Mit einem CO2-Fußabdruck, der 20-mal geringer ist als der von Kohle und 12-mal geringer als der von Erdgas, ist Solarenergie entscheidend für die Energiewende. Bei der Herstellung von Solarmodulen werden Laser benötigt, um das photovoltaische Material auf jede einzelne Solarzelle aufzubringen. Die Designs von Solarmodulen werden immer präziser, was die Produktionskosten senkt und die Effizienz verbessert. Allerdings wird es dadurch für Hersteller zunehmend schwieriger, Solarmodule mit herkömmlichen Laserverfahren zu produzieren.
Ultrakurzpulslaser (USP-Laser) könnten die Lösung sein. Diese ultrapräzisen Laser verwenden Lichtstrahlen, die so kurz sind, dass sie das umgebende Material nicht verbrennen. Dies führt zu einer höheren Genauigkeit beim ersten Durchlauf, was laut Tests sowohl den Ausschuss als auch den Energieverbrauch bei Fertigungsanwendungen um 90 Prozent senken kann. Über das Ritzen von Solarzellen (das Erzeugen dünner Linien im Material) hinaus können USP-Laser Halbleiter-Leiterplatten und Flachbildschirme (d. h. Gerätebildschirme) herstellen. Diese finden Anwendung in der Elektronik, der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizintechnik.
Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (Fraunhofer ILT) in Aachen arbeitet ein Team aus Forschenden unter der Leitung von Martin Osbild an dem von der EU finanzierten Forschungsprojekt METAMORPHA. Das Projekt untersucht die ökologischen Vorteile von USP-Lasern und prüft, wie diese die Fertigung mittels Mikrobearbeitung ersetzen könnten.
Weniger Chemikalien, keine zusätzlichen Beschichtungen und geringerer Verschleiß
Die Lichtimpulse eines USP-Lasers dauern zwischen einer Billionstel und einer Billiardstel Sekunde. Da sie so unglaublich kurz sind, schneiden diese Lichtimpulse äußerst präzise, ohne das umgebende Material zu verbrennen oder zu beschädigen. Das geschnittene Material schmilzt nicht, sondern geht augenblicklich vom festen in den gasförmigen Zustand über. Diese als Kaltbearbeitung bezeichnete Methode eignet sich besonders für wärmeempfindliche Materialien.
Die von herkömmlichen Lasern hinterlassenen Schnitte erfordern Chemikalien, um die Materialoberfläche zu glätten. Bei USP-Lasern kann dieser Fertigungsschritt vollständig übersprungen werden, da die präzisen Schnitte keine Spuren hinterlassen. Während bei herkömmlichen Fertigungsmethoden Produkte nach dem Laserschneiden mit Beschichtungen versehen werden, können USP-Laser direkt in Oberflächenbeschichtungen schneiden. Da die Lasermaschine die Materialien nie berührt, unterliegt sie keinem Verschleiß wie andere Schneidwerkzeuge. Darüber hinaus können Hersteller denselben Laser zur Herstellung mehrerer Produkte nutzen, wodurch der Bedarf an unterschiedlichen Schneidwerkzeugen für jedes Produktdesign sinkt.
USP-Laser minimieren bereits den Chemikalieneinsatz und verbessern die Effizienz in der Fertigung. Durch den Einsatz von 3D-Sensoren und maschinellem Lernen in Verbindung mit USP-Lasern können Hersteller ihre Effizienz weiter optimieren, Abfall reduzieren und Designs verbessern. „Lasertechnologien werden sich zunehmend durchsetzen, da Hersteller aller Branchen weiterhin nach Wegen suchen, Effizienz und Leistung zu verbessern und gleichzeitig die Umweltbelastung zu verringern“, so der Spezialist für Photonik und Laseroberflächentechnik, Professor Andrés Lasagni, der an einem früheren EU-Forschungsprojekt zu USP-Lasern beteiligt war.
Hohe Kosten und Leistungsanforderungen – aber enormes Potenzial
Leider ist die für USP-Laser erforderliche ultrapräzise Technologie nicht billig. Neben hohen Anschaffungskosten für Hersteller haben USP-Laser auch einen hohen Energiebedarf. Aktuelle kommerzielle Systeme arbeiten mit 200 bis 300 Watt, doch das METAMORPHA-Team testet einen 1-Kilowatt-USP-Laser. Dies würde es ermöglichen, USP-Laser effizient im industriellen Maßstab einzusetzen.
In der Solarmodulherstellung, die laut IEA im Jahr 2021 mehr als 51,9 Millionen Tonnen CO2 verursachte, würde eine Effizienzsteigerung und eine Reduzierung des Abfalls um bis zu 90 Prozent eine erhebliche Menge an CO2-Emissionen vermeiden. Überträgt man diese Einsparungen auf eine Vielzahl von Branchen, wird das Potenzial dieser ultraschnellen, ultrapräzisen Lichtstrahlen sichtbar.
