Tecnología láser para un mundo más sostenible
Desde la investigación energética hasta la metalurgia, en todas partes, el láser ofrece oportunidades para hacer más por un futuro sostenible. Hoy en día, el láser ya se utiliza para soldar células de baterías para electromovilidad de forma especialmente eficiente. El láser puede utilizarse para medir contaminantes en la atmósfera y se está empleando para construir la Internet cuántica. El Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT presentó estas y otras innovaciones en la edición de este año de Laser World of Photonics y World of Quantum celebradas a finales de junio en Múnich.
La feria Laser de Múnich celebró este año su 50º aniversario. Con más de 40.000 visitantes, superó en un 30% el nivel anterior a la pandemia, una clara señal de la relevancia económica de la tecnología láser. Además, en el mismo recinto se celebraron las ferias Automatica y World of Quantum. Por un lado, esto demuestra lo estrechamente interconectadas que están hoy en día la tecnología láser y la ingeniería mecánica; por otro, nuevos temas como las tecnologías cuánticas están acelerando el ritmo de la innovación.
La mesa redonde entre Tammy Ma (LLNL, izquierda) y Constantin Häfner, director del Fraunhofer ILT, sobre el potencial de la fusión inercial basada en láser despertó gran interés en el Congreso Laser World of Photonics. Foto: Messe München GmbH.
Constantin Häfner durante su conferencia en el Congreso Laser World of Photonics ‘Fusión inercial impulsada por láser, ¿fuente de energía del futuro?’. Foto: Messe München GmbH.
Soldadura láser para condiciones extremas
Una moto de nieve es sin duda uno de los objetos expuestos más inusuales en 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 energética extremadamente alta desarrolladas para temperaturas árticas. La tecnología de unión de las baterías, con clasificación IP67, se personalizó en Aquisgrán.
Aurora utiliza celdas de iones de litio NMC con contactos eléctricos de cobre y aluminio de 0,2 mm de grosor. Las células se sueldan 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 posterior”, explica Alexander Olowinsky, director del Fraunhofer ILT. “Ahora les apoyamos en su implementación para la producción a gran escala”.
Una auténtica atracción en Múnich: la moto de nieve eléctrica de Aurora Powertrains. La tecnología de unión de las baterías resistentes al frío procede de los expertos en soldadura láser del Fraunhofer ILT de Aquisgrán. Foto: Messe München GmbH.
Láseres robustos para medir contaminantes desde el espacio
Los expertos del Fraunhofer ILT llevan ya varios años utilizando láseres para la investigación climática. Los sistemas LIDAR (Light Detection and Ranging), una forma de escaneo láser tridimensional similar al radar, suponen una importante contribución. Existen sistemas terrestres, por helicóptero o por satélite. En Laser World of Photonics, Fraunhofer ILT presentó exposiciones sobre estas tres variantes diferentes. Una de ellas es el sistema LIDAR por satélite de la misión climática franco-alemana MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR-Mission).
El metano es uno de los gases de efecto invernadero más peligrosos. Es mucho más nocivo para el medio ambiente que el CO2. Por ello, es importante estudiar con precisión dónde se emite y dónde desaparece para comprender mejor el cambio climático. En el marco de la misión climática MERLIN, investigadores de Aquisgrán están desarrollando un robusto sistema LIDAR. Este sistema permitirá medir la concentración de metano en la atmósfera a bordo de un satélite.
Enviará rayos láser a la atmósfera de día y de noche y calculará la distribución de metano a partir de las señales retrodispersadas. A diferencia de las mediciones convencionales de metano con espectrómetros ópticos, que requieren radiación solar, MERLIN-LIDAR también puede medir valores en el lado nocturno de la Tierra. También puede utilizarse para realizar mediciones en huecos de nubes a pequeña escala. Para ello, el láser debe suministrar toda su potencia en un rango de temperaturas de -30 a +50 °C. Para ello, en el Fraunhofer ILT se han desarrollado tecnologías de montaje especiales, que ahora también se están aplicando a otros proyectos de satélites.
Fraunhofer ILT lleva varios años utilizando sistemas LIDAR (Light Detection and Ranging) para la investigación climática. En Laser World of Photonics, los investigadores presentaron sistemas basados en tierra, helicópteros y satélites. Foto: Fraunhofer / Markus Jürgens.
Convertidor cuántico de frecuencia para la internet cuántica
Actualmente se están desarrollando sistemas para la Internet cuántica en varios proyectos financiados. Con ellos se pretende hacer posible la comunicación a prueba de escuchas y, más adelante, también la conexión en red de ordenadores cuánticos. La comunicación a través de internet cuántico implica la transmisión de fotones individuales generados en fuentes de luz especiales.
Esto plantea un problema: las fuentes de luz funcionan sobre todo en el rango espectral visible, pero las fibras de transmisión tienen sus menores pérdidas en el infrarrojo cercano. En colaboración con QuTech —un centro de investigación conjunto de la Universidad Tecnológica de Delft y la Organización Holandesa de Investigación Científica Aplicada TNO—, un equipo de Fraunhofer ILT ha desarrollado un convertidor cuántico de frecuencia (QFC) que resuelve el problema. Ya se está utilizando en Delft, donde tres nodos diferentes están interconectados para formar una primera red de información cuántica.
