Do leta 2029 bo nemška vlada investirala več kot 2 milijardi € v raziskave fuzije. Fraunhoferjev inštitut za lasersko tehnologijo ILT v Aachnu je zgodnji igralec. V okviru raziskovalnih projektov v sodelovanju z industrijo in raziskovalnimi partnerji raziskuje in razvija rešitve za prihodnje fuzijske elektrarne. Gre za vzpostavitev močnih dobavnih verig ter razvoj postopkov za avtomatizirano množično proizvodnjo. Inštitut mednarodno tesno sodeluje tudi z Lawrence Livermore National Laboratory. Njihova Nacionalna naprava za vžig je z največjim laserjem na svetu večkrat prižgala fuzijsko plazmo in pri tem dosegla nenehno rastoče presežke energije. Pri razvoju tehnologije elektrarn se kažejo spillover učinki, ki bi fotoniki lahko omogočili dostop do novih tržnih priložnosti.
Od decembra 2022 je raziskovanje fuzije po vsem svetu v vzponu. Raziskovalcem iz Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) je takrat v kalifornijskem National Ignition Facility (NIF) uspelo doseči zgodovinski preboj. Prvič je z uporabo visokenergijskega laserja sprožena inercijska fuzija (IFE) sprostila več energije, kot jo je laser usmeril na pellet s fuzijskim gorivom velikosti glave zatiča. Od takrat je LLNL poskus večkrat ponovilo z naraščajočim energetskim presežkom. Tako je jasno: temeljna fizika deluje.
Vizija klimatsko nevtralnega, skoraj neomejenega vira energije fuzija je bolj otipljiva kot kadarkoli prej. Poleg tega so IFE naprave intrinsično varne, saj plazma vžge le pod ogromnim pritiskom in pri temperaturah okoli 150 milijonov °C. Brez oskrbe s gorivom in vžigalnih impulzov fuzija takoj ugasne. Le pod temi ekstremnimi pogoji so si odbijajoče jedra vodikovih izotopov deuterij in tritij sposobna premagati Coulombovo oviro in se fuzionirati. Za trajno delovanje elektrarne je potrebno stisniti 10 do 15 peletov na sekundo s pulzi visokenergijskega laserja, jih pretvoriti v plazmo in vžgati. Tako vzdrževana fuzija proizvaja energijo, ki je sposobna zagotavljati osnovno obremenitev v velikem obsegu: le 1 kg fuzijskega goriva vsebuje toliko energije kot 22.500 t rjavega premoga, kar ustreza obremenitvi 6 km dolgega tovornega vlaka. V celotnem vesolju ni znan noben material s podobno energijsko gostoto.
Nemška vlada vlaga več kot 2 milijardi evrov v raziskave fuzije.
Kot podnebno nevtralni, osnovni vir energije lahko fuzija postane pomemben dodatek prihodnjim energetskim sistemom, v katerih cenejša, a spremenljiva vetrna in sončna energija pokriva večino potreb. Po napovedih Mednarodne agencije za energijo (IEA) se bo do sredine stoletja svetovna potreba po električni energiji povečala za 2,5-krat na 70 petavatnih ur (PWh) na leto. Da bi pokrili desetino tega, bi potrebovali skoraj 1.000 fuzijskih elektrarn. Tukaj se kaže prihodnji trg za fotoniko, ki bo znatno presegel njen današnji obseg prihodkov.
Vlade in zasebni vlagatelji so prepoznali priložnost in usmerjajo visoke zneske subvencij in tveganega kapitala v področje prihodnosti. Trenutno ne gre le za razvoj osnovnih tehnologij za take elektrarne, temveč tudi za vzpostavitev učinkovitih dobavnih verig in razvoj postopkov za množično visoko avtomatizirano proizvodnjo komponent elektrarn. Tukaj se osredotoča aplikativno raziskovanje Fraunhoferjeve družbe.
