Durchbruch bei Kernfusion: Neuer Reaktortyp entwickelt

Die NASA hat eine revolutionäre Kernfusions-Technologie entwickelt. Sind wir damit kurz davor, all unsere Energieprobleme zu lösen? 

Wer an die NASA denkt, hat vielleicht die Mondlandungen vor Augen, oder die Voyager-Sonden, die weit außen im Sonnensystem umherschwirren – aber eher weniger Kernfusionstechnologien. Doch es sieht so aus, als könnte es ausgerechnet die Weltraumbehörde NASA sein, die uns den entscheidenden Durchbruch bei der Kernfusion beschert. Bevor wir uns dem revolutionären Verfahren der NASA widmen, schauen wir uns erst mal an, welche derzeitigen Kernfusionsmethoden es gibt. 

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Die Kernfusion klingt zu schön, um wahr zu sein – sie bietet alle Vorteile der Kernenergie: keine Kohlendioxidemissionen, kompakte Größe, sofort abrufbare Energie und sehr hohe Leistung, ohne die Nachteile wie Kernschmelzen, radioaktive Abfälle oder gefährliche Brennstoffe. 

Wie funktioniert Kernfusion? 

Bei der Kernfusion werden zwei Atome mit so viel Kraft aufeinander gepresst, dass ihre Atomkerne zu einem neuen Kern verschmelzen und dabei setzen sie unglaubliche Energiemengen frei. Die Kernfusion treibt zum Beispiel unsere Sonne an, aber selbst dort gelingt der Fusionsprozess nur im Inneren der Sonne. Dort herrschen unfassbare Temperaturen und ein hoher Druck, so dass dort Wasserstoff zu Helium fusionieren kann. 

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Wenn wir diesen Prozess auf der Erde nachahmen könnten, wären unsere Energieprobleme für immer gelöst. Doch da auf der Erde ganz andere Bedingungen als im Inneren unserer Sonne herrschen, ist das einfacher gesagt als getan. Man versucht eine effiziente Kernfusion auf der Erde bislang mit verschiedenen Verfahren zu erreichen. Magnetische Einschlussreaktoren und magnetische Zielreaktoren verwenden massive supraleitende Magnete, um das Wasserstoffplasma mit genügend Kraft zusammenzudrücken, um eine Fusion zu erzeugen. Die erforderliche Energie für die Kühlung der Magneten ist allerdings enorm. 

Dann gibt es noch Reaktoren mit internem Einschluss, die Laser verwenden, um eine kleine, mit Wasserstoff gefüllte Kapsel auf irrsinnige Temperaturen zu erhitzen, die die Fusion auslösen. Aber auch hier das Problem: Diese starken Laser benötigen jede Menge Energie, um zu funktionieren. Die Diskrepanz zwischen der immensen Energie, die man in den Fusionsprozess hineinstecken muss und die relativ geringe Energie, die man bislang heraus bekam, sind das große Problem, das die Kernfusionsforschung lösen muss. Vielleicht sind wir nun durch die Technologie der NASA der Lösung des Problems einen Schritt näher gekommen.

NASA: Neuer Reaktortyp entwickelt

NASA sucht Energiequelle für Sonden

Wie kommt da jetzt die NASA ins Spiel? Auf der Suche nach einem neuen Weg, ihre Weltraumsonden mit Energie zu versorgen, haben NASA-Wissenschaftler eine Möglichkeit gefunden, einen Fusionsreaktor zu bauen, der viel einfacher, viel kompakter und potenziell viel effizienter ist als alle anderen, die wir heute haben. Die geniale Erfindung der NASA-Ingenieure trägt den Namen Gittereinschlussreaktor. Der Gittereinschluss ist ein viel eleganterer und leistungsärmerer Weg, um Wasserstoffatome so dicht zu machen, dass sie fusionieren können. 

Um das zu verstehen, müssen wir uns logischerweise mal auf die atomare Ebene begeben. Für den Gittereinschluss wird ein Metallgitter verwendet. Auf molekularer Ebene haben alle Metalle eine Kristallstruktur. Das bedeutet, dass die Atome in einem einheitlichen, sich wiederholenden Muster, dem so genannten Gitter, angeordnet sind. Wasserstoff kann in bestimmte Metallgitter gedrückt werden und die Räume zwischen den Metallatomen besetzen. Besonders gut funktioniert das mit dem metallischen Element Erbium, da hier die metallischen Bindungen den Wasserstoff sehr eng zusammenpressen. 

