Laser- und Fertigungstechnik
Schlüsseltechnologien für die Kernfusion als Energiequelle der Zukunft
Die Kernfusion rückt als klimaneutrale Energiequelle zunehmend in greifbare Nähe. Am Fraunhofer ILT entstehen Schlüsseltechnologien für künftige Fusionskraftwerke – von Hochleistungslasern über Optiken bis zu skalierbaren Fertigungsprozessen und industriellen Lieferketten.
Kernfusion gilt als vielversprechende Option für eine klimaneutrale Energieversorgung mit hoher Energiedichte und Grundlastfähigkeit. Spätestens seit dem Durchbruch an der National Ignition Facility (NIF) im Jahr 2022, bei dem erstmals ein Energieüberschuss erzielt wurde, ist klar: Die zugrunde liegende Physik funktioniert. Bei Temperaturen von rund 150 Millionen Grad Celsius verschmelzen Wasserstoffisotope zu Helium und setzen enorme Energiemengen frei – 1 kg Fusionsbrennstoff entspricht etwa 22.500 Tonnen Braunkohle. Für einen wirtschaftlichen Kraftwerksbetrieb sind jedoch noch erhebliche technologische Fortschritte erforderlich.
Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT zählt zu den zentralen Akteuren der Fusionsforschung. Gemeinsam mit Industrie- und Forschungspartnern entwickelt es Schlüsseltechnologien für zukünftige Kraftwerke. Im Fokus stehen Hochleistungslaser, optische Komponenten sowie skalierbare Fertigungsprozesse und Lieferketten. Unterstützt wird diese Entwicklung durch das Förderprogramm „Fusion 2040“, für das die Bundesregierung bis 2029 mehr als 2 Milliarden Euro bereitstellt.
Parallel zur laserbasierten Trägheitsfusion (IFE) wird auch die Magnetfusion (MFE), etwa in Tokamak- und Stellarator-Anlagen, vorangetrieben. Beide Ansätze erfordern leistungsfähige photonische Technologien.
Vom Experiment zum Dauerbetrieb
Während Versuchsanlagen wie die NIF einzelne Fusionszündungen nachweisen, müssen künftige Kraftwerke im Dauerbetrieb arbeiten. Dazu sind bis zu 10 bis 15 Zündungen pro Sekunde erforderlich. Das stellt hohe Anforderungen an Effizienz, Lebensdauer und Kosten der Lasersysteme. Insbesondere diodengepumpte Festkörperlaser (DPSSL) gelten als Schlüsseltechnologie. Im Vergleich zu heutigen Experimentieranlagen müssen aber Wirkungsgrad und Betriebsstabilität noch deutlich gesteigert werden, weil bestehende Systeme nicht für den kontinuierlichen Kraftwerksbetrieb ausgelegt sind.
Laser, Optik und industrielle Skalierung
Zentrale Forschungsprojekte adressieren diese Herausforderungen. Im Projekt „DioHELIOS“ beispielsweise liegt der Fokus auf der Entwicklung leistungsfähiger Laserdioden sowie auf hochautomatisierten Fertigungsprozessen. Ziel ist es, die Kosten auf unter einen Cent pro Watt zu senken und gleichzeitig eine Lebensdauer von bis zu 30 Jahren zu erreichen.
Im Projekt „PriFUSIO“ wiederum stehen optische Schlüsselkomponenten im Mittelpunkt, die extremen Belastungen im 24/7-Betrieb standhalten müssen. Die industrielle Skalierung bleibt dabei eine große Herausforderung: Die heutige globale Produktionskapazität für Hochleistungsdioden würde nicht einmal den Bedarf eines einzelnen Fusionskraftwerks decken.
Additive Fertigung und Reaktorkomponenten
Neben der Laserentwicklung spielen neuartige Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle. Additive Laserverfahren ermöglichen die Herstellung hochbelasteter Reaktorwandkomponenten, etwa aus Wolframlegierungen, die extremen neutronischen Einwirkungen standhalten müssen. Gleichzeitig dienen diese Strukturen der Energieumwandlung sowie der Erzeugung des Fusionsbrennstoffs Tritium. Ein weiterer kritischer Faktor sind die Brennstofftargets: Für den Kraftwerksbetrieb müssen täglich bis zu 1,3 Millionen Pellets kostengünstig und reproduzierbar gefertigt werden. Auch hierfür werden neue automatisierte Produktionskonzepte entwickelt.
Die steigende Systemkomplexität macht Simulation unverzichtbar. Virtuelle Prototypen ermöglichen die Optimierung von Design und Betrieb sowie die Analyse physikalischer Effekte wie thermischer Verzerrungen oder optischer Aberrationen. Internationale Kooperationen, etwa mit dem Lawrence Livermore National Laboratory, dienen der Validierung dieser Modelle und der Weiterentwicklung zukünftiger Lasergenerationen.
Spillover-Effekte für Industrie und Photonik
Die Fusionsforschung hat bereits heute Auswirkungen auf andere industrielle Anwendungen. Neue Materialien, Hochleistungskomponenten und Fertigungsverfahren finden Einsatz in der Photonik, etwa beim Laserschneiden oder -schweißen. Zudem eröffnen Hochenergielaser neue Möglichkeiten für kompakte Strahlungsquellen, beispielsweise für die zerstörungsfreie Prüfung von geschlossenen Systemen und Containern.
Langfristig bietet die Kernfusion nicht nur das Potenzial für eine nahezu unbegrenzte Energiequelle, sondern auch erhebliche Wachstumschancen für die Industrie. Angesichts eines weltweit steigenden Energiebedarfs könnten künftig hunderte bis tausende Fusionskraftwerke benötigt werden. Bereits einzelne Anlagen würden enorme Mengen an Laserdioden und optischen Komponenten erfordern und könnten das Marktvolumen der Photonikbranche grundlegend verändern.