Na poti do komercialnih elektrarn še vedno čakajo ogromni tehnološki in operativni izzivi. Poleg tega obstaja še en obetaven pristop z magnetno fuzijo (MFE). Zvezna vlada spodbuja oba pristopa v okviru programa »Fuzija 2040«. Njegov proračun je vodilno ministrstvo za raziskave, tehnologijo in vesolje (BMFTR) nedavno povečalo na več kot 2 milijardi evrov do leta 2029. Za fotoniko so to dobre novice: visokoenergijski in visoko zmogljivi laserji, optike, senzorji in visoko fleksibilna laserska proizvodna tehnologija veljajo ne le za ključne tehnologije za IFE elektrarne, temveč tudi za razvoj, gradnjo in obratovanje kompleksnih tokamak in stellarator reaktorjev za magnetno fuzijo.
Ameriška poskusna naprava le modra kopija – Pot do fuzijskega elektrarne je dolga.
Fraunhofer ILT spada med zgodnje akterje raziskav fuzije. S partnerji iz industrije in raziskav (več kot 20 inštitutov Fraunhoferjeve družbe je aktivnih na tem raziskovalnem področju) razvija v nacionalnih in mednarodnih projektih tehnološke osnove za fuzijske elektrarne. Ti konzorciji povezane raziskave so semena nujno potrebnih dobavnih verig. V projektih gre za realistične modele in simulacije komponent, podsistemov do celotnih elektrarn ter za razvoj robustnih optik in laserskih dražljajev za tiste visokoenergijske lasere, ki naj bi v IFE elektrarnah prihodnosti pri 15-herčnem ritmu prižigali fuzijsko plazmo. Za dosego takšne frekvence pridejo v poštev le zahtevni diodami pumpani trdni laserski (DPSSL).
Laser poskusne naprave v Kaliforniji temelji na 192 žarkih, v katerih steklene plošče, ki jih napajajo bliskovne lampe, ojačujejo laserske pulse. Pri tem fotoni interagirajo z elektroni v kristalnih steklenih ploščah. Energijski nivo začetnega nanojoule impulza se povečuje v takšni meri, kot bi akustično ojačili običajen udarec s roko na raven močnega potresa. To črpanje poteka v infrardečem območju valovnih dolžin.
Pulz, razporejen na 192 žarkov, se nato pretvori v zelene in modre valovne dolžine – in postane ultravijolična rentgenska sevanja, ko vseh 192 žarkov s skupno pulzno energijo več kot 2 megajoula sinhrono zadene ciljno točko. Pri tem doseže vžigalni pulz za nekaj nanosekund enako moč kot celotna ameriška električna mreža. Zato so potrebni ogromni kondenzatorji za shranjevanje potrebne električne energije. Po izstrelitvi se mora sistem ohlajati več ur. Za visokohitrostne laserje prihodnjih elektrarn je to nepredstavljivo. Morajo delovati z visoko učinkovitostjo in zagotoviti do 15 izstrelkov na sekundo. Učinkovitost pretvorbe električne v optično energijo se mora v primerjavi z NIF povečati za 10 do 15-krat. Ozadje: Kalifornijski poskusni obrat nikoli ni bil zasnovan za proizvodnjo energije, temveč za raziskave plazme.
Razvoj projektov za fotonsko osnovo fuzijskih elektrarn.
DPSSL so ključne komponente za IFE elektrarne. Namesto z bliskovnimi lampami so napolnjeni z učinkovitimi visoko zmogljivimi laserskimi diodami. V BMFTR podporni projekt DioHELIOS sodeluje Fraunhofer ILT v širokem konzorciju, ki se posveča razvoju množično potrebnih visoko zmogljivih laserskih diod. Poleg modeliranja diod gre tudi za njihovo integracijo v aktivno hlajene module z kolimacijskimi lečami ter zasnovo visoko avtomatiziranih proizvodnih verig.