Ya se ha medido en el QFC una eficiencia de alrededor del 50 por ciento (fibra de entrada/fibra de salida) y un ruido ultrabajo de 2 Hz/pm. La QFC puede utilizarse ahora en Aquisgrán para probar diversos componentes destinados a la construcción de redes cuánticas. Como parte del proyecto de financiación N-Quik, los socios de la industria y el mundo académico pueden así desarrollar nuevos productos y aplicaciones y aprovechar todo el potencial de la computación cuántica distribuida.
El convertidor cuántico de frecuencia de Aquisgrán es un elemento clave para construir la internet cuántica. Fraunhofer ILT, Aquisgrán, Alemania / Volker Lannert.
Recubrimiento y mecanizado en una sola operación
Los revestimientos protectores de alta resistencia resisten 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 revestimiento se aplica mediante deposición de material por láser de alta velocidad extrema (EHLA) y, simultáneamente, se procesa mecánicamente. En este punto, el revestimiento aún está caliente y, por tanto, es mucho más fácil de mecanizar.
El proceso se denomina Mecanizado y Recubrimiento Simultáneos (SMaC) y ahorra mucho tiempo, energía y material. “Con SMaC podemos aplicar revestimientos resistentes a la corrosión y al desgaste de forma económica. Conseguimos calidades superficiales muy elevadas en menos tiempo y con una vida útil de la herramienta potencialmente más larga que con el mecanizado secuencial habitual”, explica Viktor Glushych, jefe del grupo de LMD de Recubrimiento y Tratamiento Térmico de Fraunhofer ILT. Dependiendo del perfil de requisitos y del material de revestimiento, el tiempo de proceso puede reducirse en más de un 60%.
El proceso puede aplicarse de forma muy amplia, desde la industria energética y todo el sector de la movilidad hasta las industrias química y minera. Siempre que se utilicen componentes de alta carga y rotación simétrica, SMaC garantiza el ahorro de importantes recursos.
En la feria Laser World of Quantum se pudo echar un vistazo al interior del convertidor cuántico de frecuencia de Aquisgrán. Foto: Fraunhofer ILT, Aquisgrán, Alemania.
Escáner láser con un 90% menos de volumen de construcción
En realidad, los escáneres láser ya son conjuntos bastante optimizados. Sin embargo, un equipo del Fraunhofer ILT ha conseguido reducir considerablemente su tamaño fusionando el accionamiento del escáner y el sustrato del espejo. El escáner galvo plano ahorra hasta un 90 por ciento de volumen de construcción en comparación con los sistemas convencionales.
El diseño especialmente compacto de sólo 50 cm³ también ahorra mucho peso, lo que abre todo un abanico de posibilidades para su aplicación. Por ejemplo, los sistemas guiados a mano pueden ser aún más ligeros, o se pueden utilizar varios escáneres uno al lado del otro en un cabezal de procesamiento. Este miniescáner utiliza una electrónica de control basada en modelos disponibles en el mercado, una simplicidad que permite a los usuarios integrarlo en máquinas existentes utilizando protocolos de comunicación estandarizados.
La tecnología SMaC ofrece importantes ventajas económicas y tecnológicas, especialmente en el depósito de revestimientos de alta resistencia y difíciles de mecanizar. Foto: Fraunhofer ILT, Aquisgrán, Alemania.
CAPS: láseres de alta potencia para fuentes secundarias
Los tiempos de haz en las líneas de haz de PETRA III en el Sincrotrón Alemán de Electrones (DESY) de Hamburgo suelen estar saturados. PETRA III produce una brillante radiación de rayos X de pulso corto. Esta radiación se utiliza para investigar procesos de soldadura en baterías, por ejemplo, así como muestras biológicas moleculares. Para muchas de estas mediciones (o incluso radioterapias), una solución descentralizada supondría una gran simplificación.
Entre otros, varios equipos de la Fraunhofer-Gesellschaft trabajan actualmente en ello. En el Cluster de Excelencia Fraunhofer Advanced Photon Sources CAPS, 21 institutos Fraunhofer han unido sus fuerzas para desarrollar nuevos láseres de alta potencia para pulsos ultracortos. Estos láseres con potencias de kW ya pueden reservarse en los laboratorios de aplicaciones de Jena (Fraunhofer IOF) y Aquisgrán (Fraunhofer ILT). Gracias a una célula compresora multipaso de nuevo desarrollo, los pulsos de los láseres de kW pueden comprimirse por debajo de 20 fs. De este modo, los pulsos comprimidos de los láseres de kW pueden convertirse en radiación de rayos X, terahercios o MIR, lo que abre el camino a fuentes secundarias descentralizadas (es decir, fuentes de radiación secundaria).
Escáner galvanométrico compacto y plano para nuevos conceptos de planta, desarrollado en Fraunhofer ILT. Foto: Fraunhofer ILT, Aquisgrán, Alemania.
La próxima edición de Laser World of Photonics se celebrará en Múnich (Alemania) del 24 al 27 de junio de 2025.
En el Cluster de Excelencia Fraunhofer Advanced Photon Sources - CAPS, se desarrollan láseres USP de alta potencia para la industria y la investigación. En la imagen, celda multipaso para postcompresión a 2 μm de longitud de onda. Foto: Fraunhofer / Markus Jürgens.
