Uso de láseres para un mundo más sostenible

La feria LASER de Múnich celebró este año su 50 aniversario. Con más de 40.000 visitantes, estuvo un 30 por ciento por encima del nivel anterior a la pandemia, una clara señal de la relevancia económica de la tecnología láser. Además, en el mismo lugar se celebraron las ferias Automatica y World of QUANTUM. Esto demuestra, por un lado, hasta qué punto hoy en día están interconectadas la tecnología láser y la ingeniería mecánica; por otro, nuevos temas como las tecnologías cuánticas están acelerando el ritmo de la innovación.

En el Congreso Mundial de Fotónica se demostró la estrecha relación entre la tecnología láser y la investigación básica. La Dra. Tammy Ma del Centro Nacional de Ignición del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y el Prof. Constantin Häfner, director del Fraunhofer ILT, hablaron allí en la charla plenaria sobre el potencial de la fusión inercial impulsada por láser. El tema ha generado grandes expectativas como fuente de energía del futuro, pero también impulsará el desarrollo de la tecnología láser.

Soldadura láser para condiciones extremas

Una moto de nieve es sin duda una de las piezas más singulares de una feria de láser. Este año, sin embargo, Fraunhofer ILT expuso en su stand una moto de nieve eléctrica del fabricante de vehículos finlandés Aurora Powertrains. La empresa utiliza baterías resistentes al frío con una densidad de energía extremadamente alta desarrolladas para las temperaturas árticas. La tecnología de unión de las baterías con clasificación IP67 se personalizó en Aquisgrán.

Aurora utiliza celdas de bolsa NMC de iones de litio con contactos eléctricos de cobre y aluminio de 0,2 mm de espesor. Las células están soldadas con un láser de fibra monomodo de 1 kW cuya electrónica de control modula localmente la potencia. "Evaluamos la idea, fabricamos las primeras muestras y apoyamos a la startup finlandesa en su desarrollo", explica el Dr. Alexander Olowinsky, jefe del departamento de unión y corte de Fraunhofer ILT. "Ahora les estamos apoyando en su implementación para la producción a gran escala".

Láseres robustos para mediciones de contaminantes desde el espacio

Los expertos del Fraunhofer ILT ya llevan varios años utilizando láseres para la investigación climática. Los sistemas LIDAR (Light Detección y Rango), una forma de escaneo láser tridimensional similar al radar, hacen una contribución importante. Hay sistemas terrestres, basados ​​en helicópteros o basados ​​en satélites. LASER World of PHOTONICS, Fraunhofer ILT presentó exposiciones sobre estas tres variantes diferentes. Uno de ellos es el sistema LIDAR basado en satélites de la misión climática franco-alemana MERLIN (Mtane Remote Sensing LIDAR-Mission).

El metano es uno de los gases de efecto invernadero más peligrosos. Es mucho más perjudicial para el medio ambiente que el CO2. Por lo tanto, un estudio preciso de dónde exactamente se emite y dónde desaparece es importante para comprender mejor el cambio climático. En el marco de la misión climática MERLIN, investigadores de Aquisgrán están desarrollando un sistema LIDAR robusto. Con el tiempo, esto permitirá medir la concentración de metano en la atmósfera a bordo de un satélite.

Enviará rayos láser a la atmósfera día y noche y calculará la distribución del metano a partir de las señales retrodispersadas. A diferencia de las mediciones de metano convencionales con espectrómetros ópticos, que requieren radiación solar, MERLIN-LIDAR también puede medir valores en el lado nocturno de la Tierra. También se puede utilizar para realizar mediciones en espacios entre nubes a pequeña escala. Por lo tanto, el láser debe ofrecer plena potencia en un rango de temperatura de -30 a +50 °C. Para ello se han desarrollado tecnologías de montaje especiales en el Fraunhofer ILT, que ahora también se utilizan en otros proyectos de satélites.

Convertidor de frecuencia cuántica para Internet cuántica

Actualmente se están desarrollando sistemas para Internet cuántico en varios proyectos financiados. Su objetivo es permitir una comunicación segura y, más tarde, también la conexión en red de ordenadores cuánticos. La comunicación a través de Internet cuántica implica la transmisión de fotones individuales generados en fuentes de luz especiales.

Esto tiene un problema: las fuentes de luz operan principalmente en el rango espectral visible, pero las fibras de transmisión tienen sus pérdidas más bajas en el infrarrojo cercano. En colaboración con QuTech, un centro de investigación conjunto de la Universidad Tecnológica de Delft y la Organización Holandesa para la Investigación Científica Aplicada TNO, un equipo de Fraunhofer ILT ha desarrollado un convertidor de frecuencia cuántica (QFC) que resuelve el problema. Actualmente se utiliza en Delft, donde se interconectan tres nodos diferentes para formar una primera red de información cuántica.

