Executive Summary
Ein Forschungsteam aus fünf Instituten – koordiniert vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und der Universität Hamburg – erhielt eine Förderung von 14 Millionen Euro für das Projekt IFuEL (Entwicklung von Trägheitsfusionsenergie-Lasern und HED-Analytik)[1]. Ziel ist die Entwicklung einer neuartigen, hocheffizienten und skalierbaren Lasertechnologie, mit der sich Trägheitsfusionsexperimente realisieren lassen. Im Kern stehen kryogen gekühlte Yb:YLF-Festkörperlaser: Ihre theoretisch doppelt so hohe Effizienz und wesentlich geringeren Kosten (Faktor 10) machen sie gegenüber herkömmlichen Fusionslasern überlegen[2]. IFuEL umfasst sowohl die Laserentwicklung als auch Experimente an Laserpuls-Plasma-Interaktionen und Fusionsmaterialien. Das Projekt stärkt die deutsche Fusionsforschung im Rahmen des neuen nationalen Programms Fusion 2040[3][4] und dient als wichtiger Brückenschlag zwischen Grundlagenforschung (Photonik) und Anwendung (Fusionsenergie). Ein grober Zeitplan sieht Phasen von 2026 bis etwa 2029 vor. IFuEL könnte einen bedeutenden Beitrag zum langfristigen Ziel leisten, in den kommenden Jahrzehnten Demonstrationsreaktoren auf ICF-Basis zu ermöglichen und damit den Weg zu einer klimaneutralen Energieversorgung zu ebnen[5][6].
Kontext:
Trägheitsfusion, HED-Analytik und Rolle der Laser
- Trägheitsfusion (Inertial Confinement Fusion, ICF): Bei der ICF werden kleine Brennstoffpellets (Deuterium-Tritium)
mit extrem kurzen Laserpulsen so stark verdichtet und erhitzt, dass eine
thermonukleare Fusion einsetzt. Ein Meilenstein war das NIF-Experiment
2022, bei dem erstmals mehr Energie durch Fusion freigesetzt wurde als
durch Laser eingebracht[7][8]. Diese Ignition-Ergebnisse haben weltweit die Forschung
vorangetrieben. Dennoch besteht bei ICF weiterhin die Herausforderung, die
hohen Energien und Wiederholraten für einen Kraftwerksbetrieb zu erreichen.
- Hochenergiedichtephysik (HED) und Analytik: HED-Physik befasst sich mit Materiezuständen unter extremen
Drücken und Temperaturen, wie sie in Fusionsplasmen auftreten. HED-Analytik
meint hier insbesondere die experimentelle Diagnose solcher Plasmen (z.B.
Ionen- und Photondetektoren), um Fusionsreaktionen und
Materialinteraktionen zu untersuchen. Im IFuEL-Projekt wird HED-Analytik
eingesetzt, um Laserpuls-Plasma-Interaktionen und „plasma-facing
materials“ zu charakterisieren[9][10]. Dabei kommen DESYs Röntgenquellen (PETRA III/NanoLab) und
spezielle Detektoren zum Einsatz.
- Rolle der Laser: Laser sind das zentrale
Werkzeug der Trägheitsfusion, weil sie das Brennstoffplasma in
Nanosekundenspannen komprimieren. Anders als in der Magnetfusion (Tokamak)
muss bei ICF ein sehr leistungsstarker, kurz periodischer Puls (oder
mehrere, oft kombiniert über Opitksysteme) eingesetzt werden. Herkömmliche
Anlagen wie die NIF verwenden mehrere gepulste Nd:Glass-Laser mit sehr
niedriger Wiederholrate. IFuEL setzt hingegen auf diodengepumpte
Yb:YLF-Festkörperlaser mit Kryokühlung. Diese Technologie verspricht
eine verdoppelte Effizienz und eine Kostenreduktion um etwa den
Faktor 10 gegenüber herkömmlichen Hochleistungs-Festkörperlasern[2]. Der Einsatz von Yb:YLF ermöglicht zudem höhere Pulsfrequenzen
(bis zu zehn Pulse pro Sekunde) und eine insgesamt skalierbare
Architektur.
