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DESY News: Fördermittel für die Entwicklung eines Fusionsenergie-Lasers
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Fördermittel für die Entwicklung eines Fusionsenergie-Lasers
Ein Forschungsteam aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von DESY, der Universität Hamburg, dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, der Universität Rostock und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik hat Gelder in Höhe von 14 Millionen Euro für das Projekt IFuEL (Inertial Fusion Energy Laser Development and HED-Analytics, „Entwicklung von Trägheitsfusionsenergie-Lasern und HED-Analytik“) erhalten. Das Projekt soll eine hocheffiziente und skalierbare Lasertechnologie für die Fusionsforschung entwickeln und testen. Die Förderung ist Teil des Programms „Fusion 2040” des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) und konzentriert sich auf einen vielversprechenden Ansatz in der Fusionsenergieforschung: die Trägheitsfusion. Die durch diese Förderung ermöglichte Lasertechnologie wird auch für die fusionsrelevante Materialforschung an der DESY-Lichtquelle PETRA III und deren zukünftiger Weiterentwicklung PETRA IV eingesetzt werden.
Die Trägheitsfusion (englisch „inertial confinement fusion“, ICF) ist seit einem bahnbrechenden Experiment an der National Ignition Facility in den Vereinigten Staaten im Jahr 2022 zu einem wichtigen Thema geworden. Bei diesem Experiment wurden zwei schwerere Formen von Wasserstoff, Deuterium und Tritium, mit extrem hochenergetischen Lasern so komprimiert, dass ein Fusionsprozess ausgelöst wurde, der auch in der Sonne und anderen Sternen stattfindet. Das Experiment aus dem Jahr 2022 war die erste Demonstration von Fusion, bei der die gewonnene Energie größer war als die eingesetzte Energie.
„Um ICF zu einer praktikablen und nachhaltigen Energiequelle für die Zukunft zu machen, müssen wir in der Lage sein, hocheffiziente Hochenergielasersysteme zu bauen, die mit viel höheren Repetitionsraten als die heutigen Laser arbeiten können“, sagt Franz Kärtner, Hauptforscher des IFuEL-Projekts, Leitender Wissenschaftler am DESY und Professor für Physik an der Universität Hamburg. „Hier wird IFuEL mit dem Fachwissen und dem technischen Know-how, das wir über einen langen Zeitraum hinweg erworben haben, einen Beitrag leisten.“
Für ein Lasersystem, das in einem zukünftigen ICF-Kraftwerk eingesetzt werden soll, ist eine neuartige Lasertechnologie unerlässlich. Seit vielen Jahren entwickelt Kärtners Gruppe Laser auf der Basis kryogen gekühlter Yb:YLF-Kristalle, unterstützt durch den ERC Synergy Grant AXSIS und den Exzellenzcluster CUI: Advanced Imaging of Matter (AIM) der Universität Hamburg. Die Yb:YLF-Lasertechnologie könnte die Effizienz alternativer Hochenergie- und Hochleistungslasertechnologien verdoppeln und gleichzeitig die Kosten um etwa das Zehnfache senken.
„Die Förderung durch das BMFTR wird uns helfen zu zeigen, dass wir einen 200-Joule-Yb:YLF-Laser bauen können, der als Baustein für ein viel größeres Lasersystem in einem ICF-Kraftwerk dienen könnte“, sagt Mikhail Pergament, Leiter der Laserwissenschaft und Technologieentwicklung in Kärtners Gruppe. „Wir betreiben zwar bereits Yb:YLF-Lasersysteme mit ähnlicher Leistung, aber die größte Herausforderung bei IFuEL besteht darin, gleichzeitig zu zeigen, dass wir Impulse der 100-Joule-Klasse mit hoher Energieeffizienz auf skalierbare Weise erzeugen können, mit dem Ziel, in Zukunft Impulsenergien im Millionen-Joule-Bereich für die Fusion zu ermöglichen.“
Das Team wird den Laser nicht nur entwickeln, sondern auch in der fusionsrelevanten Materialforschung an allen vier Partnerinstituten testen. Das Team wird bei DESY eine Kammer für hochintensive Laser-Materie-Wechselwirkungen bauen, in der sich ein Wasserstoffstrahl befindet, der als Ziel für den Laser dienen wird. Teile des Strahltransportsystems, das den Laser zum Wasserstoffstrahl lenkt, werden vom HZDR, einem weiteren Helmholtz-Forschungszentrum, entwickelt und gebaut. Das HZDR verfügt über langjährige Erfahrung im Betrieb von Hochleistungslasern und Kryojet-Experimenten in seiner Lasereinrichtung DRACO und am European XFEL. Forschende der Universität Rostock werden das Plasma und die damit verbundenen Ionenschauer charakterisieren, die entstehen, wenn der Laser auf den Wasserstoffstrahl trifft. Das Team wird das Plasma analysieren, um potenzielle Materialien für die Wand eines Fusionsreaktor-Prototyps zu testen.
Mit Hilfe von PETRA III und DESYs NanoLab wird das Team verschiedene Reaktorwandmaterialien unter fusionsrelevanten Bedingungen prüfen. Diese Materialien, die als plasma-facing materials (PFM) bezeichnet werden, müssen eine besondere Beständigkeit haben, damit sie in einem Fusionsreaktor eingesetzt werden können. „Diese neue Plattform für die Prüfung bestehender und neuartiger PFM auf Ionen, die aus dem Plasma freigesetzt werden, wird DESY zu einer der zukünftigen Testanlagen machen, die zum Fusionsforschungsökosystem beitragen, das das BMFTR in Deutschland aufbaut“, sagt Hanns-Peter Liermann, Beamline-Wissenschaftler und verantwortlich für die Extreme Conditions Beamline bei PETRA III.
Hauke Heekeren, Präsident der Universität Hamburg, sagt: „Das IFuEL-Projekt ist ein gutes Beispiel dafür, wie unsere Exzellenzuniversität zusammen mit DESY und starken Partnern aus der Helmholtz-Gemeinschaft und der angewandten Forschung einige der grundlegendsten technologischen Herausforderungen der Zukunft angeht. Mit der Entwicklung hocheffizienter Lasersysteme für die Fusionsforschung leisten wir einen wichtigen Beitrag auf dem Weg zu einer nachhaltigen Energieversorgung und stärken die internationale Sichtbarkeit Hamburgs als führendes Wissenschaftszentrum.“
„Dieses spannende neue Projekt nutzt die Stärken von DESY in der Forschung mit Photonen optimal, von der Entwicklung neuer Lasertechnologien bis hin zu den analytischen Fähigkeiten des Forschungszentrums an PETRA III und dem zukünftigen PETRA IV-Projekt“, sagt Britta Redlich, Direktorin für den Bereich Forschung mit Photonen bei DESY.
Das Projekt wird auch die Rolle von DESY in der kürzlich angekündigten Fusionsallianz stärken, in der sich die Bundesländer Hamburg und Schleswig-Holstein zusammen mit DESY und European XFEL mit vier weiteren Bundesländern zur Fusionsforschung zusammengeschlossen haben. Beate Heinemann, Vorsitzende des DESY-Direktoriums, sagt: „DESY kann einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung von Technologien für die laserbasierte Fusion leisten – und dank der Förderung durch das BMFTR wird IFuEL dies nun ermöglichen.“
