Fusion braucht laserbasierte Fertigungsverfahren
In den Projekten »IFE-Targetry-HUB« und »Durable« wirken Teams des Fraunhofer ILT ebenfalls an vorderster Front dabei mit, Schlüsseltechnologien für Fusionskraftwerke zu entwickeln. »Durable« befasst sich mit der Simulation und Prozessentwicklung für die additive Fertigung von plasmaseitigen Wandkomponenten. Im 24/7-Kraftwerksbetrieb prasseln fortlaufend von der Fusion freigesetzte Neutronen auf die Wände ein. Deren kinetische Energie wird in den Wänden auf ein Kühlmedium übertragen, das verdampft und eine Turbine antreibt. Auch sind spezielle Wandelemente gefragt, in denen die Neutronen dazu dienen, das Wasserstoffisotop Tritium aus Lithium zu erbrüten. »Um die hochtemperaturbeständigen, äußerst robusten Wolframlegierungen der Wände in Form zu bringen, bieten sich laserbasierte additive Fertigungsverfahren an«, erläutert Klein. Das Fraunhofer ILT hat den Metall-3D-Druck erfunden, patentiert – und seither systematisch weiterentwickelt. KI spielt dabei wie auch bei dem ebenfalls am Institut erdachten und patentierten Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA eine immer wichtigere Rolle. »Beide additiven Verfahren haben großes Potenzial für die Fertigung von Kraftwerkskomponenten«, sagt sie.
Nicht minder relevant sind laserunterstützte Verfahren für die Fertigung der Brennstoff-Targets. Wenn Fusionskraftwerke im 15-Hz-Betrieb bis zu 1,3 Mio. Mal täglich zünden, müssen die Target-Kosten um Größenordnungen bis in den Cent-Bereich sinken. Auch diese Herausforderung gehen Forschende des Fraunhofer ILT im Projekt »IFE-Targetry-HUB« an. In der Fusionsforschung laufen sehr viele Fäden zusammen, die das Institut in den letzten Jahrzehnten aufgenommen und weitergesponnen hat. Nun zahlt sich diese Vorarbeit aus. »Unsere Projekte bewegen sich am typischen Fraunhofer-Arbeitspunkt: Es geht darum, Technologien neu zu denken und sie aus der Forschung in die konkrete industrielle Anwendung zu überführen«, sagt die Fusionsforschungskoordinatorin.
Hochenergielaser von Grund auf verstehen
Voraussichtlich werden die Hochenergielaser künftiger IFE-Kraftwerke viele hundert parallele Strahlengänge haben. Jeweils tausende Hochleistungs-Laserdioden-Barren werden darin Verstärkerplatten aus Spezialglas oder -kristall pumpen, um die Pulse auf das für die Zündung erforderliche Energielevel zu verstärken. So komplexe Laser sind nicht im Trial-&Error-Ansatz realisierbar. Vielmehr braucht es Computational Methods, um sie vor dem Prototypenbau zunächst virtuell zu erproben und optimieren. Virtuelle Prototypen der Komponenten, Teilsysteme und schließlich auch der kompletten Hochenergielaser ermöglichen es Forschenden, deren Funktionen zu ergründen und im virtualisierten Betrieb realitätsnah durchzuspielen. Das Fraunhofer ILT hat in den letzten Jahren hochentwickelte Lasersimulationsmodelle für das Design, die Entwicklung und industrielle Skalierung von DPSSL realisiert. Diese unterzieht es nun einer Nagelprobe, indem es sie im Projekt »ICONIC-FL« mit vergleichbaren Lösungen des LLNL abgleicht.
Das US-Institut ist auf die Simulation und den Bau von Hochenergielasern spezialisiert, das Fraunhofer ILT auf DPSSL mit hohen mittleren Leistungen. Beide Partner bringen also komplementäres Know-how ein. »Es geht in diesem Projekt nicht darum, unsere Simulationsmodelle zusammenzuführen oder Code auszutauschen«, betont Johannes Weitenberg, Projektleiter auf Seiten des Fraunhofer ILT. Vielmehr möchten die beiden Institute voneinander lernen und ihre Simulationsergebnisse mit Blick auf die nächste DPSSL-Generation für Fusionskraftwerke doppelt absichern, indem sie das Laserdesign einer unabhängigen Cross-Validierung unterziehen. Dafür werden sie jeweils mit ihren Lösungen die Verstärkungsstufen der Hochenergielaser simulieren. Hierbei wollen sie komplexen physikalischen Effekten auf den Grund gehen: »Im 24/7-Betrieb können Aufheizung, Brechungseffekte und Aberrationen den Laserstrahl verzerren. Hier fallen selbst kleinste Effekte ins Gewicht und können Effizienzverluste oder sogar direkte Schädigungen der Optik verursachen«, sagt Weitenberg. Man wolle genau verstehen, was in der einzelnen Verstärkerplatte vor sich geht, um später komplexe Plattenstapel simulieren zu können.
