正確な配置、効率的な実験
気候変動に配慮したエネルギー供給のためのレーザー核融合の研究開発

October, 7, 2024--核融合は、クリーンで比較的リスクの少ない、将来のエネルギー問題に対する先見的な解決策と考えられている。このプロセスでは、従来の原子力発電所の原子炉のように分裂させるのではなく、小さな原子核を極度の温度と圧力で融合させる。同じようなプロセスは恒星でも起こり、また太陽でも起こる。これはCO2を排出することなく、膨大なエネルギーを生み出す。核融合を利用して、気候変動に左右されない方法で大量のエネルギーを生み出すことは、人類の夢と考えられている。しかし、核融合は技術的に非常に難しく、その実現には莫大な投資だけでなく、大掛かりな研究開発が必要である。ミュンヘンを拠点とする新興企業Marvel Fusion社は、商業的に実現可能な初の核融合発電所の建設を目指し、この夢を追求している。このディープ・テクノロジー企業は、CO2フリーのクリーンで安全な電力を生産できる、レーザーを使った新しいアプローチを開発した。プロトタイプの研究は、コロラド州での技術実証機の建設計画とともに、決定的な段階に入っている。コロラド州立大学のキャンパス内に、商業的核融合を研究するための世界初のカスタマイズされたレーザーシステムが建設される予定である。一方、基礎研究はミュンヘンとブカレストで行われている。最大20台のIDSカメラが同時に使用され、高真空チェンバー内の実験を監視・制御している。

「このカメラによって、レーザー核融合の研究開発のための実験を正確にモニターすることができる。」- Caya Momm, Marvel Fusion –
実験が行われる高真空チェンバーの圧力範囲は10^-4パスカルである。この極めて低い圧力は、大気圧の
約10^5をはるかに下回るため、最大8時間のポンプダウン時間を持つ特別な真空ポンプを必要とする。そのため、実験を効率的に行うことが重要である。「カメラのおかげで実験を観察し、測定装置を制御することができる。」とCaya Momm氏（購買部）は言う。

その結果、GigE uEye LEカメラシリーズのモデルが選ばれた。カメラの周囲には特別に開発された保護ハウジングがあり、核融合実験中に起こりうる過酷な条件や強い電磁パルスに耐えることができる。このいわゆるEMPカメラボックスは、高エネルギー放電からカメラの回路部品を保護する。「この設計により、最適な機能性と信頼性が保証される」とKyle Kenney氏（ラボ・エンジニア） は言う。

真空チェンバー内の測定装置の位置合わせ

しかし、カメラには一体何が映っているのか？
実験中、一部のカメラはミラーの反射とレーザーの位置合わせをチェックするように配置される。真空チェンバー内の追加カメラが上部構造の配置を監視する。「これは、チェンバー内の電動アセンブリを外部から制御するために必要なことである。IDSカメラは、測定装置、検出器、センサー、ミラーを制御する。」と語るのは、レーザー実験ごとに最大20台のIDSカメラを使用することを概説するKyle Kenney氏。カメラ使用の主な側面は、それに応じて多岐にわたる：

