lucrăm în cercetarea fuziunii sunt relevante pentru multe piețe. Nu lucrăm doar la o centrală!”, subliniază Klein. Fuziunea reprezintă o mare oportunitate pentru industria laser și optică din Germania și Europa. Dacă succesul comercial al fuziunii laser întârzie mai mult decât se așteaptă, industria ar putea deschide noi piețe cu salturile tehnologice realizate în cercetarea fuziunii. Dacă va avea succes, o singură centrală ar necesita producția anuală mondială actuală de diode laser de înaltă performanță, precum și zeci de mii de opticii mari. Chiar și cu estimări conservatoare, volumul de afaceri actual al pieței mondiale de lasere s-ar multiplica brusc.
Fuziune la AKL '26
Având în vedere astfel de perspective, AKL - Congresul Internațional de Tehnologie Laser (22 - 24 aprilie 2026 la Aachen) va explora în diverse sesiuni potențialul economic și tehnologic al pieței viitoare a fuziunii. În sesiunea Gerd Herziger din 23 aprilie 2026, prof. Constantin Häfner va oferi în prezentarea sa „Puterea laserului eliberată: generatoare pentru energia de fuziune și ecosisteme industriale” perspective actuale asupra stadiului cercetării fuziunii și starea lanțurilor de aprovizionare necesare. Consiliul pentru cercetare și transfer al Societății Fraunhofer este un expert recunoscut în fuziune și a fost responsabil pentru dezvoltarea laserelor de înaltă energie la LLNL, înainte de a oferi impulsuri importante pentru cercetarea fuziunii în Germania în timpul mandatului său ca director al Fraunhofer ILT și ca consultant al guvernului. El va participa, de asemenea, la dezbaterea din cadrul sesiunii.
În continuare, sesiunea 4, Surse de laser II va oferi perspective tehnice aprofundate asupra dezvoltării laserelor de înaltă energie pentru fuzionare și surse secundare. De asemenea, în sesiunea 7 – Surse de laser III pe 24 aprilie, care se ocupă cu laserele cu impulsuri ultracurte, slotul condus de Dr. Sarah Klein va aborda „Laserii cu diode” laserii semiconductori pentru centralele de fuzionare ale viitorului.
Contact:
