Új magas teljesítményű tükrök lézeres fúzióhoz

Egy kutató egy rendkívül fényes tükröt tart a kezében lézeres alkalmazásokhoz. A technológiát a lézerfúzióhoz kell optimalizálni. © Fraunhofer IOF / Egy kutató egy rendkívül fényes tükröt tart a kezében lézeres alkalmazásokhoz. A technológiát a lézerfúzióhoz kell optimalizálni. © Fraunhofer IOF

Laseralapú fúziós erőművek kulcsfontosságú technológiának számítanak az éghajlatsemlegesítés felé vezető úton. Ezekhez a fúziós erőművekhez elengedhetetlen a magas reflexiójú és hőstabil tükröző rendszer, amely a lézerfényt a sugárforrástól a kisméretű üzemanyagszemig szállítja. Az új kutatási projekt, a SHARP keretében, új típusú nagy teljesítményű tükröket fejlesztenek erre a célra. A projektet az Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) 8,4 millió euróval támogatja.

A SHARP (»Skálázható Nagyhatékonyságú Reflektorok Petawatt-hoz«) nevű konzorcium célja egy új generációs, magas reflexiójú lézertükrök kifejlesztése, amelyek megfelelnek a jövőbeni Petawatt lézernyaláb-fúziós reaktorok extrém követelményeinek. Ennek érdekében olyan nagy felületű és belül hűtött optikai nagy teljesítményű tükröző rendszereket fejlesztenek, amelyek eddig nem léteztek.

„A SHARP projekt új gyártástechnológiákhoz vezet, amelyek lehetővé teszik nagy felületű tükrök fejlesztését innovatív tulajdonságokkal”, magyarázza Dr. Yakup Gönüllü, a SCHOTT képviselője. Ő koordinálja az új konzorciumot, amelynek hivatalos kezdő eseménye 2024. március 4-én volt. „Ezek a nagy teljesítményű tükrök elengedhetetlen hozzájárulást jelentenek a kereskedelmi lézerfúziós erőművek megbízható, folyamatos működésének megvalósításához”, folytatja Gönüllü.

A kutatási projekt összvolumene 10,4 millió euró, melyből 8,4 millió eurót a „Fúzió alaptechnológiái – az út a fúziós erőmű felé” kezdeményezés keretében támogat a BMBF.

Új gyártástechnológiák a kereskedelmi lézeres erőművek folyamatos működtetéséhez

A korábbi lézeres tükrözőrendszerek kutatásai nem vették figyelembe a hőtechnikai szempontokat. A jövőben azonban a lézerfúziós erőművek folyamatos működése során a tükröző rendszerekbe történő abszorpció által indukált hőenergia-bevitel döntő jelentőségű lesz. A projektben fejlesztett nagy teljesítményű tükrök egyik fő jellemzője lesz a kiváló optikai minőség és egy új típusú hőmenedzsment az optikai komponensek számára.

Az új típusú tükrök hőstabilitásán túl a technológia skálázhatósága is központi kérdés. Hatékony gyártási folyamatok segítik elő a gazdaságosságot, valamint az ökológiai lábnyom csökkentését, ezáltal hozzájárulva a lézerfúziós erőművek kereskedelmi alkalmazásához.

Tudományos-technikai alapok fejlesztése

Ennek eléréséhez a SHARP konzorcium tudományos-technikai alapokat dolgoz ki az új típusú, szuperpolírozott, görbült, nagy felületű optikák gyártásához, valamint módszereket az egyenetlen aljzatok eltávolítására és a „null hibás” tisztítási stratégiák kidolgozására. A hőstabilitás és az aktív hűtés érdekében új integrált hűtési struktúrákat építenek be üveg aljzatokba, továbbá figyelembe veszik a termomechanikai hatásokat a rétegek fejlesztése során.

„A kihívás az, hogy a lézersugaras tükrök hosszú időn keresztül ki kell, hogy bírják az extrém terheléseket”, magyarázza Dr. Nadja Felde, a Fraunhofer Alkalmazott Optika és Finommechanika Intézet (IOF) projektkoordinátora Jénában. „A kutatás fő szempontja ezért a nagy felületű tükröző rendszerek hőtechnikai tulajdonságainak megértése és kontrollálása, miközben a reflexió szintje a lehető legmagasabb marad.”

Lehetőségek a lézerfúzión túlmutató alkalmazásokban

Prof. Dr. Thomas Höche, a Halle (Saale) székhelyű Fraunhofer Anyag- és Rendszerkutató Intézet (IMWS) képviseletében, kiegészíti: „A SHARP eredményei túlmutatnak a lézerfúzión, és nagy potenciált rejtenek további jövőbeli piacokon, különösen a nagy teljesítményű lézerek és anyagmegmunkálás területén, de a űrkutatásban és az EUV-litográfia következő generációs aljzatok és bevonatok fejlesztésében is.”

Partnerek az iparban és a kutatásban a „SHARP” projektben

A SHARP konzorciumot a SCHOTT AG koordinálja, és vezető vállalatokat, intézeteket fog össze az optikai folyamatlánc területéről, köztük a LAYERTEC GmbH-t, az asphericon GmbH-t, a 3D-Micromac AG-t, az optiX fab GmbH-t, a Cutting Edge Coatings GmbH-t, a robeko GmbH & Co. KG-t, a Laser Zentrum Hannover e.V.-t, valamint a Fraunhofer IOF-et és a Fraunhofer IMWS-t.

Lézerfúzió: tiszta energia atommagok összeolvasztásával

A lézerfúzió a természetből merít ihletet: ahogyan a Napban is történik, az atommagok összeolvasztásával nyerhető energia. Egy lézerfúziós erőműben több nagy teljesítményű lézert irányítanak egy üzemanyagszemre, hogy az extrém magas hőmérsékleten elpárologjon, majd a magas nyomáson összeolvadjanak az atommagok.

Ez a folyamat hatalmas erőket mozgat meg: a fúziós erőműben a lézersugárzás a több petawattos nagyságrendben mozog. Összehasonlításképpen: egy petawatt 1.000.000.000.000.000 wattnak felel meg. Egy széntüzelésű vagy gáztüzelésű erőmű teljesítménye kb. 1 milliárd watt, egy átlagos vízforraló pedig 2.000 watt.

A lézersugarakat speciális tükröző rendszerek irányítják, amelyeknek optikailag, mechanikailag és hőtechnikai szempontból is különleges tulajdonságokkal kell rendelkezniük. Eddig ilyen tulajdonságok kombinációja nem valósult meg. A konzorcium ezt kívánja megváltoztatni az új kutatási konzorcium, a SHARP révén, új gyártástechnológiák és innovatív lézertükrök kifejlesztésével a Petawatt-hez közeli alkalmazásokhoz.