Kernfusion: Wie Start-ups die Kraft der Sonne zähmen

Tunneleffekt aus Bayern

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Leisten können solche Forschungsaufgaben bisher nur Großforschungsanlagen. Umso erstaunlicher, dass Marvel Fusion, ein kleines, deutsches Start-up, ankündigt, in zehn Jahren einen Demonstrator bauen zu wollen, der verwirklicht, was diesen Einrichtungen bisher nicht gelungen ist. Zweifellos ist das eine steile Ansage. Und mehr noch: Marvel Fusion will nicht nur ein kommerziell nutzbares Fusionskraftwerk entwickeln. Das Unternehmen will auch noch einen besonders schwierigen Pfad zur Fusion nutzen: Statt schweren Wasserstoff in Form von Deuterium und Tritium, wollen die Münchner Protonen und Bor verschmelzen. Um solch eine Fusion zu zünden, braucht es jedoch noch zehnmal höhere Temperaturen als für die Deuterium-Tritium-Fusion. Wie soll das gehen?

Karl-Georg Schlesinger, Mitbegründer und wissenschaftlicher Leiter von Marvel Fusion.

(Bild: Marvel Fusion)

Mit einem "hoch innovativen Ansatz" sagt Karl-Georg Schlesinger, Mitbegründer und führender Wissenschaftler von Marvel Fusion. "Normalerweise bräuchten Sie für eine Protonen-Bor-Fusion sehr hohe Temperaturen. Die Kerne sind ja alle positiv geladen, und der Potenzialberg dazwischen, der Coulombwall muss überwunden werden." "Das ist ein bisschen wie das Hindernis beim Golf“, sagt Schlesinger. "Aber wir machen das anders. Wir bringen das Plasma in Bedingungen, bei denen starkes Quantentunneling auftaucht." Mit anderen Worten: Die Bälle werden nicht über das Hindernis gespielt, sondern sie fliegen geradewegs hindurch.

Interview: „Den ersten guten Schuss aufs Tor“

Christofer Mowry ist seit 2017 CEO von General Fusion. Zuvor hatte Mowry, der ursprünglich Maschinenbau studiert hat, für eine Reihe anderer Erzeuger in der Energiebranche gearbeitet.

(Bild: General Fusion)

Chris Mowry, CEO von General Fusion, über das neue Interesse privater Unternehmen an der Fusionsenergie, die Kunst, Kolben aus flüssigem Metall zu formen und die Suche nach der sauberen Energie-Alternative.

Die Fusionsenergie bekommt mehr Aufmerksamkeit denn je. Warum ist das so – schließlich ist die Idee immer noch hoch spekulativ? Niemand hat bis jetzt bewiesen, dass er so etwas wie einen Fusionsreaktor wirklich bauen kann.

Chris Mowry: Heute gibt es etwa 30 private Fusionsunternehmen auf der Welt. Die Zahl erhöht sich fast jeden Monat. All das wird durch privates Investorenkapital finanziert. Ich denke, das ist ein ziemlich wichtiges Signal, denn diese Leute wollen Gewinn machen. Es geht nicht um Regierungsprogramme zur Unterstützung von Null-Kohlenstoff oder Dekarbonisierung, oder so etwas in der Art.

Zweitens denke ich, dass es extrem wichtig ist, zwei Dinge zu unterscheiden: den Nachweis, dass Forscher Fusion herstellen können, und das Wissen, wie man Fusion zu einer praktischen, sauberen Energietechnologie machen kann. Das eigentliche Rennen, wenn Sie so wollen, und die Bemühungen und der Fokus der privaten Fusionsfirmen, ist nicht, irgendwie zu zeigen, dass Fusion möglich ist. Fusion ist möglich. Die wirkliche Anstrengung ist zu zeigen, wie man Fusionsenergie in kohlenstofffreien Strom verwandeln kann.

General Fusion ist sicherlich ein Unternehmen, das in diesem Rennen ganz vorne mit dabei ist. Wir werden in den kommenden Monaten einige Ankündigungen machen, um zu zeigen, dass wir auf einem guten Weg dorthin sind.

Der Ansatz von General Fusion ist recht ungewöhnlich. Sie wollen Kolben verwenden, um eine Schockwelle zu erzeugen, die Plasma verdichtet, um so eine Fusion zu zünden. Aber soweit ich weiß, ist die Idee, dass man so eine Fusion erzeugen kann, noch unbewiesen. Stimmt das?

Nein.

Nein? Das müssen Sie mir erklären...

Eine gute Analogie für unseren Ansatz zur Fusion ist der Dieselmotor. Wir beginnen im Grunde mit der gleichen Art von Plasma, wie in Maschinen mit magnetischem Einschluss, aber dann komprimieren wir es so, wie man Dieselkraftstoff und Luft in der Kammer eines Dieselmotors komprimiert. Und wir haben dabei thermonukleare Fusionsneutronen erzeugt.

Aber das haben Sie nicht veröffentlicht?

Nein. Wir haben Fusionsneutronen in technischen Tests erzeugt, die nicht genau denselben Prozess verwenden, den wir in einem Kraftwerk einsetzen werden. Der nächste Schritt für uns ist also, eine Maschine im Kraftwerksmaßstab zu bauen, die alles integriert, einschließlich des Plasma-Injektors und des Kompressionsmechanismus im Kraftwerksmaßstab.

Wie lange wird das dauern?

Das ist ein Fünf-Jahres-Programm, das wir jetzt begonnen haben.

