17 Juni Fusion als Zukunftsmarkt der Photonik
Die laserbasierte Trägheitsfusion ist auf dem Sprung aus der Grundlagenforschung in eine anwendungsnahe Technologieentwicklung. Deutschland hat die Weichen gestellt, um diese Energiequelle zu erschließen: Seit die Bundesregierung im Frühjahr 2024 das Programm ‚Fusion 2040 – Forschung auf dem Weg zum Fusionskraftwerk‘ startete, haben sich nach Angaben der Regierung 16 Konsortien mit einem Fördervolumen von 140 Millionen Euro formiert. Konzerne, Mittelständler, Start-ups, Forschungsinstitute und Hochschulen sollen darin ihre Kompetenzen zusammenführen, um Basistechnologien für Fusionskraftwerke zu entwickeln. Es soll der Auftakt zu einer Forschungsoffensive darstellen, die Deutschland bis 2030 mit über einer Milliarde Euro fördern will. Hinzukommen sollen private Investitionen der mitwirkenden Unternehmen. Der Großteil dieser Firmen stammt aus der photonischen Industrie, welche die Fusion als strategischen Zukunftsmarkt erkannt haben.
Laser World of Photonics: Application Panel
Ein Application Panel im Rahmen der Laser World of Photonics in München will dem Potenzial für die photonische Industrie auf den Grund gehen. Moderiert von Dr. Jochen Stollenwerk, dem kommissarischen Leiter des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen, werden Expertinnen und Experten aus Industrie und Wissenschaft über den Stand der Technik, Herausforderungen und photonische Lösungsansätze diskutieren. Den Impulsvortrag des Panels ‚Laser Fusion: Energizing Photonics Industry‘ hält Professor Constantin Häfner, Vorstand für Forschung und Transfer der Fraunhofer-Gesellschaft. Er war bis Ende 2019 als Program Director for Advanced Photon Technologies am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien, USA, für die Entwicklung der weltweit leistungsfähigsten Lasersysteme verantwortlich, mit denen an der dortigen National Ignition Facility (NIF) erstmals die Zündung eines Fusionsplasmas gelang.
Seit seinem Wechsel nach Deutschland bringt Häfner seine Expertise unter anderem als Berater der Bundesregierung im Fusionsbeirat des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) sowie als Leiter der Expertenkommission für die Laserfusion ein. In seinem Vortrag will er die Chancen Deutschlands und Europas im Zukunftsmarkt Laserfusion beleuchten; dies auch vor dem Hintergrund, dass deutsche Photonik-Unternehmen als Technologie- und Hardwarelieferanten eine nicht zu unterschätzende Rolle beim NIF-Bau gespielt haben.
„Der Aufbau leistungsfähiger Lieferketten in der Photonik ist die Voraussetzung für die technische und ökonomische Machbarkeit eines Fusionskraftwerks“, sagt Häfner. Auf dem Weg dahin bedarf es noch etlicher Innovationen. Von diesen werden aufgrund der zu erwartenden Marktgröße weitreichende Transformationen im heutigen Markt für Industrielaser, Laseranwendungen und Optiken ausgehen. In Form von Spillover-Effekten können sich die anlaufende Forschung und Entwicklung auch schon kurzfristig auf den Photonikmarkt auswirken, betont Häfner.
Professor Constantin Häfner, Vorstand für Forschung und Transfer der Fraunhofer-Gesellschaft eröffnet mit seinem Impulsvortrag des Application Panel ‚Laser Fusion: Energizing Photonics Industry‘ die Diskussion auf der Laser World of Photonics. Bild: Fraunhofer ILT, Aachen / Andreas Steindl
Photonik, Optik und Materialwissenschaften
Mit der Bildung der ersten Konsortien führen die Projekte Akteure aus der Photonik, Optik und Materialwissenschaft und deren Kompetenzen zusammen. Dabei liegt ein Fokus auf der Entwicklung und Fertigung hocheffizienter Diodenlaser sowie robuster optischer Gläser und Kristalle. Diese werden im Dauerbetrieb kommerzieller Kraftwerke extremen Belastungen ausgesetzt sein. Durch ihren Einsatz soll es gelingen, Laserpulse in hoher Frequenz auf das notwendige Energielevel zu pumpen, um ein Gemisch aus den Wasserstoff-Isotopen Deuterium und Tritium in ein Plasma zu wandeln und deren Fusion zu zünden. Für einen kommerziellen Betrieb müssen pro Sekunde zehn bis 20 Targets mit diesem Gemisch gezündet werden. Auch bei diesen Targets – etwa stecknadelkopfgroße Kügelchen – und bei der ersten Reaktorwand besteht Entwicklungsbedarf. Letztere ist den bei der Fusion freigesetzten Neutronen und der thermischen Abstrahlung des über 150 Millionen Grad Celsius heißen Fusionsplasmas ausgesetzt. Entwicklungsfelder tun sich zudem beim Tritium-Kreislauf und der möglichst additiv gefertigten, komplexen Kraftwerkskomponenten auf.
Technologietransfer in andere Märkte
Schon heute ist nach Aussage der Partner absehbar, dass Spillover-Effekte auf die Photonik und ihre Anwenderbranchen eintreten werden. So zielt eines der Projekte auf signifikante Leistungssteigerungen von Diodenlasern bei zugleich stark reduzierten Kosten infolge vollautomatisierter Fertigung. Erreicht das Konsortium seine Zielsetzungen, dann dürften Diodenlaser nach Meinung der Partner branchenübergreifend transformatives und teils disruptives Potenzial entfalten. Auch für Hochleistungsstrahlquellen und die optischen Gläser, die für Fusionskraftwerke benötigt werden, besteht Nachfrage aus anderen Märkten. Und es gibt steigenden Bedarf an Lasern, die als Secondary Sources zur Erzeugung von EUV-, Neutronen- oder Röntgenstrahlung einsetzbar sind. Sie sind unter anderem für eine kombinierte Röntgen- und Neutronen-Bildgebung gefragt. Das Verfahren soll durch die Wände verschlossener Fässer und Container hindurch optische und stoffliche Analysen des Inhalts ermöglichen. Laserstrahlquellen sind der Schlüssel, um die hierfür benötigten Teilchenbeschleuniger zu miniaturisieren und in kompakte Geräte zu integrieren.
Auf dem Weg zu kraftwerkstauglichen Konzepten und Technologien
Um die Fusionstechnologie in Kraftwerken nutzbar zu machen, braucht es ganz neue Konzepte. Deren Entwicklung hat die Bundesregierung nun mit dem Programm ‚Fusion 2040‘ in die Wege geleitet. Die Industriebeteiligung in den ersten Ausschreibungen war laut Bundesregierung enorm. Die Entwicklung optischer, photonischer und werkstoffwissenschaftlicher Kraftwerkstechnologien hat somit begonnen. Die Konsortien führen Hersteller von Lasern, Optiken und Beschichtungsverfahren, zunehmend KI-gestützter Fertigungstechnik sowie aus Prüfwesen und Softwareentwicklung mit Forschungseinrichtungen zusammen, um das Potenzial des photonischen Zukunftsmarktes zu heben.
Quelle: www.ilt.fraunhofer.de
Bild: Messe München