Basistechnologien für die Fusion – Modul A

GalvanoFusion

Elektrochemische Abscheidung von Wolframschichten für Fusionsreaktoren aus nicht-wässrigen Elektrolyten

Motivation

In Fusionskraftwerken ist an einigen entscheidenden Stellen der Einsatz von Wolfram unumgänglich, da Wolfram eine sehr hohe Erosionsbeständigkeit gegenüber energetischem Wasserstoff aufweist. Wolfram ist aber ein seltenes Metall (ca. 1 ppm in der Erdkruste), ein Konfliktrohstoff und zudem mechanisch nur sehr schwer bearbeitbar. Es ist daher schwierig, Wolfram als eigentlichen Konstruktionswerkstoff zu wählen. Eine solche Konstellation ist klassisch, um einen oberflächentechnischen Ansatz zu wählen: einen “einfacheren” Werkstoff als Konstruktionswerkstoff zu nehmen und die an der Oberfläche gewollten Eigenschaften mit einer Beschichtungstechnik herzustellen.

Ziele und Vorgehen

Da als Ziel der Ausschreibung in Zukunft Fusionskraftwerke realisiert werden sollen, muss eine Basistechnologie gewählt werden, die auch hin zu Großbauteilen skalierbar ist, komplex geformte Bauteile zugänglich macht und zudem materialeffizient ist. Als Ansatz wird daher die elektrochemische Beschichtung gewählt. Allerdings ist Wolfram auf klassischem Wege aus wässrigen Elektrolyten nicht abscheidbar, da Wolfram eine sehr geringe Wasserstoffüberspannung aufweist. Dies führt dazu, dass, sobald erste Wolframkeime vorliegen, an dem als Kathode geschalteten Bauteil keine Schicht mehr abgeschieden, sondern nur noch Wasserstoff erzeugt wird.

Innovation und Perspektiven

Der wissenschaftlich - technische Ansatz um dieses Problem zu umgehen ist es, wasserfreie Elektrolyte als Basis für die Abscheidung zu nehmen. Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten, einerseits Elektrolyte auf Basis klassischer Lösemittel oder solche auf Basis ionischer Flüssigkeiten. Wesentlich ist dabei, dass reine Wolframschichten erzeugt werden müssen, Legierungsschichten würden den Bedingungen in Fusionsreaktoren nicht standhalten können. Hierin liegt auch der hohe Neuheitsgrad des Projekts: es ist nach dem Stand der Technik nicht möglich, reines Wolfram elektrochemisch abzuscheiden, es gibt hierzu auch keine Veröffentlichungen in der Literatur. Hohes Potenzial hätten Wolframschichten auch für eine Zweitverwertung, eben wegen der niederen Wasserstoffüberspannung. Diese liegt nahe am Platin und auch wenn Wolfram relativ teuer ist, ist es gegenüber Platin sehr günstig. Dies würde eine Verfügbarkeit von reinen Wolframschichten für Kathodenaktivierungen für die Wasserstofferzeugung in Elektrolyseuren sehr interessant machen.

PROJEKTDETAILS

Projektlaufzeit: 01.01.2026 - 31.12.2028
Projektvolumen: 1,5 Mio. Euro (zu 94,7 % durch das BMFTR gefördert)

PROJEKTKOORDINATION

Dr.-Ing. Martin Metzner
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA)
Nobelstraße 12
70569 Stuttgart

✉ Martin.Metzner@ipa.fraunhofer.de

PROJEKTPARTNER

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA)
Stuttgart

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
Garching b. München

IoLiTec Ionic Liquids Technologies GmbH
Heilbronn