Zusammengefasst
zeigt der Kontext: ICF hat großes Potenzial als saubere Energiequelle (erstmals
2022 praktisch demonstriert)[7][8].
Die benötigten Laser sind aber derzeit ineffizient und langsam. IFuEL zielt
darauf ab, diesen Engpass zu überwinden, indem moderne Festkörperlaser-Systeme
und fortgeschrittene Diagnostik (HED-Analytik) kombiniert werden. Dies schließt
sowohl Grundlagenforschung an Plasmen als auch technologische Entwicklung neuer
Lasersysteme ein.
Projektbeschreibung
Ziele: Das Projekt IFuEL hat das Ziel, Laseranlagen zu entwickeln, die
in einem künftigen Trägheits-Fusionskraftwerk eingesetzt werden können. Konkret
sollen Yb:YLF-Kristallverstärker so ausgelegt werden, dass sie
Hochenergie-Pulse mit über 100 J (Nanosekundenbereich) bei
Wiederholraten von bis zu 10 Hz erzeugen können[11]. Der Fokus liegt dabei
auf hoher Energieeffizienz: Die neuartige Laserarchitektur könnte den Gesamtwirkungsgrad
von Fusionslasern etwa verdoppeln und die Kosten radikal senken[2]. Dabei wird IFuEL
schrittweise vorgehen:
- Laserarchitektur
und Effizienz: Langjährig arbeitet die Gruppe um
Prof. Kärtner (UHH/DESY) an Yb:YLF-Lasern. Die Kryokühlung reduziert
Wärmeverzerrungen, wodurch höhere Leistung und Pulse möglich werden[2]. IFuEL baut auf
diesem Stand auf: Als Zwischenziel wird die Konstruktion eines 200-Joule-Yb:YLF-Lasers
realisiert[12]. Dieser dient als
Prototyp, der später zu einem modularen System mit vielen Verstärkern
erweitert werden kann. Die Energieeffizienz soll dabei über 10 % liegen –
etwa doppelt so hoch wie bei konventionellen Solid-State-Systemen.
- Skalierbarkeit: Die Laseranlage soll modular erweiterbar sein, um langfristig
Pulsenergien im Megajoule-Bereich zu erreichen. Die
Projektmitarbeiter planen, mehrere Verstärkerstufen in Serie
(Mehrfachverstärkung) zu betreiben. Über Simulationen und
Parallelschaltungen werden Komponenten so ausgelegt, dass sie später zu
hunderten Strahlkanälen in einem Kraftwerksmaßstab ausgebaut werden
können. Erste Experimentieraufbauten werden im Niedrigenergie-Bereich
(100–200 J) validiert, um Designprinzipien zu überprüfen[11][12].
- Geplante
Experimente und Testumgebungen: Das Team wird
sowohl Laserprototypen als auch eine Laser-Plasma-Interaktionskammer
entwickeln. In DESY-Laboren wird eine Vakuumkammer aufgebaut, die einen Hochgeschwindigkeits-Wasserstoffjet
(Deuteriumgasstrome) als Ziel enthält[9]. Darin können die
Laserpulse fokussiert werden, um Fusionsplasmen anzuregen. HZDR wird das
Strahlführungssystem und kryogene Komponenten beisteuern (ähnlich wie beim
DRACO-Laser), während Rostocker Forscher die Plasma- und Ionenmessungen
durchführen[9]. Das freigesetzte
Plasma und die Ionenschauer werden analysiert, um
Brennstoff-Zündbedingungen zu charakterisieren und potenzielle
Wandmaterialien zu testen.
