Einsatz von Lasern für eine nachhaltigere Welt

Die LASER-Messe in München feierte in diesem Jahr ihren 50. Geburtstag. Mit über 40.000 Besuchern lag sie gut 30 Prozent über dem Niveau vor der Pandemie, ein klares Zeichen für die wirtschaftliche Relevanz der Lasertechnologie. Darüber hinaus fanden am selben Ort die Fachmessen „automatica“ und „World of QUANTUM“ statt. Dies zeigt einerseits, wie stark Lasertechnik und Maschinenbau heute vernetzt sind; Andererseits beschleunigen neue Themen wie Quantentechnologien das Innovationstempo.

Wie eng die Lasertechnologie mit der Grundlagenforschung verknüpft ist, zeigte der World of Photonics Congress. Dr. Tammy Ma von der National Ignition Facility am Lawrence Livermore National Laboratory und Prof. Constantin Häfner, der Leiter des Fraunhofer ILT, sprachen dort im Plenarvortrag über das Potenzial der lasergetriebenen Trägheitsfusion. Das Thema hat als zukünftige Energiequelle große Erwartungen geweckt – es wird aber auch die Entwicklung der Lasertechnologie vorantreiben.

Laserschweißen für extreme Bedingungen

Ein Schneemobil ist definitiv eines der ungewöhnlichsten Exponate auf einer Lasermesse. In diesem Jahr zeigte das Fraunhofer ILT jedoch ein elektrisches Schneemobil des finnischen Fahrzeugherstellers Aurora Powertrains auf seinem Stand. Das Unternehmen verwendet kältebeständige Batterien mit extrem hoher Energiedichte, die für arktische Temperaturen entwickelt wurden. Die Fügetechnik für die IP67-geschützten Batterien wurde in Aachen maßgeschneidert.

Aurora verwendet Lithium-Ionen-NMC-Pouchzellen mit 0,2 mm dünnen elektrischen Kontakten aus Kupfer und Aluminium. Das Verschweißen der Zellen erfolgt mit einem 1 kW Singlemode-Faserlaser, dessen Steuerelektronik die Leistung lokal moduliert. „Wir haben die Idee evaluiert, erste Muster hergestellt und das finnische Startup bei der Weiterentwicklung unterstützt“, erklärt Dr. Alexander Olowinsky, Leiter der Abteilung Fügen und Trennen am Fraunhofer ILT. „Jetzt unterstützen wir sie bei der Umsetzung in die Großserie.“

Robuste Laser für Schadstoffmessungen aus dem Weltraum

Experten des Fraunhofer ILT nutzen Laser bereits seit mehreren Jahren für die Klimaforschung. Einen wichtigen Beitrag leisten LIDAR-Systeme (Light Detection and Ranging), eine Form des dreidimensionalen Laserscannings ähnlich dem Radar. Es gibt erdgestützte, helikoptergestützte oder satellitengestützte Systeme. In der LASER World of PHOTONICS präsentierte das Fraunhofer ILT Exponate zu diesen drei unterschiedlichen Varianten. Eines davon ist das satellitengestützte LIDAR-System der deutsch-französischen Klimamission MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR-Mission).

Methan ist eines der gefährlichsten Treibhausgase. Es ist viel schädlicher für die Umwelt als CO2. Eine genaue Untersuchung, wo genau es emittiert wird und wo es verschwindet, ist daher wichtig für das weitere Verständnis des Klimawandels. Im Rahmen der Klimamission MERLIN entwickeln Forscher aus Aachen ein robustes LIDAR-System. Damit soll schließlich an Bord eines Satelliten die Methankonzentration in der Atmosphäre gemessen werden.

Es wird Tag und Nacht Laserstrahlen in die Atmosphäre schicken und aus den rückgestreuten Signalen die Methanverteilung berechnen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methanmessungen mit optischen Spektrometern, die Sonnenstrahlung benötigen, kann MERLIN-LIDAR auch Werte auf der Nachtseite der Erde messen. Auch Messungen in kleinräumigen Wolkenlücken sind damit möglich. Dementsprechend muss der Laser über einen Temperaturbereich von -30 bis +50 °C die volle Leistung erbringen. Dafür wurden am Fraunhofer ILT spezielle Montagetechnologien entwickelt, die mittlerweile auch bei anderen Satellitenprojekten Anwendung finden.

Quantenfrequenzwandler für das Quanteninternet

Derzeit werden in verschiedenen Förderprojekten Systeme für das Quanteninternet entwickelt. Sie sollen eine abhörsichere Kommunikation und später auch die Vernetzung von Quantencomputern ermöglichen. Bei der Kommunikation über das Quanteninternet werden einzelne Photonen übertragen, die in speziellen Lichtquellen erzeugt werden.

