Um die lasergezündete Trägheitsfusion (Inertial Fusion Energy; IFE) erfolgreich aus dem experimentellen Stadium in industrielle Anwendungen zu überführen, bündeln zwei weltweit führende Forschungseinrichtungen ihre Kräfte, sowie ihr Laser-Design- und Simulations-Know-how. Im Projekt ICONIC-FL – das Kürzel steht für International Cooperation on Next-gen Inertial Confinement Fusion Lasers – gleichen das amerikanische Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen ihre hoch entwickelten Laser-Simulationsmodelle ab. Ihre gemeinsame Zielsetzung ist die Entwicklung von Hochenergielasern, die nicht nur zünden, sondern im 24/7-Kraftwerksbetrieb maximal effizient laufen. Hierbei kommt es auf präzise und höchstgenaue Vorhersagen der Laser-Performance an. Computersimulationen spielen daher eine zentrale Rolle bei der Entwicklung der Laserarchitektur.

Seit dem historischen Durchbruch am LLNL im Dezember 2022, bei dem erstmals mehr Energie aus einer Fusion gewonnen als per Laser eingebracht wurde (Ignition), steht die Fusionsforschung vor ihrer nächsten großen Hürde: der technologischen Skalierung.

Vom Experiment zum Kraftwerk: Die nächste große Hürde
In der National Ignition Facility lag der Fokus auf plasmaphysikalischen Fragestellungen; etwa, welcher Bedingungen es bedarf, um die Fusionstreibstoff Deuterium-Tritium auf über 100 Millionen Grad zu erhitzen, extrem zu verdichten und eine selbsterhaltende Fusionsreaktion auszulösen. Diese setzt mehr Energie frei als von außen durch Laser in die Brennstoffkapsel – das Target – eingebracht wird. Sei dem Durchbruch Ende 2022 hat das LLNL mehrfach mit steigendem Energieertrag gezeigt, dass das physikalische Wirkprinzip funktioniert. Für ein zukünftiges Kraftwerk wird eine Einzelzündung nicht genügen: vielmehr braucht es kontinuierlich ca. 15 Schüsse pro Sekunde (!). Das setzt den Einsatz effizienter diodengepumpter Festkörperlaser (DPSSL) voraus, die zigmal pro Sekunde feuern können.

Für deren Entwicklung bündeln mit dem LLNL und dem Fraunhofer ILT nun zwei Laser-Schwergewichte ihr komplementäres Know-how: Während das LLNL jahrzehntelange Erfahrung aus der Hochenergielaser-Technologie mitbringt, ist das Aachener Institut in der Entwicklung und industriellen Skalierung von DPSSL weltweit führend.

Virtueller Stresstest für die Hardware von morgen
Vor dem Bau teurer Prototypen gilt es, das Laserdesign in Simulationen abzusichern. Im Projekt ICONIC-FL verfolgen die Partner das gemeinsame Ziel, die Verstärkungsstufen von Hochenergielasern so detailliert wie möglich zu simulieren – und so die Grundlage für ein späteres Design zu erarbeiten. Der Fokus liegt dabei auf dem Herzstück der Anlage: den Laserverstärkern. Diese verstärken einen zunächst kleinen Laserpuls zu jenen Laserenergien, die für Fusion benötigt werden. In diesen Laserpulsen übertragen die Photonen eine Energie von vielen Millionen Joule. Dabei kommen Lasermedien zum Einsatz, die aus Stapeln von Laser-Glas- oder Kristallplatten mit bis zu 40 cm x 40 cm Fläche und wenigen Millimetern Dicke bestehen und die im Betrieb mit transparenten Kühlmedien gekühlt werden. Dabei sind die Verstärkerplatten enormen thermischen und optischen Belastungen ausgesetzt.

»Ein 24/7-Betrieb führt zu Aufheizung, Brechungseffekten und Aberrationen, die den Laserstrahl verzerren könnten. Hier fallen auch kleinste, nicht vorhergesagte Effekte ins Gewicht und führen entweder zu Effizienzverlusten oder zu direkten Schädigungen der Optik. Wir wollen genau verstehen, was in der einzelnen Platte vor sich geht, um im Anschluss auch komplexe Plattenstapel präzise simulieren zu können«, erklärt Johannes Weitenberg, Projektleiter am Fraunhofer ILT.

Unabhängige Cross-Validierung: Sicherheit durch zwei Modelle
Im Forschungsprojekt werden die Partner ihre jeweiligen über viele Jahre gereiften Simulationslösungen abgleichen, um zu immer detailgetreueren und realitätsnäheren Simulationen zu gelangen. Dieser systematische Abgleich der Simulationen und deren Überkreuz-Validierung erfolgt ohne Austausch des eigentlichen Codes. »Es geht nicht darum, die Simulationsmodelle zusammenzuführen, sondern voneinander zu lernen und unsere Ergebnisse doppelt abzusichern«, stellt Weitenberg klar. Dennoch ist dieses methodische Vorgehen wissenschaftlich, technisch und wirtschaftlich extrem wertvoll: Denn indem die Partner ihre jeweiligen, in unterschiedlichen Anwendungsfeldern zur Reife gebrachten Codes unabhängig voneinander auf dasselbe Design anwenden, garantieren sie maximale Robustheit und Zuverlässigkeit der Simulationsvorhersagen. Dieses Vorgehen kann die Entwicklung von Lasern für reale Kraftwerke entscheidend beschleunigen – und kostspielige Fehlentwicklungen in einem milliardenschweren Prozess umgehen.

Die Kooperation vereint die seit den 1990er Jahren systematisch auf- und ausgebauten Spitzenkompetenzen beider Institute, um die Entwicklungszeit massiv zu verkürzen. Durch die Absicherung der Designs in der Simulation vermeiden die Partner nicht nur technische, sondern auch enorme finanzielle Risiken: Bei bis zu 400 Strahlengängen in künftigen Kraftwerksdesigns kann jedes noch so kleine, übersehene Detail auf dem Weg zur Serienreife immense Kosten verursachen.

Strategische Partnerschaft für saubere Energie
»Der Übergang von der Grundlagenforschung zur Kraftwerksentwicklung erfordert die schnelle, robuste Entwicklung neuer Lasersysteme. Die Expertise des Fraunhofer ILT in der industriellen Skalierung diodengepumpter Laser ist für die Beschleunigung unseres IFE-Programms von entscheidender Bedeutung. In dieser transatlantischen Kooperation werden wir die technologische Basis für das Fusionskraftwerk effizient festigen«, erklärt Tammy Ma, Leiterin der Fusionsforschung am LLNL. Prof. Constantin Häfner, Vorstand für Forschung und Transfer der Fraunhofer-Gesellschaft, unterstreicht: »Wir befinden uns in der entscheidenden Dekade der Fusionsenergie. Damit die Trägheitsfusion ihr volles Potenzial entfaltet, brauchen wir die Entwicklung neuer Laserarchitekturen mit kompromissloser Perfektion. Die Bündelung der Expertise von LLNL mit der industriellen Skalierungskompetenz der Fraunhofer-Gesellschaft und ihrem Aachener Institut ist eine schlagkräftige Antwort auf diese Herausforderung. Hier legen wir das Fundament für zukünftige Kraftwerke«.

Fusionskraftwerke könnten 24/7 wettbewerbsfähigen, klimaneutralen Strom erzeugen und damit zu einer wichtigen Ergänzung für volatile Erneuerbare Energien werden. Mit ICONIC-FL legen Deutschland und die USA gemeinsam den rechnerischen Grundstein für diese Zukunftstechnologie.