Energiezukunft trifft auf Fertigungsrevolution

Die 2019 in München gegründete Marvel Fusion GmbH sieht Fusionsenergie als nächsten großen Entwicklungsschritt in der Geschichte der Energienutzung und damit als potenziellen Treiber von Wohlstand und technologischem Fortschritt.
Im Zentrum des Vortrags von Dr. Sophia Spitzer, Lead Business Development and Market Strategy bei Marvel, stand die Einordnung der Fusionsenergie: Kleine Atomkerne, konkret Wasserstoffisotope, verschmelzen miteinander und setzen dabei Energie frei. Unterschieden werden zwei große technologische Richtungen: Magnetfusion und Laserfusion. Die Laserfusion habe in den vergangenen Jahren besonders dynamisch an Bedeutung gewonnen und 2022 einen wissenschaftlichen Durchbruch erzielt: So konnte an der US-amerikanischen National Ignition Facility erstmals innerhalb enger Systemgrenzen ein Nettoenergiegewinn nachgewiesen werden.

Gleichzeitig machte Dr. Spitzers Vortrag klar, dass dieser Erfolg noch nicht mit einem wirtschaftlich tragfähigen Kraftwerkskonzept gleichzusetzen ist. Entscheidend seien vor allem die Effizienzverluste entlang der gesamten Prozesskette: Im genannten Experiment wurden rund 400 MJ elektrische Energie eingesetzt, um einen Laserpuls von etwa 2 MJ zu erzeugen – was einem Wirkungsgrad von nur rund 0,5 Prozent entspricht. Hinzu kommen weitere Verluste bei der Energieübertragung auf das Fusionstarget.

Hier setzt Marvel Fusion mit zwei zentralen Hebeln an:

• deutlich effizientere Laser, die eine „Steckdoseneffizienz“ von etwa 10 Prozent erreichen sollen
• optimierte Brennstofftargets mit Nanostrukturen, die die Einkopplung der Laserenergie wesentlich verbessern.

Das vorgestellte Konzept basiert darauf, dass Laserimpulse mit hoher Frequenz auf speziell entwickelte Targets treffen. Die Nanostrukturen sorgen dafür, dass Licht effizient in beschleunigte Teilchen und Strahlung umgewandelt wird, welche wiederum Fusionsreaktionen in einem umgebenden Brennstoffring auslösen. Die zentrale Innovation besteht darin, dass der Brennstoff in einem Feststoff bei Raumtemperatur vorliegt und nicht stark gekühlt werden muss. Das vereinfacht die spätere Kraftwerksarchitektur erheblich.
Für den Weg zur Kommerzialisierung skizzierte Dr. Spitzer einen mehrstufigen Entwicklungsplan:

1. Proof of Concept des physikalischen Ansatzes bis 2024 
2. Aufbau und Demonstration eines eigenen, hocheffizienten Lasers bis 2027
3. Physik-Meilenstein mit Fokus auf Skalierung bis 2028
4. Entwicklung eines Kraftwerkspiloten Anfang der 2030er Jahre
5. erste kommerzielle Kraftwerke ab Mitte der 2030er Jahre

Bereits heute führt das Unternehmen Experimente an mehreren internationalen Laseranlagen durch, unter anderem in Garching, Rumänien und den USA. Fortschritte wurden insbesondere bei der Herstellung der Nanostrukturen erzielt: Statt einzelner Targets können inzwischen tausende Strukturen pro Wafer gefertigt werden. Dies geschieht in Zusammenarbeit mit dem bekannten Halbleiterforschungsinstitut imec und zeigt, wie stark Fusion von Fortschritten in angrenzenden Deeptech-Bereichen profitiert.
Ein weiterer Schwerpunkt gilt der Industrialisierung der Fusionstechnologie. Parallel zur physikalischen Konzeptvalidierung entwickelt Marvel Fusion auch die Kraftwerksseite weiter. Gemeinsam mit Siemens Energy wurde bereits eine erste Kraftwerksstudie erarbeitet. Das Design sieht mehrere hundert Laser vor, die auf ein zentrales Reaktorgebäude ausgerichtet sind. Die entstehende Wärme soll in Flüssigsalzen aufgenommen und anschließend über klassische Dampfkreisläufe in Strom umgewandelt werden. Der geplante Pilot liegt in einer Größenordnung von rund 120 Megawatt. 
Der Vortrag machte insgesamt deutlich, dass der Fortschritt in der Fusion nicht allein von physikalischen Durchbrüchen abhängt, sondern ebenso von Systemintegration, industriellen Partnerschaften und paralleler Entwicklung.

