Antireflexlösungen für die Laserträgheitsfusion
Das Forschungsprojekt „nanoAR“ entwickelt innovative Entspiegelungstechnologien und optimiert optische Komponenten für Laserfusionskraftwerke. Durch Nanostrukturen und monolithische Materialien werden Reflexionsverluste reduziert und Belastbarkeit erhöht. Die Ergebnisse sollen auch für andere Hochleistungsoptiken nutzbar sein.
Eine beispielhafte teilentspiegelte optische Komponente.
Foto: Fraunhofer IOF
Um zukünftige Laserfusionskraftwerke effizient und zuverlässig betreiben zu können, müssen aktuelle Lasertechnologien den extremen Anforderungen von hohen Leistungen und Dauerbetrieb gerecht werden. Im Forschungsprojekt „nanoAR“ arbeiten neun Partner aus Industrie und Forschung an neuen Ansätzen zur strukturellen Entspiegelung und Reduzierung von oberflächennahen Schädigungen (Subsurface Damage, SSD) bei optischen Komponenten. Diese Entwicklungen sollen nicht nur für Laserfusionsreaktoren, sondern auch für weitere Hochleistungsoptiken nutzbar sein.
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Laserträgheitsfusion: Präzision und Leistung im Fokus
Die Laserträgheitsfusion nutzt hochenergetische Laserstrahlen, um Brennstoffkapseln zu komprimieren und zu erhitzen. Dabei entstehen Temperaturen und Drücke, die eine Kernfusion auslösen, wodurch eine große Energiemenge freigesetzt wird. Für eine zukünftige Nutzung als saubere Energiequelle müssen die eingesetzten Lasertechnologien jedoch erheblich weiterentwickelt werden. Dr.-Ing. Christian Rieck von der Glatt Ingenieurtechnik GmbH, der das bis 2027 laufende und mit sechs Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt koordiniert, betonte die zentrale Bedeutung dieser Optimierungen für den Erfolg der Laserfusion.
Denn Laserstrahlen müssen extrem präzise ausgerichtet sein, um eine gleichmäßige Kompression der Brennstoffkapsel zu gewährleisten. Doch optische Verluste durch Reflexion an den Grenzflächen der verwendeten Linsen sowie thermische Schäden durch die hohe Laserleistung schränken die Effizienz ein. Traditionelle Antireflexbeschichtungen können bei den enormen Belastungen durch zukünftige Petawatt-Laser nicht standhalten. Zudem machen SSDs, die im Herstellungsprozess entstehen, die Materialien bei Dauerbetrieb mit hoher Repetitionsrate anfällig für Defekte.
Mit höchstauflösenden Geräten lassen sich kleine Schädigungen an Oberflächen erkennen.
Foto: Fraunhofer IMWS
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Neue Ansätze: Nanostrukturen und monolithische Materialien
Das Projekt „nanoAR“ setzt auf zwei innovative Strategien: Nanostrukturierte und -poröse Entspiegelungsschichten auf Materialien mit hoher Bandlücke sollen die Laser-Bestrahlungsfestigkeit erhöhen und Reflexionsverluste minimieren. Gleichzeitig wird ein Ansatz mit monolithischen Materialien verfolgt, bei dem die gewünschte Entspiegelung durch gezielte Nanostrukturierung der Materialoberfläche erreicht wird. Dieser Ansatz verzichtet auf zusätzliche Beschichtungsschichten und minimiert thermische Spannungen zwischen Substrat und Beschichtung.
Demonstratoren aus Quarzglas und Calciumfluorid, die für unterschiedliche Laserwellenlängen und Pulslängen optimiert sind, sollen die Wirksamkeit dieser Methoden belegen. Ziel ist es, Restreflexionen unter 0,5 % zu erreichen, wodurch die Technologie für Hochleistungsanwendungen wie die Laserträgheitsfusion nutzbar wird. Prof. Dr. Thomas Höche vom Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen erklärte, dass die entwickelten Technologien auch Anwendungen in anderen Bereichen der Hochleistungsoptik finden könnten.
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Vielfältige Expertise für ein ehrgeiziges Ziel
Das Konsortium aus neun Projektpartnern vereint Fachkenntnisse in Materialherstellung, Prozessentwicklung, Nanostrukturerzeugung sowie Materialcharakterisierung und Qualitätssicherung. Dazu zählen Unternehmen wie die Glatt Ingenieurtechnik GmbH, die POG Präzisionsoptik Gera GmbH und die FLP Microfinishing GmbH sowie führende Forschungseinrichtungen wie das Fraunhofer IOF, das Fraunhofer IMWS und das Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung. Die Zusammenarbeit ermöglicht eine technologieoffene Entwicklung, die durch Simulationen und Modellierungen unterstützt wird.
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Eine Vision für die Zukunft der Energieversorgung
Das Projekt „nanoAR“ verfolgt das Ziel, optische Komponenten zu entwickeln, die den extremen Bedingungen zukünftiger Fusionskraftwerke standhalten. Diese Technologien könnten dazu beitragen, Laserfusionsreaktoren als saubere und zuverlässige Energiequelle zu etablieren. Gleichzeitig eröffnen die Ergebnisse neue Perspektiven für den Einsatz in der Hochleistungsoptik und tragen zur technologischen Weiterentwicklung in anderen Industrien bei. Mit der strukturellen Entspiegelung bietet das Projekt nach Angaben der Beteiligten einen entscheidenden Beitrag zur Lösung zentraler Herausforderungen der Laserfusion und zur Optimierung moderner Hochleistungslaseranwendungen.