Cilji so ambiciozni: Pulsna energija, dosežena s modulom za črpanje diod, naj bi se ob izboljšani učinkovitosti in homogenernejših, stabilnejših spektralnih lastnostih povečala za faktor 50. Poleg tega je treba stroške modulov laserskih diod z avtomatizirano množično proizvodnjo znižati na manj kot en cent na watt moči. To bi bilo manj kot ena štiridesetina njihovih današnjih stroškov. Vendar to nikakor ne sme iti na račun kakovosti: saj mora močno obremenjena strojna oprema v obratovanju elektrarne zdržati 30 let. Obseg izziva se kaže tudi v tem, da današnja svetovna letna proizvodnja visoko zmogljivih diod ne pokriva niti potreb enega samega IFE elektrarne. Fraunhofer ILT že s svojimi partnerji v konzorciju DioHELIOS išče konkretne rešitve.
DioHELIOS je ena od ukrepov v programu »Fuzija 2040«. V tesno povezanem projektu PriFUSIO konzorcij pod vodstvom Fraunhofer ILT dela na optičnih ključnih komponentah visokenergijskih laserjev za fuzijske elektrarne. »Gre za njihovo sistematično nadaljnje razvijanje in validacijo«, pojasnjuje dr. Sarah Klein, koordinatorica fuzijskega raziskovanja v Fraunhoferjevi družbi. Projekt se posveča novim postopkom za proizvodnjo, prevleko in preverjanje kakovosti leč, optičnih rešetk ter simulaciji in razvoju materialov ojačevalnih plošč, ki naj bi v sodelovanju z visoko zmogljivimi laserskimi diodami ojačile vžigalne pulse v območje megajoulov. »Vse optične komponente morajo zdržati delovanje elektrarne 24/7. Zato je treba med drugim znatno povečati njihove meje uničenja«, pravi. Poleg tega so potrebni novi pristopi za cenovno ugodno proizvodnjo sprva potrebnih, deloma zelo velikih optik v majhnih količinah. Fraunhofer ILT tudi za to sledi obetavnemu pristopu: lasersko podprte procesne verige za oblikovanje, poliranje in končno obdelavo. V primerjavi z mehaničnimi postopki orodje svetlobe že od začetka v optične komponente prinaša manj mikro razpok in motenj, kar povečuje njihovo robustnost in življenjsko dobo.
V projektih »IFE-Targetry-HUB« in »Durable« ekipe Fraunhofer ILT prav tako aktivno sodelujejo pri razvoju ključnih tehnologij za fuzijske elektrarne. »Durable« se ukvarja s simulacijo in razvojem procesov za aditivno proizvodnjo komponent sten na plazemski strani. V delovanju elektrarne 24/7 neprekinjeno udarjajo nevtroni, ki jih sprošča fuzija, v stene. Njihova kinetična energija se prenese na hladilno sredstvo v stenah, ki izhlapi in poganja turbino. Potrebni so tudi posebni stenski elementi, v katerih nevtroni služijo za izločanje izotopa vodika tritija iz litija. »Za oblikovanje visokotemperaturno odpornih, izjemno robustnih wolframovih zlitin sten se ponujajo lasersko podprti aditivni proizvodni postopki«, pojasnjuje Klein. Fraunhofer ILT je izumil 3D tiskanje kovin, ga patentiral in ga od takrat sistematično nadalje razvijal. AI igra pri tem, prav tako kot pri ekstremnem laserskem nanosu EHLA, ki ga je prav tako izumil in patentiral inštitut, vedno pomembnejšo vlogo. »Oba aditivna postopka imata velik potencial za proizvodnjo komponent elektrarn«, pravi.
