Forscher in den USA haben endlich ein vor Jahrzehnten gesetztes Ziel erreicht: das Erreichen der „Zündung“ – mehr Energie herauszuholen, als man hineinsteckt – durch Kernfusion.
Die Wissenschaftler der Lawrence Livermore National Laboratory‘s National Ignition Facility (NIF), wo das Experiment stattfand, sind zweifellos sowohl aufgeregt als auch erleichtert, endlich das Versprechen zu erfüllen, das der Name ihrer Einrichtung impliziert. Aber wie aufgeregt sollte der Rest von uns sein? Was bedeutet dies wirklich für die Möglichkeit, praktisch unbegrenzt saubere Energie zu erzeugen, und was muss noch geschehen, um dies zu erreichen?
Während die Fusionsreaktionen mehr Energie freisetzten, die dem Ziel zugeführt wurde, berücksichtigt dies nicht die weitaus größeren Energiemengen, die zum Abfeuern des Lasers benötigt werden, der zum Antreiben des Experiments verwendet wurde. Auch war der Energiestoß nicht in Form von Elektrizität, sondern ein Puls von energetischen Teilchen. Diese Partikel zur Stromerzeugung zu nutzen – und einen Fusionsreaktor konstant am Laufen zu halten – wird viele Hürden überwinden.
Dennoch ist Ignition eine bemerkenswerte Errungenschaft, die verspricht, das Interesse an der Bewältigung dieser weiteren Herausforderungen zu wecken und möglicherweise auch Mittel dafür zu mobilisieren.
Wie es funktionierte und was es bewirkte
Werfen wir einen Blick auf die Details dessen, was genau erreicht wurde. Die Forscher verwendeten einen Hochleistungslaser, um 2,05 Mio. Joule Energie auf ein winziges Ziel zu feuern, das Fusionsbrennstoff enthielt. Dadurch werden leichte Atomkerne im Brennstoff zu schwereren Kernen zusammengepresst – Freisetzung von 3,15 Mio. Joule Energie dabei.
Dies entspricht einem Gewinn von etwa 1,5 (2,05 x 1,5 = 3,1). Es war ein Energiestoß, der so intensiv war, dass der brennende Fusionsbrennstoff für den Bruchteil einer Sekunde zehntausendmal mehr Energie erzeugte als die kombinierte Leistung aller Kraftwerke auf der Erde.
Das ist große Wissenschaft. Das NIF-Gebäude besteht aus nicht einem, sondern 192 einzelnen Laserstrahlen, die über eine Distanz von mehr als einem Kilometer hin und her prallen, bevor sie das Ziel erreichen. Das Gebäude, in dem all diese Technik untergebracht ist, ist 10 Stockwerke hoch und so groß wie drei (American) Football-Felder, die nebeneinander liegen.
Die Fusionsforschung gliedert sich in zwei Hauptstränge: Lasergetriebene Fusion und magnetische Einschlussfusion. Magnetischer Einschluss beinhaltet das Schweben von Fusionsbrennstoff in Form eines Plasmas (geladenes Gas) unter Verwendung eines großen Magnetfelds. Bei der lasergetriebenen Fusion werden stattdessen winzige Kapseln aus Fusionsbrennstoff auf unglaublich hohe Dichten implodiert, wobei die Verbrennung an diesem Punkt so schnell fortschreitet, dass erhebliche Energie freigesetzt werden kann, bevor der Brennstoff die Chance hatte, auseinanderzufliegen.
In beiden Fällen muss der Brennstoff auf Temperaturen von mehreren zehn Millionen Grad Celsius gebracht werden, um ihn zu verbrennen. Es ist diese Anforderung, mehr als jede andere, die es so schwierig macht, eine Fusion zu erreichen.
Die lasergetriebene Fusion stellt noch große Herausforderungen
Die Laserfusion ist eine gepulste Technologie, und eine große Hürde ist die sogenannte Laserrepetitionsrate. Energie wird in intensiven Stößen freigesetzt, die viel weniger als eine Milliardstel Sekunde dauern und einige Male pro Sekunde wiederholt werden müssen, um eine durchschnittliche Leistung zu erzeugen, die mit modernen Kraftwerken auf Basis fossiler Brennstoffe vergleichbar ist.
Der NIF-Laser ist nach diesen Maßstäben viel zu langsam. Es kann nur zweimal am Tag gefeuert werden. Das Ziel von NIF war es jedoch, zu demonstrieren, dass die Zündung auf Einzelschussbasis möglich ist, und nicht, die Anforderungen eines tatsächlichen Kraftwerks nachzuahmen.
Ein weiterer Grund, warum die Zündung so lange gedauert hat, ist, dass es nicht die einzige Mission der NIF ist – sie unterstützt auch das US-Atomwaffenprogramm.
Die Physik der lasergetriebenen Fusion ist so komplex und facettenreich, dass Computersimulationen oft mehr Zeit in Anspruch nehmen als tatsächliche Experimente. Früher lernten Modellierer eher aus den Experimenten, als den Experimentatoren zu sagen, was sie als nächstes tun sollten. Ein zunehmende Nähe zwischen Modellvorhersage und experimentellem Ergebnis hat den jüngsten Erfolg bei NIF untermauert und verheißt Gutes für zukünftige Verbesserungen im Zieldesign.
