Výzkumníci Fraunhoferova institutu IOF vyvíjejí tepelně stabilní zrcadlové systémy, které mají zvládnout práci s lasery o výkonu přes jeden kvadrilion wattů (1024 W).
Výzkumník drží vysoce reflexní zrcadlo pro laserové aplikace. Technologie má být optimalizována pro laserovou fúzi © Fraunhofer IOF
Laserem poháněné fúzní elektrárny jsou považovány za klíčovou technologii na cestě ke klimatické neutralitě a vysoce reflexní a tepelně stabilní zrcadlové systémy jsou pro tyto fúzní elektrárny klíčové. Přenášejí laserové světlo ze zdroje paprsku do malé palivové koule.
V novém výzkumném projektu SHARP (scalable highpower reflectors for petawatts) se pro tento účel vyvíjejí velkoplošná, vnitřně chlazená vysoce výkonná zrcadla. Výzkumný projekt má celkový objem 10,4 milionu eur, přičemž částkou 8,4 milionu eur je financován německým Spolkovým ministerstvem školství a výzkumu (BMBF) v rámci iniciativy Základní technologie pro jadernou syntézu — na cestě k elektrárně využívající jadernou syntézu. Projekt má vést k novým výrobním technologiím, které umožní realizaci komerčních laserových fúzních elektráren ve spolehlivém nepřetržitém provozu.
Předchozí práce na systémech laserových zrcadel tepelné hledisko nebraly v úvahu. V budoucnu však bude absorpcí indukovaný vstup tepelné energie do zrcadlových systémů pro nepřetržitý provoz laserem poháněných fúzních elektráren klíčový. Právě proto se vývoj tentokrát nezaměřuje jen na maximální optickou kvalitu, ale také na nový tepelný management pro použité optické komponenty.
Kromě tepelné stability nových zrcadel je dalším klíčovým faktorem projektu škálovatelnost technologie. Efektivní výrobní procesy by měly přispět k ekonomické efektivitě a ekologické rovnováze a tím ke komercializaci laserových fúzních elektráren.
Rozvoj vědeckých a technických základů
K dosažení tohoto cíle si konsorcium SHARP klade za cíl vyvinout vědecké a technické základy pro nové výrobní technologie pro superleštěnou, zakřivenou, velkoplošnou optiku, stejně jako metody pro odstraňování nedokonalých oblastí substrátu a takzvané strategie čištění s „nulovými defekty“. Pro tepelnou stabilizaci a aktivní chlazení jsou do vývoje vrstev začleněny nové integrované chladicí struktury ve skleněných substrátech a termomechanické efekty.
„Výzvou je, že laserová zrcadla musí odolávat extrémnímu zatížení po dlouhou dobu,“ vysvětluje Dr. Nadja Feldeová, projektová koordinátorka z Fraunhoferova IOF v Jeně.
Kromě laserové fúze má cílený vývoj velký potenciál pro aplikace na dalších budoucích trzích, zejména pro aplikace výkonných laserů a laserové zpracování materiálů, ale také při cestování vesmírem a zejména pro další generaci substrátů a povlaků pro EUV litografii.
Konsorcium SHARP je koordinováno společností Schott a sdružuje přední společnosti a instituty z oblasti optických procesních řetězců, včetně Layertec, Asphericon, 3D-Micromac AG, OptiX fab, Cutting Edge Coatings, Robeko & Co., Laser Zentrum Hannover a Fraunhofer eV.
Čistá energie prostřednictvím fúze atomových jader
Laserová fúze je inspirována přírodou. Podobně jako na Slunci má být energie generována fúzí atomových jader. V laserové fúzní elektrárně je několik vysoce výkonných laserů nasměrováno na palivovou kapsli, aby ji odpařily při extrémně vysokých teplotách a poté roztavily atomová jádra pod vysokým tlakem.
V tomto procesu působí obrovské síly: laserové záření ve fúzní elektrárně je v řádu několika petawattů. (Pro srovnání: 1 PW = 1015 W, běžná uhelná nebo plynová elektrárna mívá výkon 109 W, běžná varná konvice má zpravidla výkon 2 000 W.)
Laserové paprsky jsou vedeny přes zrcadlové systémy, které musí mít speciální optické, mechanické a tepelné vlastnosti. Kombinace požadovaných vlastností dosud nebyla tímto způsobem realizována. Konsorcium v nové výzkumné síti SHARP to chce změnit vývojem nových výrobních technologií a vytvářením inovativních laserových zrcadel pro použití v petawattové řadě.
Karel Sedláček, upravil a doplnil Michael Málek