Erforschung und Entwicklung laserbasierter Kernfusion zugunsten einer klimaverträglichen Energieversorgung
Exakt positioniert, effizient experimentiert
Die Kernfusion gilt als mögliche visionäre Lösung für Energieprobleme der Zukunft – sauber und vergleichsweise risikoarm. Dabei werden kleine Atomkerne, bei extremen Temperaturen und Druck verschmolzen, statt wie in Reaktoren von herkömmlichen Atomkraftwerken gespalten. Ein ähnlicher Prozess findet in Sternen und damit auch in der Sonne statt. Dabei entsteht eine enorme Energie – ohne Freisetzung von CO2. Die Idee, mithilfe der Kernfusion klimaneutral große Mengen an Energie zu erzeugen, gilt als Menschheitstraum. Doch technisch ist die Kernfusion äußerst anspruchsvoll und ihre Realisierung erfordert neben immensen Investitionen auch eine ambitionierte Forschung und Entwicklung. Die Marvel Fusion GmbH, ein Münchener Start-up, verfolgt diesen Traum – mit dem Ziel, das erste kommerziell nutzbare Kernfusions-Kraftwerk zu bauen. Das Deep-Tech Unternehmen hat einen neuartigen laserbasierten Ansatz entwickelt, durch den CO2-freier, sauberer, sicherer Strom produziert werden kann. Die Forschung für den Prototyp geht mit dem geplanten Bau eines Technologiedemonstrators in Colorado in die entscheidende Phase. Dort soll auf dem Campus der Colorado-Stade-Universität das weltweit erste maßgeschneiderte Lasersystem zur Erforschung der kommerziellen Kernfusion entstehen. In München und Bukarest wird derweil die entsprechende Grundlagenforschung betrieben. Zur Beobachtung und Steuerung der Experimente in den dortigen Hochvakuumkammern sind bis zu 20 IDS Kameras gleichzeitig im Einsatz.
„Die Kameras gewährleisten uns eine präzise Überwachung der Experimente zur Erforschung und Entwicklung der laserbasierten Fusion.“
In den Hochvakuumkammern, in denen die Experimente durchgeführt werden, herrscht ein Druckbereich von 10^-4 Pascal. Dieser extrem niedrige Druck liegt weit unter dem atmosphärischen Druck von etwa 10^5 und erfordert spezielle Vakuumpumpen mit Auspumpzeiten von bis zu 8 Stunden. Eine effiziente Durchführung der Experimente ist daher entscheidend. „Die Kameras spielen somit eine entscheidende Rolle, da sie es uns ermöglichen, die Experimente zu beobachten und die Messgeräte zu steuern“, ergänzt Caya Momm (Einkauf).
Die Wahl fiel auf ein Modell aus der GigE uEye LE-Kamerafamilie. Ein speziell entwickeltes Schutzgehäuse um die Kameras herum sorgt dafür, dass sie den extremen Bedingungen und den starken elektromagnetischen Impulsen standhalten, die bei Fusionsexperimenten auftreten können. Dieser sogenannte EMP-Kamerakasten schützt die Kameraelektronik vor der hohen Energieentladung. „Diese Konstruktion garantiert uns optimale Funktionalität und Zuverlässigkeit“, bestätigt Kyle Kenney (Lab Engineer).
Doch was genau sehen die Kameras?
Während der Experimente sind einige Kameras so positioniert, dass sie die Spiegelreflexionen und die Ausrichtung des Lasers überprüfen. Weitere Kameras überwachen im Inneren der Vakuumkammer die Anordnung unseres Aufbaus. „Dies ist notwendig, da wir den motorisierten Aufbau in der Kammer von außen steuern. Die IDS-Kameras kontrollieren Messgeräte, Detektoren, Sensoren und Spiegel“, skizziert Kyle Kenney den Einsatz der bis zu 20 IDS-Kameras pro Laserexperiment. Die Hauptaspekte der Kameranutzung sind dementsprechend vielfältig:
- Ausrichtung der Optiken: Kameras sichern die korrekte Positionierung der Spiegel.
- Kollisionsvermeidung: Übersichtskameras in der Kammer sorgen für eine Echtzeitüberwachung, um Kollisionen des motorisierten Aufbaus zu vermeiden.
- Mikroskopischer Fokus: Ein weiterer Satz von Kameras fokussiert präzise auf das Ziel unserer Laser und ermöglicht so eine exakte Laserzielerfassung.
- Synchronisierung mit dem Laserimpuls: Die Kameras müssen mit den Laserimpulsen synchronisiert sein, um genaue und fehlerfreie Daten zu gewährleisten.
Das ganze Aufgabenspektrum wird von einem einzigen Kameramodell erfüllt: Marvel Fusion entschied sich für die Einplatinen GigE Kamera UI-5241LE und S-Mount.