Sie haben eine Menge Konkurrenz. Jetzt kommt mit Marvel Fusion ein Unternehmen dazu, das Laserfusion nutzen will. Macht Ihnen manchmal Sorgen, dass einige Leute vielleicht schneller sein könnten als Sie?

Nein. Natürlich ist alles möglich, aber ich bin zuversichtlich, dass wir einen guten Ansatz haben. Ich verwende hier gerne eine Fußball-Analogie: Wichtig für uns ist, dass wir den ersten guten Schuss aufs Tor haben. Für die Gesellschaft ist etwas anderes wichtig: Einer von diesen Schüssen wird reingehen. Und das ist gut, weil der Zweck der Kernfusion letztlich darin besteht, eine gute Ergänzung zu den erneuerbaren Energien zu liefern. Es ist wichtig, dass jemand dieses Problem löst.

Der "Tunneleffekt" ist ein alter Bekannter, wenn man mit den Energiepotenzialen von Atomen jongliert. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit für solch ein Durchtunneln in der Regel sehr klein. Warum das bei Marvel Fusion trotzdem funktionieren soll, will Schlesinger nicht verraten. Nur so viel: Ein extrem starker Laser feuert einen sehr, sehr kurzen Puls ab – fokussiert auf einen Fleck, der nur wenige Mikrometer Durchmesser hat. Das Target, das den Brennstoff enthält, ist "nicht einfach eine homogen gepresste Kugel, sondern es besitzt eine sehr feine Nanostruktur auf atomarer Skala", sagt Schlesinger. Die sorgt dafür, dass das durch den Laserbeschuss entstehende Plasma in einen "stark korrelierten" Zustand versetzt wird, in dem die Fusion zwischen den Atomkernen durch den quantenmechanischen Tunneleffekt vereinfacht wird. "Das ist ein Prozess, der in der Natur tatsächlich vorkommt", sagt Schlesinger. "In Supernovaexplosionen vom Typ 1A. Daran können Sie sehen, dass dies hier etablierte Physik ist."

Das Verfahren hat mehrere Vorteile: Zum einen werden bei einer Fusion von Bor-11-Atomen und -Protonen keine Neutronen frei – bei der Fusion von Wasserstoffatomen schon: Die schnellen Neutronen knallen dann gegen die Wand des Tokamak-Reaktors in speziell mit Wolfram oder Beryllium beschichtete Wandsegmente – sogenannte "Blankets" – und geben dort ihre Energie als Wärme ab, die dann in Strom umgewandelt wird. Wie man die Reaktorwände dazu bringt, dem dauerhaften Ansturm hochenergetischer Neutronen möglichst lange stand zu halten, ist allerdings noch Gegenstand aktueller Forschung. Und selbst wenn das gut gelingt, wird der Stahl durch den Neutronenbeschuss radioaktiv.

Bei der Kernfusion von Protonen und Bor entstehen drei Alpha-Teilchen, in denen nahezu die gesamte Energie des Fusionsprozesses steckt.

(Bild: Marvel Fusion)

Die Bor-Proton-Fusionsreaktion produziert stattdessen drei hochenergetische Alpha-Teilchen, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Weil diese Teilchen elektrisch geladen sind, lässt sich ihre Energie direkt in elektrischen Strom umwandeln: Man muss die Teilchen nur gegen ein Magnetfeld "anlaufen" lassen. In der Spule, die dieses Magnetfeld erzeugt, wird dann ein Strom induziert. "Sie brauchen keinen Wärmetauscher, und keine Turbine", sagt Schlesinger. "Wir wollen 60 bis 80 Prozent der entstehenden Energie nutzen". Und haben die Alphateilchen genügend ihrer Energie abgegeben, können sie Elektronen einfangen und werden zu unbedenklichem Helium.

Zum anderen kranken die erfolglosen Versuche der Laserfusion wahrscheinlich daran, dass im Brennstoff-Target durch Turbulenzen der Energietransfer unterbrochen und damit das Brennen unmöglich wird. Die Forscher in Livermore, an der National Ignition Facility (NIF), müssen ihre Targets daher extrem symmetrisch bauen, weil jede kleine Asymmetrie zu großen Instabilitäten führt. "Das ist sehr teuer", sagt Schlesinger. "Im Prinzip werfen die da mit jedem Schuss den Gegenwert einer guten Schweizer Uhr rein – in der Größenordnung von 100.000 Dollar." Dieser Aufwand, sagt Schlesinger, sei bei Marvel Fusion nicht notwendig. "Dafür ist bei uns vorne die Physik anspruchsvoller."

Ein guter Teil dieser "anspruchsvollen Physik" steckt in den Laserpulsen, die das Target mit der nötigen Energie versorgen sollen. In einem Laser durchläuft das Licht immer und immer wieder ein Verstärkermedium – ein Kristall oder ein Gas – und wird dabei immer intensiver. "Das geht aber nur bis zu einer gewissen Grenze. Dann würde das Licht das Verstärkermedium zerstören", erklärt Georg Korn, Chief Science and Technology Officer bei Marvel Fusion.

Um extrem kurze Pulse mit sehr hohen Spitzenleistungen im Petawatt-Bereich – das sind eine Million Milliarden Watt – zu erreichen, kommt daher eine Technik zum Einsatz, für deren Entwicklung der französische Physiker Gérard Mourou und die kanadische Physikerin Donna Strickland 2018 mit dem Nobelpreis in Physik ausgezeichnet wurden: die Chirped Pulse Amplification (CPA).