Letzte Woche drinnen einer vergoldeten Trommel in einem nordkalifornischen Labor stellte eine Gruppe von Wissenschaftlern kurz die Physik nach, die die Sonne antreibt. Ihr nächtliches Experiment bestand darin, 192 Laser in die Kapsel zu feuern, die ein pfefferkorngroßes Pellet enthielt, das mit Wasserstoffatomen gefüllt war. Einige dieser Atome, die sich normalerweise abstoßen, wurden zusammengedrückt und verschmolzen, ein Prozess, der Energie erzeugt. Nach Maßstäben erdgebundener Fusionsreaktionen war es a viel von Energie. Jahrelang haben Wissenschaftler diese Art von Experimenten durchgeführt, nur um festzustellen, dass die Energie, die zum Kochen des Brennstoffs verwendet wird, nicht ausreicht. Diesmal haben sie es endlich übertroffen.
Dieses Kunststück, das als Zündung bekannt ist, ist ein großer Gewinn für diejenigen, die Fusion studieren. Wissenschaftler mussten nur zu den Sternen aufblicken, um zu wissen, dass eine solche Energiequelle möglich ist – dass die Kombination von zwei Wasserstoffatomen zu einem Heliumatom einen Massenverlust mit sich bringt und daher gemäß E = mc2, eine Freisetzung von Energie. Aber es war ein langsamer Weg seit den 1970er Jahren, als Wissenschaftler erstmals das Ziel der Zündung definierten, das manchmal auch als „Break-Even“ bezeichnet wird. Letztes Jahr kamen Forscher der National Ignition Facility des Lawrence Livermore Labs nahe heran und erzeugten etwa 70 Prozent der Laserenergie, die sie in das Experiment feuerten. Sie machten mit den Experimenten weiter. Dann, am 5. Dezember, kurz nach 1 Uhr morgens, gelang ihnen endlich die perfekte Aufnahme. Zwei Megajoule hinein; 3 Megajoule raus. 50 Prozent Energiegewinn. „Dies zeigt, dass es möglich ist“, sagte Jennifer Granholm, US-Energieministerin, heute Morgen auf einer Pressekonferenz.
Für Fusionswissenschaftler wie Mark Cappelli, einen Physiker an der Stanford University, der nicht an der Forschung beteiligt war, ist es ein aufregendes Ergebnis. Aber er warnt davor, dass diejenigen, die in naher Zukunft auf die Fusion als reichlich vorhandene, kohlenstofffreie und abfallfreie Energiequelle hoffen, möglicherweise warten müssen. Der Unterschied, sagt er, liegt darin, wie Wissenschaftler die Gewinnschwelle definieren. Heute sagten die NIF-Forscher, dass sie so viel Energie herausgeholt haben, wie ihr Laser auf das Experiment abgefeuert hat – eine gewaltige, lang erwartete Leistung. Das Problem ist jedoch, dass die Energie in diesen Lasern nur einen winzigen Bruchteil der Energie ausmacht gesamt Energie, die beim Zünden der Laser beteiligt ist. Nach diesem Maßstab bekommt NIF viel weniger, als es investiert. „Diese Art von Gewinnschwelle ist weit, weit, weit, weit weg“, sagt Cappelli. „Das ist Jahrzehnte später. Vielleicht sogar ein halbes Jahrhundert später.“
Das Problem sind ineffiziente Laser. Die Erzeugung von Fusionsenergie mit der NIF-Methode beinhaltet das Schießen von Dutzenden von Strahlen in einen Goldzylinder namens Hohlraum, der auf mehr als 3 Millionen Grad Celsius erhitzt wird. Die Laser zielen nicht direkt auf den Kraftstoff. Stattdessen ist ihr Ziel, „eine Suppe aus Röntgenstrahlen“ zu erzeugen, sagt Carolyn Kuranz, eine Fusionsforscherin an der University of Michigan. Diese beschießen das winzige Brennstoffpellet aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium und zerkleinern es.
Dies muss mit perfekter symmetrischer Präzision erfolgen – einer „stabilen Implosion“. Andernfalls knittert das Pellet und der Brennstoff wird nicht ausreichend erhitzt. Um das Ergebnis der letzten Woche zu erreichen, verwendeten die NIF-Forscher verbesserte Computermodelle, um das Design der Kapsel zu verbessern, die den Treibstoff enthält, und die Laserstrahlen zu kalibrieren, um genau die richtige Röntgenstrahlenstreuung zu erzeugen.
Derzeit emittieren diese Laser etwa 2 Megajoule Energie pro Impuls. Für Fusionswissenschaftler ist das eine gewaltige, aufregende Energiemenge. Es entspricht nur ungefähr der Energie, die in etwa 15 Minuten beim Betrieb eines Haartrockners verbraucht wird – aber auf einmal, in einer millionstel Sekunde. Die Erzeugung dieser Strahlen am NIF erfordert einen Raum, der fast die Größe eines Fußballfeldes hat und mit Blitzlampen gefüllt ist, die die Laserstäbe anregen und die Strahlen ausbreiten. Allein dafür werden 300 Megajoule Energie benötigt, von denen der größte Teil verloren geht. Fügen Sie diesen Schichten von Kühlsystemen und Computern hinzu, und Sie erhalten schnell einen Energieeintrag, der um mehrere Größenordnungen größer ist als die Energie, die durch Fusion erzeugt wird. Schritt eins für die praktische Fusion ist laut Cappelli also die Verwendung viel effizienterer Laser.