• 光学系の配置調整カメラはミラーの正しい位置決めを確認する。
• 衝突回避：チェンバー内のオーバービューカメラにより、モーター駆動の上部構造との衝突をリアルタイムでモニタリングする。
• 超精密焦点：もう一組のカメラは、レーザーのターゲットに的確に焦点を合わせ、正確なレーザーターゲット捕捉を可能にする。
• レーザーパルスとの同期：正確でエラーのないデータを得るためには、カメラはレーザーパルスと同期していなければならない。
すべてのタスクを1台のカメラモデルで実行する：Marvel Fusion社は、シングルボードGigEカメラUI-5241LEとSマウントを選択した。
「当社の省スペースプロジェクトカメラは、高解像度、高速、小型で、これらのタスクをすべて解決できる」と、IDS のエリアセールスマネージャー、Markus Schickner氏は説明する。GigE uEye LE は 45 x 45 mm のコンパクトなサイズで、今回のようなお客様独自の組み込みプロジェクトに最適。EMP ハウジングに正確に組み込むことができ、GigE インターフェースにより最大 100 mのケーブル長が可能である。このカメラモデルは、e2v製の1/1.8インチCMOSセンサーを搭載しており、解像度1.3メガピクセル（1,280 x 1,024）、フレームレート50 fpsを実現する。このほか、レーザーパルスに同期するトリガーなどの特別な機能と価格も、モデル選択の決め手となった。uEye LE は必要不可欠な機能に絞られているため、お手頃な価格となっている。一方で、このマルチインテグレーテッドモデルは汎用性に優れているため、さまざまな要求に対応するために特殊なカメラを用意する必要はない。このため、実験に使用する最大20台のカメラの取り扱いが大幅に簡素化される。
「このカメラは、私たちのレーザー実験で効率的に機能するように設計されている。」とCaya Momm氏は述べ、カメラの多用途性を認める。「また、レーザー実験の直接かつ連続的なライブ伝送も可能だ。これにより、真空チェンバーに入る必要が部分的になくなる」と同氏は付け加える。安全面は、カメラボックスの強固な密閉性によって確保され、粒子が漏れるのを防ぎ、真空チェンバーの完全性を汚染から効果的に保護する。

イオン測定用トムソン・パラボラのキャリブレーション

キャプチャされた画像情報は、オープンソースソフトウェアフレームワークのTango Controlsを使用してさらに処理され、IDSカメラはGigE Vision規格インターフェースを介して迅速かつ簡単に組み込むことができる。Tango Controlsは、分散システムにおけるデバイスの制御と監視を可能にし、このような複雑なデバイスの統合と制御を必要とする科学施設や研究所のために特別に開発された。IDSカメラだけでなく、システムに統合された他のすべての機器は、ネットワーク経由で個別に制御できる。同時に、Tangoはイベントベースの通信をサポートしており、実験中に必要な時にすぐに実験セットアップやビジョンシステムにリアルタイムで反応し、調整することができる。カメラから供給されるライブ画像は、Tango Controlsによって即座に処理され、配信される。「レーザーの位置が正確に特定できたので、結果は非常に満足のいくものだった。画像処理によって、リニアドライブで光学系の位置を正確に定義したり、再調整したりすることができる。」とOscar Juina氏（電気技師）は語る。

レーザーシステムのチェック

今後の展望
「この品質のEMPハウジングを備えた特別設計のカメラは、通常、入手が困難で非常に高価だ。」とMarvel Fusionの購買担当、Caya Momm氏は説明する。「IDSカメラの適応性と可用性は、私たちにとっ
て貴重なものだ。現在、限られた時間で研究実験に集中しているため、必要な数量はまだ少ない。しかし、将来的には、より大規模な核融合実験や将来の核融合発電所へのスケールアップが計画されている
ため、この状況は変わる可能性がある。」同社によると、2026年までにコロラド州に世界最強の短パル
スレーザーシステムを建設し、2030年代半ばまでに最初の商業用発電所を建設する予定で、2045年までにエネルギー供給に大きく貢献することを目指しているとという。
レーザー核融合の進歩と革新的なエネルギー源としての可能性は非常に重要である。世界のエネルギー供給におけるCO2排出量を大幅に削減する可能性を秘めている。

クライアント

2019年に設立されたミュンヘンを拠点とするMarvel Fusion社は、安全でクリーンかつ信頼性の高いエネルギー生成の分野における技術のパイオニアである。人類最大の問題のひとつを解決するため、このディープ・テクノロジー企業は、核融合の確率を飛躍的に高め、レーザーとナノ科学の最近の進歩を基礎とした、まったく新しいタイプの核融合エネルギー技術を開発している。

カメラ
uEye LE – 手頃な価格で省スペースのプロジェクトカメラ
使用されたモデル：UI-5241LE-MB
カメラファミリー：uEye LE