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Ein farblich verbessertes Bild des Inneren einer NIF-Vorverstärker-Trägerstruktur. Quelle: Damien Jemison

Neue Energiequelle: Forschende machen Fortschritte bei der Kernfusion

Die Wissenschaft ist der technischen Nutzung der Kernfusion einen Schritt näher gekommen: Amerikanische Forscher berichten, zunächst ein brennendes Plasma und dann die Zündung des Plasmas erreicht zu haben. Dies führt letztlich dazu, dass die Fusionsreaktion sich selbst erhält. Im Kernfusionsreaktor liegt der Brennstoff in Form von Plasma vor, dem Aggregatzustand, der entsteht, wenn man ein Gas extrem erhitzt. Über das Erreichen der neuen Meilensteine berichtet die Gruppe um Alex Zylstra von der National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory (Kalifornien) in der Fachzeitschrift „Nature“.

Kernkraft und Kernfusion gewinnen Energie aus den Bindungskräften von Atomkernen. Bei der Kernkraft werden größere Atome gespalten, es entsteht radioaktiver Abfall und es drohen schwere Unfälle. Bei der Kernfusion hingegen werden kleinere Atomkerne zu größeren verschmolzen (fusioniert), die Technologie ist sauber und sicher. Die Energiegewinnung dabei ähnelt den Vorgängen in Sternen. Allerdings müssen bei der Kernfusion Temperaturen von etlichen Millionen Grad Celsius erreicht werden. Das macht die technische Nutzung der Kernfusion sehr schwierig und deshalb gibt es bis heute keinen Reaktor, mit dem mehr Energie gewonnen wird, als zur Aufheizung des Plasmas hineingesteckt wurde.

Die Forschung ist inzwischen sogar noch weiter

Die Forschenden um Zylstra nutzten für ihre Experimente die weltstärkste Laseranlage, um einige millionstel Gramm von schwerem und überschwerem Wasserstoff (Deuterium und Tritium) in ein Millionen Grad heißes Plasma zu verwandeln. Dabei erhitzen 192 Laserstrahlen das Innere eines wenige Millimeter großen Behälters. Die Innenwände des Behälters geben Wärme in Form von energiereichen Röntgenstrahlen ab und erhitzen eine Brennstoffkapsel im Inneren des Behälters. Die Kapsel fällt in sich zusammen und komprimiert den Brennstoff stark. Sehr hoher Druck und sehr hohe Temperaturen führen dann im innersten Bereich des komprimierten Brennstoffs zur Fusion von Heliumkernen aus Deuterium- und Tritiumkernen. Dies alles geschieht in Bruchteilen von Sekunden.

Bei Experimenten im Februar 2021 konnte das Team um Zylstra ein brennendes Plasma erreichen: Dabei erhitzen die Heliumkerne als Fusionsprodukte das Plasma stärker als die Energiezufuhr von außen, wie die Wissenschaftler das wesentliche Ergebnis ihrer Studie beschreiben. Doch sie deuten an, dass sie inzwischen schon weiter sind: „Als dieser Artikel fertiggestellt wurde, produzierte ein neues Experiment in dieser Reihe am 8. August 2021 eine Fusionsausbeute von etwa 1,35 Megajoule.“ Dies sind etwa 70 Prozent der hineingebrachten Laserenergie von 1,9 Megajoule. Noch wichtiger: Die Forscher zündeten das Plasma, wodurch die Fusionsreaktionen die Temperatur des Plasmas ohne externe Aufheizung aufrechterhalten können.

In einem Kommentar, ebenfalls in „Nature“, bezeichnet Nigel Woolsey von der University of York (York, Großbritannien) das brennende Plasma als eine „Grundvoraussetzung für selbst erhaltende Fusionsenergie“. Das Ziel, einen Kraftstoff zu entwickeln, der die Gefahren des Klimawandels mindere und es ermögliche, die Vorteile von Elektrizität zu genießen, sei es eindeutig wert, weiterverfolgt zu werden.

Experte rechnet nicht mit langfristigen Erfolgen

Markus Roth von der Technischen Universität Darmstadt spricht von einem „sehr schönen wissenschaftlichen Paper“, das allerdings durch den Erfolg im August 2021 inzwischen überholt sei. Auch bezweifelt er, dass die indirekte Erhitzung der Brennstoffkapsel langfristig zum Erfolg führen wird. Inzwischen gebe es immer mehr Versuche mit Lasern, die die Brennstoffkapsel direkt erhitzen. Roth selbst ist an einem Start-up-Unternehmen beteiligt, das die Laserkernfusion voranbringen soll.

Der Forscher hält es für wahrscheinlich, dass in den nächsten Jahren private Firmen die technische Kernfusion voranbringen werden, ähnlich wie in der Raumfahrt. „Quartz“, ein Internetportal für Wirtschaftsnachrichten, berichtete am 9. November 2021: „23 Fusionsunternehmen weltweit haben bis dato 1,9 Milliarden US-Dollar zur Finanzierung bekannt gegeben, die überwiegende Mehrheit davon privat.“

RND/dpa