- Materialtests: Parallel nutzt das Team DESYs PETRA-III-Röntgenquelle und das
NanoLab, um plasma-facing materials (PFM) – also
Fusionsreaktormaterialien – unter Hochenergiedichtebedingungen zu prüfen[13]. Dazu werden
Materialproben den aus dem Plasma freigesetzten Ionen und Röntgenstrahlung
ausgesetzt, um Alterung oder Schädigung zu messen. Dieses Verbundvorhaben
ermöglicht erstmals eine kombinierte Testplattform aus Hochleistungslaser-
und Röntgenanalytik.
- Meilensteine und
Zeitplan: Grob skizzierte Projektphasen (pro
Jahr) sind:
|
Meilenstein |
Zeitraum |
Geschätztes Budget |
|
Projektstart: Aufbau des Teams, erste Konzepte und Designs für die
Yb:YLF-Systeme |
2026 |
~3 Mio € (hauptsächlich Personal, Aufbau einfacher Prototypen) |
|
Konstruktion und Test eines 100–200 J-Yb:YLF-Verstärkers, initiale
Laserläufe |
2027 |
~4 Mio € (Ausrüstung: Laser, Pump-Module, Kühlung, Messtechnik) |
|
Bau der Hochintensitäts-Kammer am DESY (Vakuum, Wasserstoffjet) und
erste Experimentläufe mit Partnern (HZDR, Rostock) |
2028 |
~4 Mio € (Laboreinrichtung, Betriebskosten, Abschirmung) |
|
Abschlussphase: Integration aller Komponenten, umfassende
Laserpuls-/Materialtests, Auswertung und Publikation |
2029 |
~3 Mio € (Datenanalyse, Projektmanagement, Publikationen) |
Hinweis: Die Zahlen sind grobe Vorschläge.
Detaillierte Budgets sind nicht öffentlich. Unbekannt ist etwa die Aufteilung
auf Personal vs. Geräte.
·
Technische
Herausforderungen: Die Bau- und Testphasen müssen
mehrere kritische Probleme lösen. Zum einen muss der Laserbetrieb im
Dauerbetrieb (24/7-Betrieb) funktionieren. Dies stellt hohe Anforderungen an
Kühlung und Stabilität: Kleine optische Aberrationen oder Überhitzung können
Pulse verzerren oder Optiken beschädigen[14]. Zum anderen ist die
Synchronisation bei hohen Pulsraten anspruchsvoll. Zur Vermeidung teurer
Entwicklungsfehler werden Simulationen eingesetzt – analog zum LLNL-Fraunhofer-Kooperationsprojekt
“ICONIC-FL”[15]. Letztlich zielt IFuEL
darauf ab, diese Risiken frühzeitig zu adressieren, indem in kleinem Maßstab
(100 J-Pulse) getestet und erst bei Erfolg hochskaliert wird.
flowchart LR
F[Förderung:
BMFTR (Fusion 2040)] --> P[Projekt IFuEL<br/>(Koordination: DESY
& UHH)]
P -->
D[DESY: Photonentechnologie, Entwicklung des Yb:YLF-Systems, Aufbau der
Testkammer]
P -->
U[Uni Hamburg: Physik der Yb:YLF-Laser (Cluster CUI/AIM), Prototyp-Entwicklung]
P -->
H[HZDR (Dresden): Hochleistungslaser-Expertise (DRACO), Kryotechnik,
Strahlführung]
P -->
R[Rostock: HED-Plasmaphysik, Diagnose von Ionen- und Photonenausstoß]
P -->
I[Fraunhofer ILT (Aachen): Laser-Engineering, Simulation, industrielle
Skalierung]
Abbildung: Struktur des IFuEL-Verbunds und Zuständigkeiten der Partner
(Fördergeber–Projekt–Institutionen mit Kernkompetenzen).
Beteiligte Institute
und ihre Rollen
- DESY: Als Großforschungseinrichtung mit
Schwerpunkt Photonenteilchenforschung leitet DESY (gemeinsam mit der UHH)
das Projekt[1].