„Unsere platzsparende Projektkamera ist hochauflösend, schnell und klein genug, um all diese Aufgaben lösen zu können“, erläutert Markus Schickner, Area Sales Manager bei IDS. Mit ihren kompakten Maßen von 45 x 45 Millimetern ist die GigE uEye LE für kundenspezifische Embedded Projekte wie dieses perfekt geeignet. Es lässt es sich passgenau in das EMP-Gehäuse integrieren, das GigE-Interface erlaubt zudem Kabellängen von bis zu 100 Metern. Darüber hinaus empfiehlt sich das Kameramodell aufgrund des 1/1.8" CMOS Sensors von e2v, der eine Auflösung von 1,3 Megapixeln (1280 x 1024) bei einer Framerate von 50 fps liefert. Ausschlaggebend für die Wahl des Modells waren außerdem spezielle Features wie Trigger, um mit dem Laserimpuls synchronisiert werden zu können, sowie der Preis. Denn die uEye LE ist auf das Wesentliche reduziert und daher günstig. Dennoch ist das hier mehrfach integrierte Modell so vielseitig einsetzbar, dass für die unterschiedlichen Anforderungen keine unterschiedlichen Spezialkameras erforderlich sind. Das vereinfacht das Handling der bis zu 20 am Experiment beteiligten Kameras enorm.
„Die Kameras sind so konstruiert, dass sie bei unseren Laserexperimenten effizient funktionieren“, bestätigt Caya Momm die Vielseitigkeit der Kameras. „Außerdem ermöglichen sie eine direkte und kontinuierliche Live-Übertragung der Laserexperimente. So entfällt teilweise die Notwendigkeit, die Vakuumkammer zu betreten“, fügt sie hinzu. Der Sicherheitsaspekt wird durch eine robuste Versiegelung des Kamerakastens gewährleistet, der das Austreten von Partikeln verhindert und die Integrität der Vakuumkammer gegen Kontamination effektiv absichert.
Die erfassten Bildinformationen werden mithilfe des Open Source Softwareframeworks Tango Controls weiterverarbeitet, in das sich die IDS-Kameras über das GigE Vision Standard Interface schnell und einfach integrieren lassen. Tango Controls ermöglicht die Steuerung und Überwachung von Geräten in verteilten Systemen und wurde speziell für wissenschaftliche Einrichtungen und Labore entwickelt, die eine komplexe Geräteintegration und -steuerung wie diese erfordern. Die IDS Kameras, aber auch jedes weitere in das System integrierte Device, können damit einzeln über das Netzwerk gesteuert werden. Gleichzeitig unterstützt Tango eine ereignisbasierte Kommunikation und erlaubt dadurch Echtzeitreaktionen und-Anpassungen des Versuchsaufbaus sowie des Vision-Systems, sobald diese im Verlauf des Experimentes erforderlich werden. Die von den Kameras gelieferten Livebilder werden mithilfe von Tango Controls unmittelbar weiterverarbeitet und ausgeliefert. „Die Ergebnisse waren sehr zufriedenstellend, da die Position des Lasers exakt lokalisiert wurde. Durch die Bildverarbeitung können wir die Position der Optiken mit Linearantrieben präzise definieren oder neu ausrichten“, berichtet Oscar Juina (Electrical Engineer).
Ausblick
„Speziell entwickelte Kameras mit EMP-Gehäusen dieser Qualität sind typischerweise schwer zu finden und sehr teuer“, verdeutlicht Caya Momm, Einkäuferin bei Marvel Fusion. „Die Anpassungsfähigkeit und Verfügbarkeit der IDS-Kameras sind für uns wertvoll. Da wir uns derzeit auf zeitlich begrenzte Forschungsexperimente konzentrieren, sind die benötigten Stückzahlen noch gering. Doch das könnte sich in Zukunft im Hinblick auf die geplante Skalierung auf größere Fusionsexperimente und für zukünftige Fusionskraftwerke ändern.“ In Colorado soll nach eigenen Angaben bis 2026 die leistungsstärkste Kurzpuls-Laseranlage der Welt entstehen, schon Mitte der 2030er Jahre sollen die ersten kommerziellen Kraftwerke gebaut werden und bis 2045 hofft das Unternehmen einen großen Beitrag zur Energieversorgung leisten zu können.
„Die Anpassungsfähigkeit und Verfügbarkeit der IDS-Kameras sind für uns wertvoll.“
Die Fortschritte bei der Laserfusion und ihr Potenzial als innovative Energiequelle sind von großer Bedeutung. Sie haben das Potenzial, den CO2-Fußabdruck der globalen Energieversorgung erheblich zu reduzieren.
Bildrechte: Marvel Fusion GmbH
Marvel Fusion GmbH
Das 2019 gegründete Unternehmen Marvel Fusion mit Sitz in München ist ein Technologiepionier auf dem Gebiet der sicheren, sauberen und zuverlässigen Energieerzeugung. Mit dem Ziel, eines der größten Probleme der Menschheit zu lösen, entwickelt das Deep-Tech-Unternehmen eine völlig neuartige Fusionsenergie-Technologie, die die Wahrscheinlichkeit der Fusion drastisch erhöht und auf den jüngsten Fortschritten in der Laser- und Nanowissenschaft aufbaut.
uEye LE
Verwendetes Modell: UI-5241LE-MB