En el QFC ya se ha medido una eficiencia de alrededor del 50 por ciento (entrada y salida de fibra) y un ruido ultrabajo de 2 Hz/pm. El QFC se puede utilizar ahora en Aquisgrán para probar distintos componentes para la construcción de redes cuánticas. Como parte del proyecto de financiación N-Quik, los socios de la industria y el mundo académico pueden desarrollar nuevos productos y aplicaciones y aprovechar todo el potencial de la computación cuántica distribuida.

Recubrimiento y mecanizado en una sola operación

Los revestimientos protectores de alta resistencia pueden soportar mucho. Sin embargo, cuanto mejor protegen, más difíciles son de mecanizar. Un nuevo proceso desarrollado en Fraunhofer ILT resuelve este problema. Para ello se combinan dos procesos de fabricación: el recubrimiento se aplica mediante deposición de material por láser de alta velocidad (EHLA) y al mismo tiempo se procesa mecánicamente. El recubrimiento todavía está caliente en este punto y, por lo tanto, es mucho más fácil de mecanizar.

El proceso se llama Mecanizado y Recubrimiento Simultáneo (SMaC) y ahorra mucho tiempo, energía y material. “Con SMaC podemos aplicar recubrimientos resistentes a la corrosión y al desgaste de forma económica. Conseguimos calidades superficiales muy altas en menos tiempo y con una vida útil potencialmente más larga que con el procesamiento secuencial habitual”, explica Viktor Glushych, jefe del grupo Coating LMD y Heat Treatment en Fraunhofer ILT. Dependiendo del perfil requerido y del material de recubrimiento, el tiempo de proceso se puede reducir en más de un 60 por ciento.

El proceso se puede aplicar de forma muy amplia, desde la industria energética y todo el sector de la movilidad hasta la industria química y minera. Allí donde se utilizan componentes rotacionalmente simétricos y altamente cargados, SMaC garantiza un ahorro de recursos importantes.

Escáner láser con un 90 % menos de volumen de construcción

De hecho, los escáneres láser ya son conjuntos bastante optimizados. Sin embargo, un equipo del Fraunhofer ILT logró lograr tamaños significativamente más pequeños fusionando el accionamiento del escáner y el sustrato del espejo. El escáner galvo plano ahorra hasta un 90 por ciento en volumen de construcción en comparación con los sistemas convencionales.

Además, el diseño especialmente compacto de tan solo 50 cm³ ahorra mucho peso, lo que abre muchas posibilidades de aplicación. Por ejemplo, los sistemas guiados manualmente pueden ser aún más ligeros o se pueden utilizar varios escáneres uno al lado del otro en un cabezal de procesamiento. Este mini escáner utiliza sistemas electrónicos de control basados ​​en modelos disponibles comercialmente, una simplicidad que permite a los usuarios integrarlo en máquinas existentes utilizando protocolos de comunicación estandarizados.

CAPS: Láseres de alta potencia para fuentes secundarias

Los tiempos de emisión en las líneas de luz PETRA III del sincrotrón electrónico alemán (DESY) en Hamburgo suelen estar sobrevendidos. PETRA III produce una brillante radiación de rayos X de pulsaciones cortas. Esta radiación se utiliza, por ejemplo, para investigar procesos de soldadura en baterías, así como muestras de biología molecular. Para muchas de estas mediciones (o incluso radioterapias), una solución descentralizada sería una gran simplificación.

En ello trabajan actualmente, entre otras cosas, varios equipos de la Fraunhofer-Gesellschaft. En el Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS, 21 institutos Fraunhofer han unido fuerzas para desarrollar nuevos láseres de alta potencia para pulsos ultracortos. Estos láseres con potencia de kW ya se pueden reservar en los laboratorios de aplicaciones de Jena (Fraunhofer IOF) y Aquisgrán (Fraunhofer ILT). Gracias a una celda compresora multipaso recientemente desarrollada, los pulsos de los láseres de kW se pueden comprimir por debajo de 20 fs. Los impulsos comprimidos de los láseres de kW se pueden convertir así en rayos X, terahercios o radiación MIR, abriendo así el camino a fuentes secundarias descentralizadas (es decir, fuentes de radiación secundaria).

El próximo LASER World of PHOTONICS se llevará a cabo en Munich, Alemania, del 24 al 27 de junio de 2025.