Am Standort Hamburg werden die Laserprototypen entwickelt. Prof. Franz
Kärtner (DESY/UHH) führt als Hauptforscher die lasertechnische Entwicklung
an. DESY stellt zudem die Testinfrastruktur: die hochintensive
Laser-Plasmakammer sowie die Röntgenanalyse-Anlagen
(PETRA III/NanoLab)[13].
- Universität Hamburg (UHH): Die UHH ist
die wissenschaftliche Heimat der Projektkoordinatoren (u.a. Prof.
Kärtner). In der Exzellenzinitiative CUI: Advanced Imaging of Matter
(AIM) hat die Physikfakultät langjährige Erfahrung mit ultraschneller
Laserspektroskopie. Das Team liefert Konzepte für die
Verstärkerarchitektur und unterstützt bei Experimenten. Prof. Kärtner und
Mitarbeiter entwickeln die Kryolasertheorie und verstärkten Kristalllaser[2].
- Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR): In Sachsen gilt das HZDR als zentrale Einrichtung für
Hochenergiedichtephysik und laserinduzierte Fusion[10].
HZDR betreibt die Laseranlage DRACO und langjährige
Kryojet-Experimente. Im IFuEL-Verbund entwickelt HZDR Komponenten für den
Strahltransport und die Kühlung (z.B. Pumpquellen, Kryostate)[9].
Außerdem steuert HZDR seine Erfahrung in Hochleistungs-Lasermesstechnik
bei.
- Universität Rostock: Die Rostocker
Physikfakultät hat eine Arbeitsgruppe für Hochenergiedichtephysik,
geleitet von Prof. Dominik Kraus. Sie übernimmt primär die Plasmaphysik
und Diagnostik. Insbesondere baut Rostock den experimentellen Aufbau
rund um den Wasserstoffjet und die Ionenmessungen auf. Ziel ist es, die
entstehenden Plasmen (Temperatur, Dichte, Ionenschauer) zu
charakterisieren und daraus die Effizienz der Laserkapsel-Zündung
abzuleiten[9][11].
- Fraunhofer ILT (Lasertechnik Aachen): Als
Industrieinstitut bringt Fraunhofer ILT weltführende Erfahrung in diodengepumpten
Festkörperlasern (DPSSL) ein. Das Aachener Institut ist bekannt für
die Entwicklung und industrielle Skalierung großer Festkörperlaser[16].
ILT übernimmt die detaillierte Lasersimulation und geht die
Maschinenbau-Aspekte an – etwa Multischicht-Verstärkerdesigns und
Kühlkonzepte. Zudem zieht ILT Erkenntnisse aus internationalen
Fusionstechnik-Projekten (z.B. US-Fusionforschung) heran, um
Entwicklungsrisiken zu minimieren.
- Koordination: DESY und UHH steuern
gemeinsam das Verbundprojekt. Es gibt regelmäßige Abstimmungsrunden
(Steuerungskreis) für Meilensteine, Publikationen und Ressourcen. Die
Projektleitung liegt bei den DESY/UHH-Wissenschaftlern (franz Kärtner
u.v.a.), unterstützt durch die administrativen Abteilungen beider
Einrichtungen.
Finanzierung
Medienberichte sprechen
zunächst von einer ungenauen „Millionenförderung“, tatsächlich werden 14 Mio. €
bereitgestellt[1]. Diese stammen aus dem neuen
Forschungsprogramm Fusion 2040 des Bundes (Bundesministerium für
Forschung, Technologie und Raumfahrt, BMFTR)[3]. Fusion 2040 wurde
Ende 2025 initiiert, um insbesondere die Infrastruktur für Trägheitsfusion
aufzubauen[3][4]. Neben dieser Bundesförderung
können weitere Mittel aus beispielsweise EU-Programmen oder industriellen Partnerschaften
hinzukommen – dazu liegen derzeit aber keine Angaben vor.
