Optische Materialien und Laserglas von SCHOTT: Das „Herz“ der Kernfusionsforschung
Pionierarbeit für das scheinbar Unmögliche: Der Nachbau der Sonne
Fusionsreaktionen sind der Grund, warum die Sonne und die Sterne in unserer Galaxie Energie abstrahlen. Eine unendliche Menge an Wasserstoffatomen prallen dabei ständig mit solcher Wucht aufeinander, dass sie sich verbinden und dabei Energie in Form von Licht und Wärme freisetzen. Eine solche Reaktion hier auf der Erde nachzubauen und zu kontrollieren, würde bedeuten, eine Energiequelle zu erschließen, die weder auf fossile Brennstoffe angewiesen ist, noch schädliche Treibhausgase oder radioaktive Abfälle produziert.
Leider ist es nicht so einfach, die Kraft der Sonne nachzubilden.
Das weltgrößte Lasersystem, angetrieben von SCHOTT Materialien:
Hintergrund
Um das weltgrößte Lasersystem mit solcher Wucht auf ein winziges Wasserstoff-Kügelchen zu schießen, dass subatomare Teilchen kollidieren und miteinander verschmelzen, ist eine enorme Energiemenge erforderlich. Und jahrzehntelang ist es den Forscher*innen nicht gelungen, eine Kernfusionsreaktion zu erzeugen, die mehr Energie erzeugte, als sie verbrauchte – eine Schwelle, die sie „Zündung“ nennen.
Außerhalb des Experiments selbst standen die NIF-Wissenschaftler*innen vor einer logistischen Herausforderung. Jedes Mal, wenn die hochenergetischen Laserstrahlen auf ihr Ziel trafen, wurden durch die daraus resultierende Explosion gefährliche Trümmer in alle Richtungen geschleudert. Der verursachte Schaden schränkte die Frequenz der Experimente ein und wurde zu einem großen Hindernis des Fortschritts.
Aufgabe
Forscher am NIF hatten zwei Probleme. Erstens brauchten sie ein Material, das nicht nur riesigen Mengen an Energie standhält, sondern das Laserlicht gleichzeitig filtert und sogar verstärkt. Auf diese Weise wollten sie die Energiemenge, die zum Abfeuern der Laser benötigt wird, gering halten und so die Wahrscheinlichkeit einer Zündung erhöhen.Zweitens brauchten sie Schutzschilde, die die fein abgestimmten Optiken innerhalb des Lasersystems vor Beschädigung durch das Experiment schützen würden. Aufgrund der hohen Anzahl an Experimenten, sollten diese Schutzschilde kostengünstig und schnell zu fertigen sein.
Die Lösung
Mit fast 140 Jahren Kompetenz in den Bereichen Material und Produktion arbeitete SCHOTT eng mit Wissenschaftler*innen des NIF zusammen, um zu erfahren, wie sich Änderungen in der Glaszusammensetzung auf die Lasereigenschaften und die mechanischen Abläufe auswirken können. Diese enge Zusammenarbeit führte nicht nur zur Entwicklung einer völlig neuen Glaszusammensetzung entsprechend der spezifischen Spezifikationen des NIF, sondern auch zur Entwicklung eines neuen, deutlich effizienteren Herstellungsprozesses, der es NIF ermöglichte, mehr Experimente als je zuvor durchzuführen.
Durch die Entwicklung eines neuen Schmelzverfahrens seitens SCHOTT konnte NIF die Häufigkeit ihrer Experimente erhöhen.
BOROFLOAT® wurde 1993 an den Markt gebracht und ist nicht nur mechanisch, thermisch und chemisch widerstandsfähig, sondern auch außergewöhnlich transparent.
Eine Synthese aus einzigartigem Spezialglas ermöglicht die Forschung des NIF
Spezialglasversiegelung:
Die Kompetenz von SCHOTT im Bereich der Glasversiegelung ermöglichte es NIF, dichte und haltbare Verbindungen zu bilden und Schmelzglasstäbe zu implementieren, die nicht nur beständig gegen hohe Temperaturen und widerstandsfähig gegen Temperaturschocks sind, sondern auch eine hervorragende Lichtdurchlässigkeit haben.
BOROFLOAT® Glas:
Robust, leicht und vielseitig: BOROFLOAT® – ein gefloatetes Borosilicatglas mit geringer Wärmeausdehnung – trotzt selbst den anspruchvollsten Umgebungen und behält gleichzeitig eine hervorragende Transparenz. Daher ist es das ideale Material, um die fein ausgerichteten NIF-Optiken vor Beschädigung durch Trümmerteile zu schützen.