Prav tako so pomembni lasersko podprti postopki za proizvodnjo ciljev goriva. Ko fuzijske elektrarne delujejo s frekvenco 15 Hz in prižgejo do 1,3 milijona krat na dan, morajo stroški ciljev pasti za več velikostnih redov v območje centov. Tudi tega izziva se raziskovalci Fraunhofer ILT lotevajo v projektu »IFE-Targetry-HUB«. V fuzijskem raziskovanju se srečuje veliko niti, ki jih je inštitut v zadnjih desetletjih sprejel in jih nadalje razvijal. Sedaj se ta predhodna dela obrestujejo. »Naši projekti se gibljejo na tipični delovni točki Fraunhofer: gre za to, da se tehnologije ponovno premisli in jih prenese iz raziskav v konkretno industrijsko uporabo«, pravi koordinatorica fuzijskega raziskovanja.
Razumeti visokenergijske laserje od temeljev
Predvideva se, da bodo visokenergijski laserji prihodnjih IFE elektrarn imeli več sto paralelnih žarkov. Vsak tisoč visoko zmogljivih laserskih diod bo v njih črpal ojačevalne plošče iz posebnega stekla ali kristala, da bi povečali pulse na energijski ravni, potrebni za vžig. Tako kompleksni laserji niso izvedljivi s pristopom poskusov in napak. Namesto tega so potrebne računalniške metode, da jih pred izdelavo prototipa najprej virtualno preizkusimo in optimiziramo. Virtualni prototipi komponent, podsistemov in na koncu tudi celotnih visokenergijskih laserjev omogočajo raziskovalcem, da preučijo njihove funkcije in jih v virtualiziranem delovanju realno preizkusijo. Fraunhofer ILT je v zadnjih letih realiziral visoko razvite simulacijske modele laserjev za oblikovanje, razvoj in industrijsko skaliranje DPSSL. Te zdaj podvržejo preizkusu, saj jih v projektu »ICONIC-FL« primerjajo s primerljivimi rešitvami LLNL.
Ameriški inštitut je specializiran za simulacijo in gradnjo visokenergijskih laserjev, Fraunhofer ILT pa za DPSSL z visokimi povprečnimi močmi. Oba partnerja torej prinašata komplementarno znanje. »V tem projektu ne gre za združevanje naših simulacijskih modelov ali izmenjavo kode«, poudarja Johannes Weitenberg, vodja projekta na strani Fraunhofer ILT. Namesto tega želita oba inštituta drug od drugega učiti in svoje simulacijske rezultate z vidika naslednje generacije DPSSL za fuzijske elektrarne dvakrat potrditi, tako da podvržeta zasnovo laserja neodvisni križni validaciji. Za to bosta vsako s svojimi rešitvami simulirala ojačevalne stopnje visokenergijskih laserjev. Pri tem želita raziskati kompleksne fizične učinke: »V delovanju 24/7 lahko segrevanje, lomni učinki in aberacije popačijo laserski žarek. Tudi najmanjši učinki so pomembni in lahko povzročijo izgube učinkovitosti ali celo neposredne poškodbe optike«, pravi Weitenberg. Želijo natančno razumeti, kaj se dogaja v posamezni ojačevalni plošči, da bi kasneje lahko simulirali kompleksne sloje plošč.
Na koncu trenutne fuzijske raziskave ciljajo na to, da z multidisciplinarnimi pristopi dosežejo tehnološke skoke. Primer NIF kaže, kaj je mogoče: S pomočjo naravoslovnega in inženirskega znanja ter simulacij in AI podprte optimizacije procesov so tam uspeli povečati energijski presežek fuzije s sprva 1,5-kratne na 4-kratno energijo, ki jo vnese laser. Ta faktor je zdaj treba s specifično optimiziranimi visokenergijskimi laserji za IFE elektrarne povečati na faktor 50 do 100.
Visokenergijski laserji niso zanimivi le za fuzijo
Veliki projekt fuzijskega reaktorja potrebuje tesno sodelovanje med industrijo in raziskavami. Državni programi financiranja lahko ustvarijo tehnološke osnove, vendar morajo podjetja dolgoročno vlagati in graditi dobavne verige. Za inovacije to pomeni, da se ne smejo osredotočiti le na dolgoročni cilj fuzijskega reaktorja, temveč tudi na druge tržne priložnosti. Da bi na primer zgradili potrebno proizvodno kapaciteto za visoko zmogljive laserske diode in znižali njihove stroške na zahtevano raven s pomočjo ekonomije obsega, je treba odkriti nove aplikacije. 'Na tem področju naše inštitucije stoji industriji z zbranimi, več kot 40 let pridobljenimi znanji,' pojasnjuje Klein.