Additive Fertigung für Fusionskomponenten

Das Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV) in Augsburg ist eine führende Einrichtung für produktionstechnische Forschung. Im Kontext der Fusionstechnologie konzentriert sich das Institut unter anderem auf die Additive Fertigung von Hochleistungswerkstoffen, die entscheidend sind für Anwendungen mit extremen thermischen, mechanischen und neutronischen Belastungen, wie sie in Fusionsreaktoren vorkommen. 
IGCV-Abteilungsleiter Dr. Georg Schlick zeigte im Webinar auf, welche Rolle moderne Fertigungstechnologien bei der Realisierung von Fusionskraftwerken spielen. In den hochbelasteten Bereichen treten Wärmelasten von bis zu 20 MW pro Quadratmeter, in Tests sogar bis zu 45 MW pro Quadratmeter, auf. Hinzu kommen thermisch induzierte Spannungen, Materialabtrag durch das Plasma und eine sehr hohe Neutronenbelastung, die Werkstoffe strukturell verändert und die Materialauswahl stark einschränkt. Ein wichtiges Ziel ist deswegen, Materialien so zu wählen, dass sie nicht selbst in problematischer Weise radioaktiv werden.

Am Beispiel der Magnetfusion erläuterte Schlick insbesondere die Anforderungen an sogenannte Divertoren, also Komponenten zur Wärmeabfuhr und zum Abtransport der „Fusionsasche“. Hier haben sich Wolfram als plasmazugewandtes Material und Kupferlegierungen für den Wärmetransport etabliert. Problematisch ist jedoch, dass Wolfram schwierig zu verarbeiten ist und klassische Lösungen material- und fertigungstechnisch sehr aufwändig sind.

Die additive Fertigung eröffnet hier neue Möglichkeiten. Das Fraunhofer IGCV arbeitet daran, komplexe Gitterstrukturen aus Wolfram herzustellen, die anschließend mit Kupfer infiltriert werden. Dadurch können Verbundstrukturen entstehen, die hohe Wärmelasten aushalten und gleichzeitig Unterschiede in der thermischen Ausdehnung zwischen den Materialien besser kompensieren. Solche Geometrien wären mit konventionellen Verfahren nur schwer oder gar nicht realisierbar.

Darüber hinaus wurden Multimaterialprozesse vorgestellt, bei denen zwei Werkstoffe direkt innerhalb eines additiven Fertigungsprozesses kombiniert werden. Ziel ist es, künftig etwa Kupfer und Wolfram in einem einzigen 3D-Druckprozess gemeinsam zu verarbeiten - was technologisch sehr anspruchsvoll ist, aber neue Freiheitsgrade für die Gestaltung hochbelastbarer Bauteile eröffnet.

Ein weiteres wichtiges Feld der Forschung am IGCV sind komplexe Kühlstrukturen. Additive Fertigung ermöglicht es, innenliegende Kühlkanäle und funktionsintegrierte Bauteile herzustellen, die bislang aus vielen Einzelteilen zusammengesetzt oder gelötet werden mussten. Das reduziert potenzielle Schwachstellen und schafft neue konstruktive Möglichkeiten. Herausforderungen bestehen hier unter anderem bei:

• Qualitätssicherung und Prozessüberwachung
• Helium-Leckdichtigkeit großer Kupferstrukturen
• zuverlässigem Entpulvern komplexer Kanäle
• sowie der experimentellen Prüfung unter realitätsnahen Lastbedingungen.

Hochlasttests zeigen, dass additive Fertigung in der Fusionsforschung bereits heute nicht nur als Konzept, sondern als ernstzunehmender Lösungsansatz betrachtet wird. Langfristig geht es darum, diese Verfahren in Richtung Industrialisierung und Skalierbarkeit weiterzuentwickeln, sodass Fusionsunternehmen direkt einsetzbare Komponenten in größerem Maßstab erhalten.

Die Vorträge zeigten eindrucksvoll, dass Deeptech zum Transformationstreiber werden kann, wenn wissenschaftliche Exzellenz, industrielle Umsetzung und neue Fertigungstechnologien zusammenkommen. Marvel Fusion steht exemplarisch für den Versuch, die Kernfusion aus der Forschung in eine kommerzielle Energieanwendung zu überführen. Das Fraunhofer IGCV wiederum macht deutlich, dass dies nur gelingen kann, wenn auch die Werkstoffe, Bauteile und Produktionsverfahren für die extremen Anforderungen eines Fusionskraftwerks beherrscht werden. Damit wurde im Webinar klar: Die Transformation entsteht nicht durch eine Einzelinnovation, sondern durch das Zusammenspiel von Physik, Materialwissenschaft, Fertigungstechnologie und industrieller Skalierung.