Polarisatoren, Spiegelsubstrate, Blitzlampen, Laserplatten und mehr:
Die kontinuierlichen Schmelzwannen und Schmelztiegel von SCHOTT ermöglichten die Herstellung von maßgeschneiderten Glaskomponenten für verschiede spezifische Anwendungen. Für NIF stellte SCHOTT mehr als 4.000 spezifische Komponenten her.
Wie SCHOTT Glas die Laserenergie verstärkt und leitet, um die Fusionszündung zu erleichtern
Ein Laserpuls, der nur ein paar Milliardenstel Joule beträgt, wird durch optischen Fasern zu 48 Vorverstärkern aus Nd-dotiertem Phosphat Laserglas geleitet, die die Energie des ursprünglichen Lasers mehrere Milliarden Male verstärken und in Form bringen. Laserspiegel und Linsen leiten den Strahl durch zwei größere Verstärker aus Laserglas. Dank spezieller Optiken wiederholt das Laserlicht diesen Vorgang viermal – und das alles, während Spiegel, Filter und andere optische Gläser einen gleichmäßigen, hochwertigen und glatten Strahl erzeugen.
Kurz bevor sie das Ziel erreichen, durchlaufen die Laserstrahlen die letzte optische Einheit, die 4 Millionen Joule Infrarotenergie in 2 Millionen Joule Ultraviolettenergie umwandel, da die kürzere Wellenlänge besser für die Zündung geeignet ist. Diese ultraviolette Energie kollidiert mit dem Ziel, verdichtet den Brennstoff aus Wasserstoffbrenn auf das 100-fache der Dichte von Blei und erzeugt Temperaturen von mehr als 100.000.000 °C – für nur einen Bruchteil einer Sekunde ist die NIF der heißeste Ort in unserem Sonnensystem.
Was einst als unmöglich galt, ist heute Realität – und das ist erst der Anfang.
Der Weg zu bahnbrechender Forschungsarbeit wird durch Zusammenarbeit geebnet.
Um die optimale Materiallösung für hochtechnische Herausforderungen zu finden, ist höchste Sorgfalt erforderlich.
Laserglas – der Schlüssel zur Kernfusion?
Dank einzigartiger technischer Eigenschaften, wie zum Beispiel der Materialhomogenität, ist Glas ein ideales Trägermaterial für die Seltene-Erden-Ionen, die optisch gepumpten Lasern ihre Leistung verleihen. Der Homogenitätsgrad und der Brechungsindexbereich bestimmen dabei die Qualität eines optischen Materials. SCHOTT kann diese Eigenschaften in seinen Laserglasprodukten und optischen Komponenten so anpassen und optimieren, dass sie genau auf die hochtechnischen, optischen und industriellen Anforderungen des NIF Lasers zugeschnitten sind.
Dauerhafte Belastbarkeit von BOROFLOAT® Borosilicatglas
Das gefloatete Borosilicatglas von SCHOTT schützt die wertvollen NIF-Optiken vor Schäden. BOROFLOAT® ist nicht nur außergewöhnlich transparent, sondern auch mechanisch, thermisch und chemisch widerstandsfähig – und damit das ideale Material, um die NIF-Optiken vor bei der Fusionsreaktion entstehenden Trümmern zu schützen. Im von SCHOTT entwickelte Microfloat-Produktionsverfahren entsteht ein Material mit hervorragender Oberflächenqualität und herausragenden abrieb- und kratzfesten Eigenschaften. Dadurch hält BOROFLOAT® auch den anspruchsvollsten industriellen Umgebungen stand.
Produktion: Ein Fazit
Es besteht kein Zweifel daran, dass bei der Entwicklung des Laserglases, das NIF zur Zündung verhalf, ein hohes Maß an materialwissenschaftlicher und technischer Kompetenz entscheidend war. Dazu kommt eine ebenso fundierte und langjährige Erfahrung in der Herstellung von Spezialglas.
In ihrem Werk in Duryea, Pennsylvania, leisteten die Optikexperten von SCHOTT Pionierarbeit bei der Entwicklung eines kontinuierlichen Schmelzverfahrens zur Herstellung großer Laserglasplatten, die dann in einem weiteren Herstellungsschritt in kleinere Stücke geschnitten werden konnten. Während frühere Herstellungsverfahren nur ein Substrat pro Tag lieferten, führte dieser neue Schmelzprozess zu einer deutlich höheren Ausbeute. So konnte NIF letztlich die Häufigkeit der Experimente erhöhen.
Verwendete Materialien
Bill James
Vice President Forschung & Entwicklung SCHOTT North America