Budgetverwendung: Konkrete Details über die
Mittelverteilung sind nicht veröffentlicht. Typischerweise fließen die Gelder
in folgende Kategorien (Schätzung): (a) Personal – Gehälter für Wissenschaftler,
Ingenieure, Techniker (das Konsortium umfasst vermutlich 10–20 Fachkräfte); (b)
Geräte und Infrastruktur – Anschaffungskosten für Hochleistungslaser
(Lasergranaten, Diodenpumpen), Optik, Kryosysteme, Vakuumkammern und
Diagnosegeräte; (c) Laborausstattung und Betrieb – Ausbau der Labore,
Messsysteme, Strom- und Kühlkosten; (d) Verwaltung und Kooperation –
Projektmanagement, Reisekosten, Workshops. Es ist anzunehmen, dass ein großer
Teil in die teure Laser- und Messtechnik fließt. Endgültige Aufschlüsselungen
sind in den Quellen nicht angegeben.
Wissenschaftliche Bedeutung
Beitrag zur
Fusionsforschung: IFuEL adressiert eine zentrale Hürde
der ICF: die Technologie der Hochleistungs-Laser. Erfolgt die erfolgreiche
Demonstration des Yb:YLF-Systems, wäre dies ein Durchbruch für den
Fusionsnutzungsansatz. Ein doppelt so hoher Wirkungsgrad bedeutet
beispielsweise, dass bei gegebener Nutzenergie nur halb so viel Strom benötigt
wird – ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu einem effizienten Fusionskraftwerk[2]. Gleichzeitig
ermöglichen die neuen Experimentierräume (Laser-Kammer, PETRA III etc.)
tieferes Verständnis der Plasmaphysik unter Fusionsbedingungen. Die gewonnenen
Daten können in theoretische Modelle einfließen und die Planung größerer
Fusionsexperimente (z.B. zukünftiger Fusionsanlagen) verbessern. Langfristig
wird IFuEL-Equipment Teil des deutschen Fusions-Ökosystems: DESY kann als
Testzentrum für Fusionsmaterialien fungieren, wie es das Projekt schon
vorbereitet[13].
Innovationspotenzial: Die Kombination aus
Spitzenforschung (Universitäten, Helmholtz) und angewandter Entwicklung
(Fraunhofer) ist ein Innovationstreiber. IFuEL liefert einerseits neue
Laserarchitekturen, andererseits robuste Plattformen für
Hochenergiedichte-Experimente. Die Beteiligung von Fraunhofer ILT stellt
sicher, dass Entwicklungsergebnisse schnell in industrielle Anwendungen
überführt werden. Durch Simulationen, wie sie auch in internationalen
Konsortien erfolgen[16], sollen
Fehlentwicklungen früh erkannt und Gesamtprojektkosten minimiert.
Risiken und Herausforderungen: Das Projekt ist
technisch hochriskant. Beispielsweise verursacht Dauerbetrieb von
Hochleistungslasern thermische und optische Belastungen: Schon kleinste
Krümmungen oder Temperaturgradienten in den Verstärkerplatten können zu
Strahlverzerrungen oder gar Bruch von Optiken führen[14]. Damit
verbunden sind hohe Kosten: Es heißt, in einem zukünftigen Fusionslaser mit
Hunderten Strahlenwegen könne jeder übersehene Designfehler zu
milliardenschweren Mehrkosten führen[15]. Zudem liegen
bislang nur erste Demonstrationen vor; die Skalierung von 100 J auf
Megajoule-Niveau ist technisch noch nicht erprobt. IFuEL geht dieses Risiko
schrittweise an, indem zunächst in kleinem Maßstab gebaut und getestet wird.
Gesellschaftliche
und wirtschaftliche Auswirkungen
- Energieperspektiven: Ein erfolgreiches
Fusionsexperiment – hier speziell lasergetriebene Trägheitsfusion – würde
eine nahezu unerschöpfliche und CO₂-neutrale Energiequelle bedeuten.