Prvi učinki spilloverja se že kažejo. Iz projekta PriFUSIO je nastala nova generacija sintetičnih kvarčnih steklenih plošč, ki so zanimive ne le za fuzijo, temveč tudi za druge aplikacije visoko zmogljivih laserjev na področju bližnje infrardeče svetlobe – vključno z laserskim rezanjem in varjenjem. Proizvajalec Heraeus Covantics je optimiziral proizvodni postopek tako z vidika zmogljivosti kot stroškov. Poleg tega ponuja večjo prilagodljivost pri velikostih plošč. Nov material se odlikuje z zelo nizko absorpcijo in visoko gostoto moči.
Tudi za visokoenergijske laserje obstaja povpraševanje izven fuzije: kot gonilniki sekundarnih virov naj bi odprli nove poti za ustvarjanje ekstremne ultravijolične (EUV), rentgenske ali nevtronske radiacije. Med obetavnimi aplikacijami je kombinirana rentgenska in nevtronska slikovna tehnika, ki jo trenutno razvija Fraunhofer ILT v okviru skupnega projekta PLANET. Ta naj bi omogočila optične in materialne analize vsebine zaprtih sodov in kontejnerjev skozi njihove stene. Viri laserskih žarkov so ključni za miniaturizacijo potrebnih pospeševalnikov delcev in njihovo integracijo v kompaktne, morda v prihodnosti celo mobilne naprave. 'Veliko tistega, na čemer delamo v raziskavah fuzije, je relevantno za številne trge. Ne delamo le na elektrarni!' poudarja Klein. Fuzija je velika priložnost za industrijo laserjev in optike v Nemčiji in Evropi. Če bo komercialni uspeh laserske fuzije trajal dlje, kot je bilo pričakovano, bi lahko industrija z tehnološkimi skoki, doseženimi v raziskavah fuzije, odprla nove trge. Če bo uspešna, bo ena sama elektrarna potrebovala letno svetovno proizvodnjo visoko zmogljivih laserskih diod ter deset tisoč velikih optik. Tudi pri konservativnih ocenah bi se današnji obseg prihodkov na trgu laserjev nenadoma pomnožil.
Fuzija na AKL'26
Ob takih obetih bo AKL – Mednarodni kongres laserske tehnologije (22. – 24. april 2026 v Aachnu) v različnih sejah osvetlil ekonomski in tehnološki potencial trga prihodnosti fuzije. V Gerd Herziger seji 23. aprila 2026 bo prof. Constantin Häfner v svojem predavanju 'Laser Power Unleashed: Gonilniki za fuzijsko energijo in industrijske ekosisteme' predstavil aktualne vpoglede v stanje raziskav fuzije in status potrebnih dobavnih verig. Član uprave za raziskave in prenos Fraunhoferjeve družbe je priznani strokovnjak za fuzijo in je bil odgovoren za razvoj visokoenergijskih laserjev na LLNL, preden je v svojem času kot vodja Fraunhofer ILT in svetovalec zvezne vlade dal pomembne impulze za raziskave fuzije v Nemčiji. Tudi on bo sodeloval na odru seje.
Nato bo seja 4, Laserji II, poglobila strokovne vpoglede v razvoj visokoenergijskih laserjev za fuzijo in sekundarne vire. Tudi na seji 7 - Laserji III 24. aprila, ki se ukvarja z ultrakratkotrajnimi laseri, bo slot, ki ga vodi dr. Sarah Klein, obravnaval »Diodni laser« polprevodniške laserje za fuzijske elektrarne prihodnosti.
Kontakt:
