Recordgroot laserkristal moet kernfusie-onderzoek in Duitsland vooruithelpen

Een kristal zo groot als nooit tevoren, en tegelijk extreem zuiver: dat is wat het Noord-Carolinaanse bedrijf Northrop Grumman SYNOPTICS heeft weten te maken. Het gaat om een zogeheten Yb:YLF-kristal, een materiaal dat is verrijkt met het element ytterbium. Dit soort kristallen vormt het kloppend hart van krachtige lasersystemen: ze versterken licht totdat er een bundel ontstaat die sterk genoeg is voor de zwaarste toepassingen, waaronder onderzoek naar kernfusie.

Het kristal is drie keer groter dan de kristallen die het bedrijf eerder kon produceren, en volgens Northrop Grumman ook een van de zuiverste in zijn soort. Grotere kristallen zijn belangrijk omdat ze een grotere apertuur hebben, de opening waar het licht doorheen gaat. Hoe groter die opening, hoe meer energie een laser kan verwerken zonder dat het materiaal beschadigt of de lichtbundel vervormt door hitte.

Op weg naar Duitsland

Delen van het kristal gaan naar DESY, het Deutsches Elektronen-Synchrotron, een gerenommeerd Duits onderzoeksinstituut. Daar worden ze ingezet binnen het project IFuEL (Inertial Fusion Energy Laser Development and HED Analytics), onderdeel van het bredere consortium Fusion 2040. Dit consortium wordt gefinancierd door het Duitse ministerie van Onderzoek, Technologie en Ruimtevaart (BMFTR) en werkt aan een nieuwe generatie lasertechnologie voor fusie-energie.

Het doel van IFuEL is een lasermodule te bouwen die 200 joule aan energie kan leveren, als bouwsteen voor toekomstige, nog krachtigere fusielasers. DESY doet al meer dan tien jaar onderzoek naar cryogene Yb:YLF-lasers, waarbij het kristal tot extreem lage temperaturen wordt gekoeld om beter te presteren. Het nieuwe kristal van SYNOPTICS moet dat onderzoek een stap verder brengen.

Waarom fusie zulke zware lasers nodig heeft

Bij een vorm van kernfusie die inertiële opsluiting heet, wordt een piepklein balletje brandstof van alle kanten belicht door extreem krachtige lasers. Die lasers persen de brandstof zo hard samen dat er, net als in de kern van de zon, fusiereacties ontstaan. Deze vorm van laserfusie stelt hoge eisen aan de lasersystemen: ze moeten enorme hoeveelheden energie afgeven, dat vaak herhalen, en toch betrouwbaar en efficiënt blijven werken.

Een groot knelpunt daarbij is warmte. Wanneer een laser op hoog vermogen draait, gaat een deel van de energie verloren als warmte in het kristal zelf. Die warmte kan de lichtbundel vervormen, de efficiëntie verlagen of zelfs onderdelen beschadigen. Grotere, zuiverdere kristallen met een betere optische kwaliteit helpen dat probleem te beperken.

Dr. Kevin Stevens, algemeen directeur van Northrop Grumman SYNOPTICS, noemt de doorbraak een mijlpaal. "We hebben zojuist een van de grootste en zuiverste kristallen in zijn soort gekweekt," aldus Stevens. Volgens hem opent dit nieuwe mogelijkheden voor het ontwerp van lasersystemen en brengt het de wereld een stap dichter bij schone, vrijwel onuitputtelijke energie.

Fusie-energie staat nog niet aan de vooravond van commerciële toepassing, maar elke verbetering in de onderliggende technologie, zoals grotere en zuiverdere laserkristallen, telt mee in de race om de energiebron van de zon op aarde na te bootsen.