Letztlich zielt die aktuelle Fusionsforschung darauf ab, mit multidisziplinären Ansätzen Technologiesprünge zu erzwingen. Das Beispiel der NIF zeigt, was möglich ist: Mithilfe von naturwissenschaftlichem und ingenieurtechnischem Know-how sowie simulations- und KI-gestützter Prozessoptimierung ist es dort gelungen, den Energieüberschuss der Fusion vom anfangs 1,5-Fachen auf das 4-Fache der vom Laser eingebrachten Energie zu steigern. Diesen Faktor gilt es nun mit spezifisch für IFE-Kraftwerke optimierten Hochenergielasern auf einen Faktor 50 bis 100 zu steigen.
Hochenergielaser sind nicht nur für die Fusion interessant
Das Großprojekt Fusionskraftwerk braucht enge Kooperation zwischen Industrie und Forschung. Staatliche Förderprogramme können technologische Grundlagen schaffen, doch auf lange Sicht müssen Unternehmen investieren und Lieferketten aufbauen. Für Innovationen heißt das, dass sie nicht nur auf das Fernziel Fusionskraftwerk, sondern auch auf weitere Anwendungsmärkte ausgerichtet sein sollten. Um etwa die nötige Fertigungskapazität für Hochleistungslaserdioden aufzubauen und deren Kosten durch Skaleneffekte auf das erforderliche Niveau zu senken, müssen neue Anwendungen erschlossen werden. »Hierbei steht unser Institut der Industrie mit geballtem, über 40 Jahre generiertem Know-how zur Seite«, erklärt Klein.
Erste Spillover-Effekte stellen sich bereits ein. So ist aus dem PriFUSIO-Projekt eine neue Generation von synthetischen Quarzglasplatten hervorgegangen, die neben der Fusion auch für andere Hochleistungslaseranwendungen im Nah-Infrarotbereich – darunter das Laserschneiden und -schweißen – interessant ist. Hersteller Heraeus Covantics hat das Herstellungsverfahren sowohl mit Blick auf die Performance als auch auf die Kosten optimiert. Zudem bietet es höhere Flexibilität bei den Plattengrößen. Das neue Material zeichnet sich durch sehr geringe Absorption und hohe Leistungsdichte aus.
Auch für Hochenergielaser gibt es Bedarf abseits der Fusion: Als Treiber für Secondary Sources sollen sie neue Wege zum Erzeugen von Extremer-Ultraviolett-(EUV)-, Röntgen- oder Neutronenstrahlung ebnen. Zu den vielversprechenden Anwendungen gehört die kombinierte Röntgen- und Neutronen-Bildgebung, die das Fraunhofer ILT aktuell im Verbundprojekt PLANET mitentwickelt. Sie soll optische und stoffliche Analysen des Inhalts verschlossener Fässer und Container durch deren Wände hindurch ermöglichen. Laserstrahlquellen sind der Schlüssel, um die dafür benötigten Teilchenbeschleuniger zu miniaturisieren und diese in kompakte, möglicherweise in Zukunft sogar mobile Geräte zu integrieren. »Vieles woran wir in der Fusionsforschung arbeiten, ist für viele Märkte relevant. Wir arbeiten nicht nur an einem Kraftwerk!«, betont Klein. Die Fusion sei eine große Chance für die Laser- und Optikindustrie in Deutschland und Europa. Sollte der kommerzielle Erfolg der Laserfusion länger als erhofft auf sich warten lassen, könne die Branche mit den in der Fusionsforschung erzielten Technologiesprüngen neue Märkte erschließen. Wird sie zum Erfolg, dann braucht ein einziges Kraftwerk die aktuelle Weltjahresproduktion an Hochleistungslaserdioden sowie zehntausende große Optiken. Selbst bei konservativen Schätzungen würde sich das heutige Umsatzvolumen des Laserweltmarktes schlagartig vervielfachen.
Fusion auf dem AKL‘26
Angesichts solcher Perspektiven wird der AKL – International Laser Technology Congress (22. – 24. April 2026 in Aachen) in verschiedenen Sessions das ökonomische und technologische Potenzial des Zukunftsmarktes Fusion beleuchten. In der Gerd Herziger Session am 23. April 2026 gibt Prof. Constantin Häfner in seinem Vortrag »Laser Power Unleashed: Treiber für Fusionsenergie und industrielle Ökosysteme« aktuelle Einblicke in den Stand der Fusionsforschung und den Status der benötigten Lieferketten. Der Vorstand für Forschung und Transfer der Fraunhofer-Gesellschaft ist ausgewiesener Fusionsexperte und war für die Hochenergielaserentwicklung am LLNL verantwortlich, bevor er in seiner Zeit als Leiter des Fraunhofer ILT und als Berater der Bundesregierung wichtige Impulse für die Fusionsforschung in Deutschland gegeben hat. Er wird auch auf dem Podium der Session mitdiskutieren.
Daran anschließend wird die Session 4, Laserstrahlquellen II vertiefte fachliche Einblicke in die Entwicklung von Hochenergielasern für die Fusion und Sekundärquellen liefern. Auch in Session 7 - Laserstrahlquellen III am 24. April, die sich mit Ultrakurzpulslasern befasst, wird der von Dr. Sarah Klein geleitete Slot »Diodenlaser« Halbleiterlaser für Fusionskraftwerke der Zukunft behandeln.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
