Nuovi specchi ad alte prestazioni per la fusione laser

Un ricercatore tiene uno specchio altamente riflettente per applicazioni laser. La tecnologia deve essere ottimizzata per la fusione laser. © Fraunhofer IOF

Le centrali di fusione laser-driven sono considerate una tecnologia chiave nel percorso verso la neutralità climatica. Per queste centrali di fusione, sistemi di specchi altamente riflettenti e termicamente stabili sono fondamentali per trasportare la luce laser dalla sorgente fino alla minuscola sfera di combustibile. Nel nuovo progetto di ricerca SHARP vengono sviluppati specchi di alta performance innovativi per questo scopo. Il progetto è finanziato con 8,4 milioni di euro dal Ministero federale dell'istruzione e della ricerca (BMBF).

Lo scopo del progetto congiunto SHARP («Specchi riflettori ad alta potenza scalabili per petawatt») è lo sviluppo di una nuova generazione di specchi laser altamente riflettenti, in grado di soddisfare le esigenze estreme dei futuri reattori di fusione laser da petawatt. A tal fine, devono essere sviluppati sistemi di specchi ottici di alta prestazione, di grandi dimensioni e raffreddati internamente, che finora non sono ancora esistiti.

«Il progetto SHARP mira a portare a nuove tecnologie di produzione che consentano specchi di grandi dimensioni con proprietà innovative», spiega il Dr. Yakup Gönüllü di SCHOTT. Egli coordina il nuovo progetto congiunto, che è stato ufficialmente avviato con un evento di kick-off il 4 marzo e avrà una durata di tre anni. «Questi specchi ad alta prestazione rappresentano un contributo indispensabile per la realizzazione di centrali di fusione laser commerciali in funzionamento affidabile a lungo termine», prosegue Gönüllü.

Il progetto di ricerca ha un volume complessivo di 10,4 milioni di euro, di cui 8,4 milioni sono finanziati nell'ambito dell'iniziativa «Tecnologie di base per la fusione – sulla strada verso una centrale di fusione» del BMBF.

Nuove tecnologie di produzione per il funzionamento continuo di centrali laser commerciali

I lavori precedenti sui sistemi di specchi laser non hanno considerato l'aspetto termico. In futuro, l'apporto di energia termica indotto dall'assorbimento nei sistemi di specchi durante il funzionamento continuo delle centrali di fusione laser sarà decisivo. Le caratteristiche chiave degli specchi di alta prestazione sviluppati nel progetto sono quindi un'elevata qualità ottica e una gestione termica innovativa per i componenti ottici utilizzati.

Oltre alla stabilità termica dei nuovi specchi, anche la scalabilità della tecnologia è un fattore centrale del progetto. Processi di produzione efficienti devono contribuire alla redditività, al bilancio ecologico e quindi alla commercializzazione delle centrali di fusione laser.

Sviluppo di basi scientifico-tecniche

Per raggiungere questo obiettivo, nel consorzio SHARP verranno sviluppate le basi scientifico-tecniche per nuove tecnologie di produzione di ottiche super-polished, curve e di grandi dimensioni, nonché metodi per la rimozione di aree di substrato imperfette e strategie di pulizia «zero-error». Per la stabilizzazione termica e il raffreddamento attivo, verranno integrate strutture di raffreddamento innovative in substrati di vetro e considerati gli effetti termomeccanici nello sviluppo degli strati.

«La sfida consiste nel fatto che gli specchi laser devono resistere a sollecitazioni estreme per lunghi periodi», spiega la Dr.ssa Nadja Felde, coordinatrice del progetto presso l'Istituto Fraunhofer per l'ottica applicata e la microtecnica IOF di Jena. «L'aspetto principale di questo progetto di ricerca è quindi la comprensione e il controllo delle proprietà termiche dei sistemi di specchi di grandi dimensioni, mantenendo la riflettività ai massimi livelli nel design e nella produzione.»

Potenzialità applicative oltre la fusione laser

Oltre alle potenzialità dei risultati previsti nel consorzio SHARP, il Prof. Dr. Thomas Höche dell'Istituto Fraunhofer per le microstrutture di materiali e sistemi IMWS di Halle (Saale) aggiunge: «Oltre alla fusione laser, gli sviluppi previsti hanno un grande potenziale per applicazioni in altri mercati futuri, in particolare per laser ad alte prestazioni e lavorazioni laser di materiali, ma anche nel settore aerospaziale e specificamente per la prossima generazione di substrati e rivestimenti per la litografia EUV.»

Partner industriali e di ricerca nel progetto «SHARP»

Il consorzio SHARP è coordinato da SCHOTT AG e riunisce aziende e istituti leader nel settore della catena di processo ottica, tra cui LAYERTEC GmbH, asphericon GmbH, 3D-Micromac AG, optiX fab GmbH, Cutting Edge Coatings GmbH, robeko GmbH & Co. KG, Laser Zentrum Hannover e.V., nonché l'Istituto Fraunhofer IOF e il Fraunhofer IMWS.

Fusione laser: energia pulita attraverso la fusione dei nuclei atomici

La fusione laser è ispirata dalla natura: come avviene sul sole, si intende ottenere energia attraverso la fusione dei nuclei atomici. In una centrale di fusione laser, diversi laser ad alte prestazioni vengono diretti verso una capsula di combustibile, per vaporizzarla a temperature estremamente elevate e successivamente fondere i nuclei atomici sotto alta pressione.

In questo processo agiscono forze enormi: il raggio laser in una centrale di fusione si muove nell'ordine di grandezza di diversi petawatt. Per fare un confronto: un petawatt corrisponde a 1.000.000.000.000.000 di watt. Una centrale a carbone o a gas ha una potenza di 1.000.000.000 di watt, mentre un bollitore domestico ne ha 2.000.

Gli impulsi laser vengono guidati attraverso sistemi di specchi speciali, che devono possedere caratteristiche ottiche, meccaniche e termiche particolari. Finora, una combinazione delle proprietà richieste non è stata ancora realizzata. Il consorzio intende cambiare questa situazione nel nuovo gruppo di ricerca SHARP sviluppando nuove tecnologie di produzione e realizzando specchi laser innovativi per l'uso nel settore del petawatt.