Fusionskraftwerke könnten rund um die Uhr Strom liefern und volatile
erneuerbare Energien ergänzen[6]. IFuEL trägt direkt dazu bei, die nötige Lasertechnik in
Deutschland zu entwickeln. Das Bundesforschungsministerium hat mit dem Fusion 2040-Programm
das klare Ziel formuliert, binnen etwa 20 Jahren einen Prototyp-Fusionsreaktor
zu realisieren[5]. IFuEL ist dabei ein konkreter Baustein auf diesem Pfad.
- Industriepartnerschaften: Das Konsortium
bindet bereits Industrie und Hochschulen zusammen. Fraunhofer ILT
koordiniert den Transfer technischer Lösungen, wodurch z.B. deutsche
Laserindustrie (Hersteller von Pumpdioden, Verstärkermaterialien) profitiert.
Auch die deutsche Fusions-Allianz (u.a. Hamburg, Sachsen,
Schleswig-Holstein) fördert regionale Netzwerke. Laut einer
Länder-Allianzvereinbarung sollen Kooperationen mit der Zulieferindustrie
gestärkt werden[17]. Beim Aufbau der Fusionsinfrastruktur sind viele Spezialfirmen
gefragt – von Hochvakuumtechnik bis hin zu eigens gefertigten
Laserkristallen. Experten erwarten, dass die Fusionsforschung über Jahre
Hunderte Arbeitsplätze in Wissenschaft und Industrie schafft und
innovative Zulieferprodukte hervorbringt.
- Zeitrahmen bis zur Anwendung: IFuEL
selbst ist auf eine Laufzeit bis etwa 2028/2029 ausgelegt. Zu den
unmittelbaren Ergebnissen zählen Prototyp-Laser und erste Materialtests.
Ein wirtschaftlich nutzbares Fusionskraftwerk ist aber noch Jahrzehnte
entfernt. Die nationalen Planungen streben Demonstrationsanlagen um 2040
an, während ein kommerzieller Kraftwerksbetrieb möglicherweise erst Mitte
des Jahrhunderts realistisch ist. In der Zwischenzeit bringt IFuEL
Technologien hervor, die auch anderen Hochenergiedichte-Anwendungen (z.B.
Röntgenquellen, Industriebeleuchtung) nutzen könnten.
Zusammenfassung: Das IFuEL-Projekt verbindet Grundlagenforschung und angewandte
Entwicklung, um eine Schlüsseltechnologie der Fusionsenergie voranzutreiben. Es
adressiert technische Engpässe (Laserwirkungsgrad, Wiederholrate), stärkt die
Zusammenarbeit von Forschungseinrichtungen (DESY, Uni Hamburg, HZDR u.v.m.) und
bindet Industriepartner ein. Damit leistet IFuEL einen wichtigen Beitrag zum
deutschen Fusions-Forschungsprogramm[3][17].
Quellen: Pressemitteilungen von DESY[1][7]
und Universität Hamburg[8][2],
das IFuEL-Projektprofil[11]
sowie Fachpublikationen und Verbändestudien zur Trägheitsfusion und
Hochenergiedichtephysik[16][17].
[1] [3] [5] [7] Von der Photonenwissenschaft zur
Fusion: Fördermittel für die Entwicklung eines Fusionsenergie-Lasers · DESY
https://desy.de/desy_aktuell/2026/ifuel/index_ger.html
[2] [4] [8] [9] [12] [13] 14 Millionen Euro für die
Entwicklung eines Fusionsenergie-Lasers : Newsroom : Universität Hamburg
https://www.uni-hamburg.de/newsroom/forschung/2026/0204-photonenwissenschaft.html
[6] [14] [15] [16] Vom Labor ins Kraftwerk: LLNL und
Fraunhofer ILT legen das Fundament für die nächste Generation Fusionslaser -
Fraunhofer ILT
[10] [17] Sechs Länder – eine
Fusionsallianz
https://www.medienservice.sachsen.de/medien/news/1091950
[11] Universität Rostock sucht
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