Kernfusion: Wie Start-ups die Kraft der Sonne zähmen

US-Physikern gelang jüngst eine sich selbst erhaltende Fusionsreaktion. Ein immenser Fortschritt, den auch Start-ups wie Marvel Fusion im Blick haben.

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In dieser Fusionskammer der National Ignition Facility feuern Laser auf ein Kügelchen mit schwerem Wasserstoff, um es zu einer Fusion anzuregen. Bisher erfolglos. Ein deutsches Start-up will dieses Ziel nun bedeutend schneller erreichen als die Amerikaner.

(Bild: Lawrence Livermore National Laboratory)

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Von
  • Wolfgang Stieler
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In Livermore, Kalifornien, versuchen Forscher seit 2009 ein winziges Stückchen Sonne auf Erden zu erschaffen. Sicher und kontrolliert, nutzbar als saubere, nahezu unerschöpfliche Energiequelle. Sie verwenden dazu den größten Laser der Welt: 192 Strahlen transportieren innerhalb von 15 Nanosekunden eine Energie von 4,2 Megajoule von allen Seiten auf ein nur wenige Millimeter großes Ziel. Die geballte Energie soll ein Kügelchen aus Beryllium oder Kunststoff zur Implosion bringen, das mit gefrorenem schwerem Wasserstoff gefüllt ist.


Aufgrund des jüngsten Fortschritts zweier US-Physiker in Livermore veröffentlichen wir diesen Artikel aus der MIT Technology Review aus der Ausgabe 3/2021.


Die geballte Power des riesigen Lasers soll dafür sorgen, dass der Wasserstoff 50 bis 100 Millionen Kelvin heiß und dabei so stark komprimiert wird, dass er hundert Mal dichter wird als Blei. Unter diesen Bedingungen, so hatten die Berechnungen der Physiker ergeben, müssten die Wasserstoffkerne zu Helium verschmelzen und dabei ein vielfaches der Energie wieder freigeben, die sie vorher in die Zündung investiert hatten.

Auf dem Weg zur laserinduzierten Fusion sind die Forscher aus Livermore vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) kürzlich ein ganzes Stück weiter gekommen. Es gelang ihnen, erstmals eine sich selbst erhaltende Trägheitsfusion zu zünden. Allerdings müssen sie noch immer viel mehr Energie in die Erzeugung der Fusion stecken, als sie herausbekommen. Bis zur Nutzung der Laserfusion zur Energieerzeugung ist es noch ein langer Weg. Ein bayerisches Start-up will schneller zum Ziel kommen.

Zugegeben, nicht nur die Laserfusion ist bis heute ein Traum. Das gilt auch für jede andere Form der Fusionsenergie. Dafür geradezu sinnbildlich steht ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), der große, internationale Forschungsreaktor, der seit den 1980er-Jahren geplant, sich nun endlich in Südfrankreich der Fertigstellung nähert. Eine Fusionsreaktion wird dort selbst im besten Falle frühestens 2035 zu sehen sein. Doch die Fusionsforschung hat in den vergangenen Jahren einen enormen Aufschwung genommen. Die Ingenieure von heute verfügen über technische Möglichkeiten, von denen vor 20 Jahren noch niemand zu träumen gewagt hätte. Aus diesem Grund gibt es mittlerweile rund 30 private Unternehmen, die an kleinen Fusionsreaktoren arbeiten und ihre Chancen, bereits früher als ITER zum Zug zu kommen, stehen nicht schlecht.

TR 3/2021

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Das Ziel ist lohnend, keine Frage. Bei einer Kernfusion wird soviel Energie frei, dass sich alle anderen Energiequellen dagegen mickerig ausnehmen: Verschmilzt ein Kilo Wasserstoff zu Helium liefert das so viel Energie wie 11.000 Tonnen Steinkohle.

Technisch ist die Fusion allerdings eine riesige Herausforderung, denn um Wasserstoff-Atome zu Helium zu verschmelzen, muss man sie extrem dicht zusammen bringen. Die Kerne sind allerdings positiv geladen und stoßen sich gegenseitig ab.

Konzept für das Kraftwerk von Marvel Fusion: Die Laser (re.) zünden im Pellet in der Fusionskammer (mi.) eine Fusion. Die dabei frei werdenden Alpha-Teilchen laufen gegen das Magnetfeld einer Spule (li.) und geben dabei ihre Energie ab. Der so gewonnene Strom wird ins Netz gespeist.

(Bild: Marvel Fusion)

Um diese Abstoßung zu überwinden, muss man das Gas extrem erhitzen und dabei verdichten. Es entsteht eine diffuse Wolke aus durcheinander fliegenden Elektronen und Atomkernen, das sogenannte Plasma. Wenn viele Teilchen oft und heftig miteinander zusammenstoßen, fängt das Plasma an zu "brennen", sagen die Wissenschaftler. Das geschieht zum Beispiel bei etwa 100 Millionen Kelvin und einer Plasmadichte von ungefähr 100 Billionen Teilchen pro Kubikzentimeter.

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Ein derartig erhitztes Plasma fliegt unter normalen Bedingungen allerdings einfach auseinander, ohne, dass Kerne miteinander fusionieren. Um das zu verhindern, kann man versuchen, die Teilchen mit starken Magnetfeldern einzusperren. Der größte Teil der Fusionsforschung ist daher auf den "magnetischen Einschluss" des Plasmas in donutförmigen Reaktoren ausgerichtet – den so genannten Tokamaks – auch wenn diese Reaktoren ebenfalls hohe technische Anforderungen stellen.

Das soll beispielsweise beim geplanten internationalen Forschungsreaktor ITER passieren. Oder, man setzt wie in Livermore auf die Trägheit einer Schockwelle im Plasma. Das funktioniert allerdings immer nur für eine sehr kurze Zeit. In einem Laserfusionsreaktor würde daher in schneller Folge eine Brennstoffkapsel nach der anderen abgeschossen und gezündet werden.