Nieuwe hoogpresterende spiegels voor laserfusie

Een onderzoeker houdt een hoogreflecterende spiegel voor laser toepassingen in de hand. De technologie moet worden geoptimaliseerd voor laserfusie. © Fraunhofer IOF

Lasergetriebene fusiekrachtcentrales worden beschouwd als sleuteltechnologie op weg naar klimaatneutraliteit. Voor deze fusiekrachtcentrales zijn hoogreflecterende en thermisch stabiele spiegel systemen essentieel om het laserlicht van de stralingsbron tot aan de kleine brandstofbol te transporteren. In het nieuwe onderzoeksproject SHARP worden innovatieve hoogperformante spiegels voor dit doel ontwikkeld. Het project wordt met 8,4 miljoen euro gefinancierd door het Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Het doel van het samenwerkingsproject SHARP (»Schaalbare Highpower Reflectoren voor Petawatt«) is de ontwikkeling van een nieuwe generatie hoogreflecterende laserspiegels die voldoen aan de extreme eisen van toekomstige Petawatt-laserfusie-reactoren. Daartoe worden grootschalige en intern gekoelde optische hoogperformante spiegelsystemen ontwikkeld die zo nog niet bestaan.

»Het SHARP-project moet leiden tot nieuwe fabricagetechnologieën die grootschalige spiegels met innovatieve eigenschappen mogelijk maken«, legt Dr. Yakup Gönüllü van SCHOTT uit. Hij coördineert het nieuwe samenwerkingsproject, dat op 4 maart officieel van start is gegaan met een kick-off bijeenkomst en een looptijd van drie jaar. »Deze hoogperformante spiegels vormen een onmisbare bijdrage aan de realisatie van commerciële laserfusiecentrales in betrouwbare continuïteit«, aldus Gönüllü.

Het onderzoeksproject heeft een totaalbudget van 10,4 miljoen euro, waarvan 8,4 miljoen euro wordt gefinancierd binnen het kader van de initiatief »Basistechnologieën voor fusie – op weg naar een fusiecentrale« door het BMBF.

Nieuwe fabricagetechnologieën voor continu bedrijf van commerciële lasercentrales

Eerdere werken aan laserspiegelsystemen hebben de thermische aspecten niet in overweging genomen. Toekomstig zal de absorptie-geïnduceerde thermische energie-invoer in de spiegelsystemen tijdens continu bedrijf van laser-gedreven fusiecentrales echter cruciaal zijn. Belangrijke eigenschappen van de in het project te ontwikkelen hoogperformante spiegels zijn daarom de hoogste optische kwaliteit en een innovatieve warmtebeheer voor de gebruikte optische componenten.

Naast de thermische stabiliteit van de nieuwe spiegels is ook de schaalbaarheid van de technologie een centraal aspect van het project. Efficiënte fabricageprocessen moeten bijdragen aan de economische haalbaarheid en de ecologische balans, en daarmee aan de commercialisering van laserfusiecentrales.

Ontwikkeling van wetenschappelijk-technische fundamenten

Om dit doel te bereiken, worden in het SHARP-verbond de wetenschappelijk-technische fundamenten ontwikkeld voor innovatieve fabricagetechnologieën voor supergepolijste, gekromde, grootschalige optieken, evenals methoden voor het verwijderen van onvolkomen substraatgebieden en zogenaamde »nul-fouten«-reinigingsstrategieën. Voor thermische stabilisatie en actieve koeling worden innovatieve geïntegreerde koelingsstructuren in glastraten en thermomechanische effecten in de laagontwikkeling betrokken.

»De uitdaging bestaat erin dat de laserspiegels langdurig extreme belastingen moeten weerstaan«, legt Dr. Nadja Felde uit, verantwoordelijke projectcoördinator bij het Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena. »Het belangrijkste aspect in dit onderzoeksproject is daarom het begrijpen en beheersen van de thermische eigenschappen van grootschalige spiegelsystemen in ontwerp en fabricage, terwijl de reflectiviteit op het hoogste niveau wordt behouden.«

Toepassingspotentieel buiten laserfusie

Prof. Dr. Thomas Höche van het Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS uit Halle (Saale) voegt toe: »Buiten laserfusie hebben de beoogde ontwikkelingen een groot potentieel voor toepassingen in andere toekomstige markten, met name voor hoogvermogenlasers en lasermaterialenbewerking, maar ook in de ruimtevaart en specifiek voor de volgende generatie substraten en coatings voor EUV-lithografie.«

Partners uit industrie en onderzoek in het project »SHARP«

Het SHARP-consortium wordt gecoördineerd door SCHOTT AG en brengt toonaangevende bedrijven en instituten uit het gebied van de optische procesketen samen, waaronder LAYERTEC GmbH, asphericon GmbH, 3D-Micromac AG, optiX fab GmbH, Cutting Edge Coatings GmbH, robeko GmbH & Co. KG, Laser Zentrum Hannover e.V. en het Fraunhofer IOF en het Fraunhofer IMWS.

Laserfusie: Schone energie door kernfusie

Laserfusie is geïnspireerd door de natuur: net zoals op de zon gebeurt, moet energie worden gewonnen door de fusie van atoomkernen. In een laserfusiecentrale worden meerdere hoogvermogenlasers gericht op een brandstofcapsule om deze bij extreme temperaturen te verdampen en vervolgens de atoomkernen onder hoge druk te laten versmelten.

Bij dit proces werken enorme krachten: het laserlicht in een fusiecentrale beweegt zich in de orde van meerdere petawatt. Ter vergelijking: een petawatt komt overeen met 1.000.000.000.000.000 watt. Een kolen- of gascentrale heeft een vermogen van 1.000.000.000 watt, een gewone waterkoker 2.000 watt.

De laserstralen worden geleid via speciale spiegelsystemen die zowel optisch, mechanisch als thermisch bijzondere eigenschappen moeten bezitten. Een combinatie van de benodigde eigenschappen kon tot nu toe nog niet worden gerealiseerd. Dat wil het consortium in het nieuwe onderzoeksverbond SHARP veranderen door de ontwikkeling van nieuwe fabricagetechnologieën en de realisatie van innovatieve laserspiegels voor gebruik in het petawatt-bereik.