Dabei gibt es ein Problem: Die Lichtquellen arbeiten meist im sichtbaren Spektralbereich, die Übertragungsfasern weisen jedoch im nahen Infrarot ihre geringsten Verluste auf. In Zusammenarbeit mit QuTech – einer gemeinsamen Forschungseinrichtung der Technischen Universität Delft und der niederländischen Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung TNO – hat ein Team des Fraunhofer ILT einen Quantenfrequenzkonverter (QFC) entwickelt, der das Problem löst. Es ist jetzt in Delft im Einsatz, wo drei verschiedene Knoten miteinander verbunden werden, um ein erstes Quanteninformationsnetzwerk zu bilden.

Am QFC wurden bereits ein Wirkungsgrad von rund 50 Prozent (Fiber In/Fiber Out) und ein extrem niedriges Rauschen von 2 Hz/pm gemessen. Mit dem QFC können nun in Aachen verschiedene Komponenten für den Aufbau von Quantennetzwerken getestet werden. Im Rahmen des Förderprojekts N-Quik können Partner aus Industrie und Wissenschaft so neue Produkte und Anwendungen entwickeln und das volle Potenzial des verteilten Quantencomputings ausschöpfen.

Beschichten und Bearbeiten in einem Arbeitsgang

Hochfeste Schutzbeschichtungen halten einiges aus. Je besser sie jedoch schützen, desto schwieriger ist ihre Bearbeitung. Ein neues, am Fraunhofer ILT entwickeltes Verfahren löst dieses Problem. Hierzu werden zwei Fertigungsverfahren kombiniert: Die Beschichtung wird mittels Extrem-Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA) aufgetragen und gleichzeitig mechanisch bearbeitet. Die Beschichtung ist zu diesem Zeitpunkt noch heiß und daher viel einfacher zu bearbeiten.

Der Prozess heißt Simultaneous Machining and Coating (SMaC) und spart erheblich Zeit, Energie und Material. „Mit SMaC können wir korrosions- und verschleißbeständige Beschichtungen wirtschaftlich aufbringen. Wir erreichen sehr hohe Oberflächenqualitäten in kürzerer Zeit und mit potenziell längeren Werkzeugstandzeiten als bei der üblichen sequentiellen Bearbeitung“, erklärt Viktor Glushych, Leiter der Gruppe Beschichtung LMD und Wärmebehandlung am Fraunhofer ILT. Je nach Anforderungsprofil und Beschichtungsmaterial kann die Prozesszeit um mehr als 60 Prozent reduziert werden.

Das Verfahren lässt sich sehr breit anwenden, von der Energiewirtschaft über den gesamten Mobilitätssektor bis hin zur Chemie- und Bergbauindustrie. Überall dort, wo hochbelastete, rotationssymmetrische Bauteile zum Einsatz kommen, sorgt SMaC für die Einsparung wichtiger Ressourcen.

Laserscanner mit 90 % weniger Bauvolumen

Laserscanner sind eigentlich schon recht optimierte Baugruppen. Dennoch ist es einem Team am Fraunhofer ILT gelungen, durch die Verschmelzung von Scannerantrieb und Spiegelsubstrat deutlich kleinere Baugrößen zu erreichen. Der planare Galvoscanner spart bis zu 90 Prozent Bauvolumen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen.

Die besonders kompakte Bauweise von nur 50 cm³ spart zudem viel Gewicht, was vielfältige Einsatzmöglichkeiten eröffnet. So können beispielsweise handgeführte Systeme noch leichter werden oder mehrere Scanner nebeneinander in einem Bearbeitungskopf eingesetzt werden. Dieser Miniscanner nutzt handelsübliche, modellbasierte Steuerelektronik, eine Einfachheit, die es Benutzern ermöglicht, ihn mithilfe standardisierter Kommunikationsprotokolle in bestehende Maschinen zu integrieren.

CAPS: Hochleistungslaser für Sekundärquellen

Die Strahlzeiten an den PETRA III-Beamlines am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg sind meist überbucht. PETRA III erzeugt brillante kurzgepulste Röntgenstrahlung. Mit dieser Strahlung werden beispielsweise Schweißvorgänge an Batteriepacks sowie molekularbiologische Proben untersucht. Für viele dieser Messungen (oder auch Strahlentherapien) wäre eine dezentrale Lösung eine große Vereinfachung.

Daran arbeiten nun unter anderem mehrere Teams der Fraunhofer-Gesellschaft. Im Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS haben sich 21 Fraunhofer-Institute zusammengeschlossen, um neue Hochleistungslaser für ultrakurze Pulse zu entwickeln. Diese Laser mit kW-Leistung können bereits in Anwendungslaboren in Jena (Fraunhofer IOF) und Aachen (Fraunhofer ILT) gebucht werden. Dank einer neu entwickelten Multipass-Kompressorzelle können die Pulse der kW-Laser auf unter 20 fs komprimiert werden. Die komprimierten Pulse der kW-Laser können so in Röntgen-, Terahertz- oder MIR-Strahlung umgewandelt werden, was den Weg zu dezentralen Sekundärquellen (also Quellen sekundärer Strahlung) öffnet.

Die nächste LASER World of PHOTONICS findet vom 24. bis 27. Juni 2025 in München statt.