Neue Hochleistungsspiegel für die Laserfusion: Neues Forschungsprojekt SHARP gestartet

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Lasergetriebene Fusionskraftwerke gelten als Schlüsseltechnologie auf dem
Weg zur Klimaneutralität. Für diese Fusionskraftwerke sind
hochreflektierende und thermisch stabile Spiegelsysteme entscheidend, um
das Laserlicht von der Strahlquelle bis zur winzigen Brennstoffkugel zu
transportieren.

Im neuen Forschungsprojekt SHARP werden neuartige
Hochleistungsspiegel für diesen Zweck entwickelt. Das Projekt wird mit 8,4
Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
gefördert.

Ziel des Verbundprojekts SHARP (»Skalierbare Highpower Reflektoren für
Petawatt«) ist die Entwicklung einer neuen Generation hochreflektierender
Laserspiegel, die den extremen Anforderungen zukünftiger Petawatt-
Laserfusionsreaktoren gerecht werden. Zu diesem Zweck sollen großflächige
und intern gekühlte optische Hochleistungsspiegelsysteme entwickelt
werden, die es so bisher noch nicht gibt.

»Das Projekt SHARP soll zu neuen Fertigungstechnologien führen, die
großflächige Spiegel mit neuartigen Eigenschaften ermöglichen«, erklärt
Dr. Yakup Gönüllü von SCHOTT. Er koordiniert das neue Verbundprojekt, das
mit einer Kickoff-Veranstaltung am 04. März nun offiziell in seine
dreijährige Laufzeit gestartet ist. »Diese Hochleistungsspiegel stellen
einen unverzichtbaren Beitrag zur Realisierung kommerzieller
Laserfusionskraftwerke im zuverlässigen Dauerbetrieb dar«, so Gönüllü
weiter.

Das Forschungsprojekt hat ein Gesamtvolumen von 10,4 Millionen Euro, von
denen 8,4 Millionen Euro im Rahmen der Initiative »Basistechnologien für
die Fusion – auf dem Weg zu einem Fusionskraftwerk« vom BMBF gefördert
werden.

Neue Fertigungstechnologien für Dauerbetrieb kommerzieller Laserkraftwerke

Frühere Arbeiten zu Laserspiegelsystemen haben den thermischen Aspekt
nicht berücksichtigt. Zukünftig wird der absorptionsinduzierte thermische
Energieeintrag in die Spiegelsysteme im Dauerbetrieb von lasergetriebenen
Fusionskraftwerke jedoch entscheidend sein. Schlüsseleigenschaften der im
Projekt zu entwickelnden Hochleistungsspiegel sind daher höchste optische
Qualität sowie ein neuartiges Wärmemanagement für die verwendeten
optischen Komponenten.

Neben der thermischen Stabilität der neuartigen Spiegel ist auch die
Skalierbarkeit der Technologie ein zentraler Faktor des Projektes.
Effiziente Fertigungsprozesse sollen zur Wirtschaftlichkeit sowie
ökologischen Bilanz und somit zur Kommerzialisierung von
Laserfusionskraftwerken beitragen.

Entwicklung wissenschaftlich-technischer Grundlagen

Um dieses Ziel zu erreichen, sollen im Verbund SHARP die wissenschaftlich-
technischen Grundlagen für neuartige Fertigungstechnologien für
superpolierte, gekrümmte, großflächige Optiken sowie Methoden zur
Entfernung unvollkommener Substratbereiche und sogenannte »Null-
Fehler«-Reinigungsstrategien entwickelt werden. Für die thermische
Stabilisierung und aktive Kühlung werden neuartige integrierte
Kühlstrukturen in Glassubstraten und thermomechanische Effekte in die
Schichtentwicklung einbezogen.

»Die Herausforderung besteht darin, dass die Laserspiegel über lange Zeit
extremen Belastungen standhalten müssen«, erklärt Dr. Nadja Felde,
zuständige Projektkoordinatorin am Fraunhofer-Institut für Angewandte
Optik und Feinmechanik IOF in Jena. »Der Hauptaspekt in diesem
Forschungsprojekt ist daher das Verständnis und die Kontrolle der
thermischen Eigenschaften von großflächigen Spiegelsystemen in Design und
Fertigung unter Beibehaltung der Reflektivität auf höchstem Niveau.«

