Nové vysoce výkonné zrcadla pro laserovou fúzi

Výzkumník drží vysoce reflexní zrcadlo pro laserové aplikace. Technologie má být optimalizována pro laserovou fúzi. © Fraunhofer IOF

Lasergetriebene fusionskraftwerke jsou považovány za klíčovou technologii na cestě k klimatické neutralitě. Pro tyto fusionské elektrárny jsou rozhodující vysoce reflexní a tepelně stabilní zrcadlové systémy, které umožňují přenos laserového světla od zdroje paprsku až k malému palivovému kuličce. V novém výzkumném projektu SHARP jsou vyvíjeny inovativní vysoce výkonné zrcadla pro tento účel. Projekt je financován spolufinancováním z Ministerstva školství a výzkumu Německa (BMBF) ve výši 8,4 milionu eur.

Cílem společného projektu SHARP („Škálovatelní vysokovýkonní reflektory pro petawatt“) je vývoj nové generace vysoce reflexních laserových zrcadel, která budou splňovat extrémní požadavky budoucích petawattových laserových fúzních reaktorů. Za tímto účelem mají být vyvinuty velkoplošné a interně chlazené optické vysoce výkonné zrcadlové systémy, které dosud neexistovaly.

„Projekt SHARP má vést k novým výrobním technologiím, které umožní výrobu velkoplošných zrcadel s inovativními vlastnostmi,“ vysvětluje Dr. Yakup Gönüllü ze společnosti SCHOTT. Koordinuje nový společný projekt, který byl nyní oficiálně zahájen kick-off schůzkou 4. března a má tříletou dobu trvání. „Tato vysoce výkonná zrcadla představují nenahraditelný příspěvek k realizaci komerčních laserových fúzních elektráren v spolehlivém nepřetržitém provozu,“ dodává Gönüllü.

Celkový rozpočet výzkumného projektu činí 10,4 milionu eur, z nichž 8,4 milionu eur je financováno v rámci iniciativy „Základní technologie pro fúzi – na cestě k fúzní elektrárně“ od BMBF.

Nové výrobní technologie pro nepřetržitý provoz komerčních laserových elektráren

Předchozí práce na laserových zrcadlových systémech nezohledňovaly tepelný aspekt. V budoucnu však bude klíčové řídit tepelný tok indukovaný absorpcí do zrcadlových systémů při nepřetržitém provozu laserem poháněných fúzních elektráren. Klíčové vlastnosti vyvíjených vysoce výkonných zrcadel jsou proto nejvyšší optická kvalita a inovativní řízení tepelného managementu používaných optických komponentů.

Kromě tepelně stabilních vlastností nových zrcadel je také důležitá škálovatelnost technologie. Efektivní výrobní procesy mají přispět k ekonomické efektivitě, ekologické bilanci a tím i k komercializaci laserových fúzních elektráren.

Vývoj vědecko-technických základů

Aby bylo možné tohoto cíle dosáhnout, mají být v rámci SHARP vyvinuty vědecko-technické základy pro inovativní výrobní technologie superleštěných, zakřivených, velkoplošných optik a metody odstraňování nedokonalých substrátových oblastí a tzv. „nulových chyb“ – strategie čištění. Pro tepelnou stabilizaci a aktivní chlazení budou do vývoje vrstev zahrnuty inovativní integrované chladicí struktury v skleněných substrátech a termomechanické efekty.

„Výzvou je, že laserová zrcadla musí odolávat extrémnímu namáhání po dlouhou dobu,“ vysvětluje Dr. Nadja Felde, odpovědná koordinátorka projektu z Fraunhofer-Institutu pro aplikovanou optiku a přesnou mechaniku IOF v Jeně. „Hlavním aspektem tohoto výzkumného projektu je proto pochopení a kontrola tepelných vlastností velkoplošných zrcadlových systémů v návrhu a výrobě při zachování nejvyšší úrovně reflexivity.“

Možnosti využití i mimo laserovou fúzi

O možnostech využití navrhovaných výsledků ve skupině SHARP hovoří prof. Dr. Thomas Höche z Fraunhoferova institutu pro mikrostruktury materiálů a systémů IMWS v Halle (Saale): „Kromě laserové fúze mají vyvíjené technologie velký potenciál pro aplikace v dalších budoucích trzích, zejména pro vysoce výkonné laserové aplikace a zpracování materiálů laserem, ale také v kosmickém průmyslu a zejména pro další generaci substrátů a povlaků pro EUV litografii.“

Partneři z průmyslu a výzkumu v projektu „SHARP“

Konfederaci SHARP vede společnost SCHOTT AG a sdružuje přední firmy a instituce z oblasti optických procesních řetězců, včetně LAYERTEC GmbH, asphericon GmbH, 3D-Micromac AG, optiX fab GmbH, Cutting Edge Coatings GmbH, robeko GmbH & Co. KG, Laser Zentrum Hannover e.V. a také Fraunhofer IOF a Fraunhofer IMWS.

Laserová fúze: čistá energie prostřednictvím sloučení jaderných částic

Laserová fúze je inspirována přírodou: podobně jako na Slunci má být energie získávána sloučením jaderných částic. V laserové fúzní elektrárně je několik vysoce výkonných laserů zaměřeno na palivovou kapsli, aby ji při extrémně vysokých teplotách odpařily a následně sloučily jádra atomů pod vysokým tlakem.

V tomto procesu působí obrovské síly: laserové záření v fúzní elektrárně se pohybuje v řádu několika petawattů. Pro srovnání: petawatt odpovídá 1 000 000 000 000 wattům. Uhelná nebo plynová elektrárna má výkon 1 000 000 000 wattů, běžná varná konvice 2 000 wattů.

Laserové paprsky jsou vedeny speciálními zrcadlovými systémy, které musí mít nejen optické, ale i mechanické a tepelné vlastnosti. Kombinace požadovaných vlastností zatím nebyla možná realizovat. To chce konsorcium změnit vývojem nových výrobních technologií a realizací inovativních laserových zrcadel pro použití v oblasti petawattů v rámci nového výzkumného svazku SHARP.