In den nächsten Monaten müssen Modellierer und Experimentatoren zeigen, dass das Ergebnis reproduzierbar – wieder erreichbar – ist, was sich in der Vergangenheit als schwierig erwiesen hat.
Es gibt noch eine Reihe weiterer Herausforderungen, die es zu meistern gilt. Es wurde viel Arbeit geleistet Entwurf und Bau von Lasern die viele Male pro Sekunde hochenergetische Impulse abfeuern kann.
Eine weitere große Einschränkung besteht darin, dass der NIF-Laser 300 Mio. Joule elektrische Eingangsleistung benötigt, um 2 Mio. Joule Laserlichtleistung bereitzustellen – weniger als 1 Prozent Effizienz. Das Ziel müsste also eine undurchführbar große Verstärkung erzeugen, um mehr Energie zu erzeugen, als für den Betrieb des in diesem Fall verwendeten Lasers aufgewendet wurde.
Der NIF-Laser basiert jedoch auf Technologien, die bis in die 1980er Jahre zurückreichen. Es verwendet Blitzlampen und Verstärker aus Glasplatten, die mit dem Seltenerdelement Neodym dotiert sind.
Moderne Hochleistungslaser mit Halbleitertechnologie weitaus besser abschneiden und einen Wirkungsgrad von rund 20 Prozent erreichen. Da von lasergetriebenen Fusionszielen erwartet wird, dass sie bei optimaler Funktion Gewinne von über 100 erzielen können, würde die Verwendung moderner Laser einen erheblichen Nettoenergieertrag erzeugen.
Der Bau eines funktionierenden Reaktors liegt noch in weiter Ferne
Eine weitere Herausforderung für die lasergetriebene Fusion besteht darin, die Kosten der Targets zu senken. Die zur Herstellung der NIF-Ziele benötigte Arbeitskraft bedeutet, dass jedes so viel kostet wie ein brandneues Auto.
Jedes Mal, wenn der Laser feuert, ist ein neues Ziel erforderlich. Für die eigentliche Stromproduktion würde das mehrmals pro Sekunde eine neue bedeuten. Die bei NIF verwendeten Ziele beruhen ebenfalls auf einer Technik, die als bekannt ist indirekter Antrieb bei dem das Ziel zunächst die Laserenergie in Röntgenstrahlen umwandelt, die dann die Fusionsbrennstoffkapsel im Inneren des Ziels implodieren. Dies erhöht sowohl die Komplexität als auch die Kosten.
Viele Wissenschaftler sind der Ansicht, dass der Weg nach vorn für lasergetriebene Fusionsenergie beinhalten würde Direktantriebszündung. Dabei beleuchtet der Laser direkt eine einfache, kugelförmige Brennstoffkapsel. Dieser Ansatz zur Zündung muss jedoch noch demonstriert werden.
Der Brennstoff von NIF (Deuterium und Tritium) gibt einen Großteil seiner Energie in Form von hochenergetischen Neutronen (Teilchen, die zusammen mit Protonen den Atomkern bilden) ab. Die Neutronen interagieren mit den Materialien im Reaktorbehälter und verändern ihre Zusammensetzung und mikroskopische Struktur.
Dies könnte optische Komponenten, die Laserlicht effizient übertragen oder reflektieren müssen, vor ernsthafte Herausforderungen stellen. Einige Wissenschaftler betrachten das Fahren ähnlicher Physik mit alternativen Mittelnmöglicherweise unter direkter Verwendung von gepulster elektrischer Leistung oder fokussierter Ionenstrahlen (geladene Atome).
Magnetische Fusionsforschung führt den Weg in vielen Bereichen rund um den Bau eines Leistungsreaktors. Es musste viele der gleichen Probleme angehen, um zu entwerfen und zu bauen die ITER-Anlage, das ebenfalls auf Gewinn abzielt und in Südfrankreich kurz vor dem Abschluss steht. Wissenschaftler und Ingenieure beider Forschungsrichtungen arbeiten gemeinsam an gemeinsamen Aspekten des Reaktorbaus.
Fusionskraft schien jahrzehntelang ein Preis zu sein, der für immer unerreichbar bleibt. Obwohl erhebliche Herausforderungen bestehen bleiben, da Forscher jetzt aktiv an der Verbesserung der Lasertechnologie und des Reaktordesigns arbeiten, werden Durchbrüche unweigerlich zu weiteren Fortschritten in Richtung Kernfusionskraftwerke führen. Einige Forscher, die an der Fusion arbeiten, ahnen jetzt, dass sie sehen könnten, dass die Fusion noch zu ihren eigenen Lebzeiten Energie in das Netz einspeist.
John Pasley ist Senior Lecturer für Physik an der University of York. Pasley arbeitet nicht für Unternehmen oder Organisationen, die von diesem Artikel profitieren würden, ist nicht beratend tätig, besitzt keine Anteile an ihnen oder erhält von diesen Finanzmittel und hat über ihre akademische Ernennung hinaus keine relevanten Zugehörigkeiten offengelegt.
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Hauptbild: Hal Gatewood