Anwendungspotentiale über die Laserfusion hinaus

Über die Potentiale der anvisierten Ergebnisse im SHARP-Verbund ergänzt
Prof. Dr. Thomas Höche vom Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von
Werkstoffen und Systemen IMWS aus Halle (Saale): Ȇber die Laserfusion
hinaus haben die angestrebten Entwicklungen ein großes Potential für
Anwendungen in weitere Zukunftsmärkten, insbesondere für
Hochleistungslaseranwendungen und die Lasermaterialbearbeitung, aber auch
in der Raumfahrt sowie speziell auch für die nächste Generation von
Substraten und Beschichtungen für die EUV-Lithografie.«

Partner aus Industrie und Forschung im Projekt »SHARP«

Das SHARP-Konsortium wird von der SCHOTT AG koordiniert und vereint
führende Unternehmen und Institute aus dem Bereich der optischen
Prozesskette, darunter LAYERTEC GmbH, asphericon GmbH, 3D-Micromac AG,
optiX fab GmbH, Cutting Edge Coatings GmbH, robeko GmbH & Co. KG, Laser
Zentrum Hannover e.V. sowie das Fraunhofer IOF und das Fraunhofer IMWS.

Laserfusion: Saubere Energie durch Verschmelzung von Atomkernen

Die Laserfusion ist von der Natur inspiriert: Ähnlich wie es auf der Sonne
geschieht, soll durch die Verschmelzung von Atomkernen Energie gewonnen
werden. In einem Laserfusionskraftwerk werden dafür mehrere
Hochleistungslaser auf eine Brennstoffkapsel gerichtet, um diese bei
extrem hohen Temperaturen zu verdampfen und anschließend die Atomkerne
unter hohem Druck zu verschmelzen.

Bei diesem Prozess wirken enorme Kräfte: Die Laserstrahlung in einem
Fusionskraftwerk bewegt sich in der in der Größenordnung von mehreren
Petawatt. Zum Vergleich: Ein Petawatt entspricht 1.000.000.000.000.000
Watt. Ein Kohle- oder Gaskraftwerk hat eine Leistung von 1.000.000.000
Watt, ein handelsüblicher Wasserkocher 2.000 Watt.

Geleitet werden die Laserstrahlen über spezielle Spiegelsysteme, die
sowohl optisch als auch mechanisch und thermisch besondere Eigenschaften
aufweisen müssen. Eine Kombination der erforderlichen Eigenschaften konnte
bisher so noch nicht realisiert werden. Das will das Konsortium im neuen
Forschungsverbund SHARP durch die Entwicklung neuer Fertigungstechnologien
sowie der Realisierung neuartiger Laserspiegel für den Einsatz im
Petawatt-Bereich ändern.

Über das Fraunhofer IOF

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena
betreibt anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet der Photonik und
entwickelt innovative optische Systeme zur Kontrolle von Licht – von der
Erzeugung und Manipulation bis hin zu dessen Anwendung. Das
Leistungsangebot des Instituts umfasst die gesamte photonische
Prozesskette vom opto-mechanischen und opto-elektronischen Systemdesign
bis zur Herstellung von kundenspezifischen Lösungen und Prototypen. Am
Fraunhofer IOF erarbeiten rund 500 Mitarbeitende das jährliche
Forschungsvolumen von 40 Millionen Euro.

Weitere Informationen über das Fraunhofer IOF finden Sie unter:
<www.iof.fraunhofer.de>

Über das Fraunhofer IMWS

Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen
IMWS in Halle (Saale) steht für mikrostrukturbasierte Diagnostik und
Technologieentwicklung innovativer Werkstoffe, Bauteile und Systeme.
Aufbauend auf den Kernkompetenzen in leistungsfähiger
Mikrostrukturanalytik und im mikrostrukturbasierten Materialdesign
erforscht das Institut Fragen der Funktionalität und des Einsatzverhaltens
sowie der Zuverlässigkeit, Sicherheit und Lebensdauer von Werkstoffen, die
in unterschiedlichen Markt- und Geschäftsfeldern mit hoher Bedeutung für
die gesellschaftliche und wirtschaftliche Entwicklung zur Anwendung
kommen. Für seine Partner in der Industrie und für öffentliche
Auftraggeber verfolgt das Fraunhofer IMWS das Ziel, zur beschleunigten
Entwicklung neuer Werkstoffe beizutragen, Materialeffizienz und
Wirtschaftlichkeit zu steigern sowie Ressourcen zu schonen. Damit leistet
das Institut einen Beitrag zur Sicherung der Innovationsfähigkeit
wichtiger Zukunftsfelder sowie zur Nachhaltigkeit als zentraler
Herausforderung des 21. Jahrhunderts.

Weitere Informationen über das Fraunhofer IMWS finden Sie unter:
<www.imws.fraunhofer.de>