Nuevos espejos de alto rendimiento para la fusión láser

Un investigador sostiene un espejo altamente reflectante para aplicaciones láser. La tecnología debe ser optimizada para la fusión láser. © Fraunhofer IOF

Las centrales de fusión impulsadas por láser se consideran una tecnología clave en el camino hacia la neutralidad climática. Para estas centrales de fusión, los sistemas de espejos altamente reflectantes y térmicamente estables son decisivos para transportar la luz láser desde la fuente de emisión hasta la pequeña bola de combustible. En el nuevo proyecto de investigación SHARP se desarrollan espejos de alto rendimiento innovadores para este propósito. El proyecto cuenta con una financiación de 8,4 millones de euros del Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF).

El objetivo del proyecto conjunto SHARP («Reflectores de alta potencia escalables para Petawatt») es desarrollar una nueva generación de espejos láser altamente reflectantes que satisfagan los requisitos extremos de futuros reactores de fusión láser de petavatios. Para ello, se desarrollarán sistemas de espejos ópticos de alto rendimiento, de gran superficie y enfriados internamente, que aún no existen.

«El proyecto SHARP debe conducir a nuevas tecnologías de fabricación que permitan espejos de gran superficie con propiedades innovadoras», explica el Dr. Yakup Gönüllü de SCHOTT. Él coordina el nuevo proyecto conjunto, que ha comenzado oficialmente su período de tres años con un evento de lanzamiento el 4 de marzo. «Estos espejos de alto rendimiento constituyen una contribución imprescindible para la realización de centrales de fusión láser comerciales en operación continua y confiable», añade Gönüllü.

El proyecto de investigación tiene un volumen total de 10,4 millones de euros, de los cuales 8,4 millones son financiados en el marco de la iniciativa «Tecnologías básicas para la fusión – en camino a una central de fusión» del BMBF.

Nuevas tecnologías de fabricación para la operación continua de centrales láser comerciales

Trabajos previos sobre sistemas de espejos láser no consideraron el aspecto térmico. Sin embargo, en el futuro, la entrada de energía térmica por absorción en los sistemas de espejos en la operación continua de centrales de fusión impulsadas por láser será decisiva. Las propiedades clave de los espejos de alto rendimiento que se desarrollarán en el proyecto son, por tanto, una calidad óptica máxima y una gestión térmica innovadora para los componentes ópticos utilizados.

Además de la estabilidad térmica de los nuevos espejos, la escalabilidad de la tecnología es un factor central del proyecto. Se deben desarrollar procesos de fabricación eficientes que contribuyan a la rentabilidad, así como a la balanza ecológica y, por tanto, a la comercialización de centrales de fusión láser.

Desarrollo de fundamentos científico-técnicos

Para alcanzar este objetivo, en el marco del proyecto SHARP se desarrollarán fundamentos científico-técnicos para nuevas tecnologías de fabricación de ópticas superpulidas, curvadas y de gran superficie, así como métodos para eliminar áreas de sustrato defectuosas y estrategias de limpieza «cero errores». Para la estabilización térmica y el enfriamiento activo, se incorporarán estructuras de enfriamiento integradas innovadoras en sustratos de vidrio y efectos termo-mecánicos en el desarrollo de capas.

«El desafío consiste en que los espejos láser deben soportar cargas extremas durante largos períodos», explica la Dra. Nadja Felde, coordinadora del proyecto en el Instituto Fraunhofer para Óptica Aplicada y Mecánica de Precisión IOF en Jena. «El aspecto principal de este proyecto de investigación es, por tanto, comprender y controlar las propiedades térmicas de los sistemas de espejos de gran superficie en diseño y fabricación, manteniendo la reflectividad en el nivel más alto posible.»

Potencial de aplicación más allá de la fusión láser

El Prof. Dr. Thomas Höche del Instituto Fraunhofer para Microestructura de Materiales y Sistemas IMWS en Halle (Saale) complementa: «Más allá de la fusión láser, los desarrollos previstos tienen un gran potencial para aplicaciones en otros mercados futuros, en particular para aplicaciones de láser de alta potencia y procesamiento de materiales con láser, así como en la exploración espacial y específicamente para la próxima generación de sustratos y recubrimientos para la litografía EUV.»

Socios de la industria y la investigación en el proyecto «SHARP»

El consorcio SHARP está coordinado por SCHOTT AG y reúne a empresas e instituciones líderes en el campo de la cadena de procesos ópticos, entre ellas LAYERTEC GmbH, asphericon GmbH, 3D-Micromac AG, optiX fab GmbH, Cutting Edge Coatings GmbH, robeko GmbH & Co. KG, Laser Zentrum Hannover e.V. así como el Fraunhofer IOF y el Fraunhofer IMWS.

Fusión láser: energía limpia mediante la fusión de núcleos atómicos

La fusión láser está inspirada en la naturaleza: al igual que en el Sol, se busca obtener energía mediante la fusión de núcleos atómicos. En una central de fusión láser, varios láseres de alto rendimiento se dirigen a una cápsula de combustible para vaporizarlas a temperaturas extremas y posteriormente fusionar los núcleos atómicos bajo alta presión.

En este proceso actúan fuerzas enormes: la radiación láser en una central de fusión se mueve en el orden de varios petavatios. Para comparar: un petavatio equivale a 1.000.000.000.000.000 de vatios. Una central de carbón o gas tiene una potencia de 1.000.000.000 vatios, y un hervidor de agua convencional, 2.000 vatios.

Los haces láser se guían mediante sistemas de espejos especiales que deben poseer propiedades ópticas, mecánicas y térmicas particulares. Hasta ahora, no se había podido realizar una combinación de estas propiedades de manera efectiva. El objetivo del consorcio en el nuevo grupo de investigación SHARP es cambiar esto mediante el desarrollo de nuevas tecnologías de fabricación y la realización de espejos láser innovadores para su uso en el rango de petavatios.