Gitterstruktur auf Molekularebene

Mit Gammastrahlen zur Kernfusion

Wenn man Wasserstoff in so ein Erbiumgitter presst, dann bezeichnet man das als deuteriertes Erbium. Die Wasserstoffatome sind in diesem deuterierten Erbium eng zusammengequetscht. Das reicht fast schon dafür, dass die Wasserstoffatome fusionieren, aber noch nicht ganz. Aber dieses fehlende Quäntchen für die Fusion konnte die NASA extern hinzufügen. Die NASA-Ingenieure mussten lediglich einige Gammastrahlen auf das deuterierte Erbium schießen. 

Einige dieser Gammastrahlen treffen direkt auf ein Wasserstoffatom und bewirken, dass es „dissoziiert“, sich also in ein schnelles Neutron und ein Proton verwandelt. Das schnelle Neutron stößt mit einem anderen Wasserstoffatom zusammen und wird mit hoher Geschwindigkeit weggeschleudert. Dieses neue Hochgeschwindigkeits-Wasserstoffatom stößt dann mit genügend Kraft auf ein anderes, und: BÄMS! Die Fusion wird ausgelöst. 

Das bedeutet: Ohne riesige Laser oder supraleitende Magnete konnte die NASA mit einem einfachen Metallstück und einem Gammastrahl einen Kernfusionsreaktor bauen. Und das ist natürlich auch der große Vorteil des Gittereinschlussreaktors: Er ist im Gegensatz zu anderen Kernfusionsreaktoren einfach und kostengünstig zu bauen und natürlich auch viel schneller zu skalieren als beispielsweise so ein Riesenprojekt wie der ITER-Reaktor, an dem mittlerweile schon Jahre gebaut und geplant wird. 

Gelände des ITER Reaktors

Warum pflastern wir nicht die Erde mit Gittereinschlussreaktoren voll? 

Gute Frage! Die NASA arbeitet dran. Die ersten Experimente, die beweisen, dass es überhaupt funktioniert, wurden im Jahre 2020 durchgeführt. Jetzt muss die NASA herausfinden, wie man die Anzahl der Fusionsereignisse im Erbium-Gitter erhöht und wie man die Energie effizient extrahiert – beides ist nicht einfach. Grundsätzlich muss man also leider festhalten, dass der Gittereinschlussreaktor am selben Problem krankt wie die anderen Kernfusionsmethoden: Es kommt am Ende noch nicht mal annähernd genügend Energie dabei raus. 

Aber der Gittereinschlussreaktoren ist dennoch eine der vielversprechendsten Methoden, da er vergleichsweise simpel zu bauen ist und dadurch die anderen Methoden übertrifft. Und wenn es funktionieren würde? Dann würden wir die Raumfahrt revolutionieren. Plötzlich könnten alle Raumfahrzeuge mit einer kleinen, leichten Energiequelle ausgestattet werden, die über Monate oder sogar Jahre hinweg eine hohe Leistung erbringen kann. Eine solche Technologie wäre eine große Hilfe für die Menschen, die versuchen, den Mars zu ihrer Heimat zu machen. Dann könnte man mal eben mit dem Gittereinschluss-Shuttle zum Mars rüber jetten. Und diese Technologie würde natürlich auch das Leben auf der Erde revolutionieren. Sollte der Energieerzeugungsdurchbruch gelingen, könnte die Welt also unfassbar schnell auf Kernfusion umsteigen – bei den anderen Methoden müssten erst mal aufwendige Fusionsanlagen errichtet werden, was mehrere Jahrzehnte dauern dürfte. 

Wollt ihr mehr über das Thema Kernfusion wissen? Dann schaut euch dieses Video einmal an:

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Wie man mit 240 Big Macs einen Machtblitz erschafft

Star Wars ist nicht gerade bekannt für seine akkurate Wissenschaftlichkeit, aber in diesem Beitrag gehen wir trotzdem mal einem Aspekt der epischen Weltraumsaga auf den Grund, den Machtblitzen. Wären diese rein theoretisch möglich?

Habt Ihr jemals von der Tragödie von Darth Plagueis dem Weisen gehört? Nein? Es ist auch nicht gerade die Art von Geschichte, die ein Jedi erzählen würde. Es ist eine Legende der Sith. Und wer sich von euch schon mal mit den dunklen Lords der Sith beschäftigt hat, weiß, dass die meisten von ihnen die Macht dafür nutzen, tödliche Blitze aus ihren Händen zu schießen. Wäre ja praktisch, wenn das auch in der Realität ginge. 

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Die Erklärung, die in den Star Wars Filmen für jegliche Machtaktivität geliefert wird, können wir aus wissenschaftlicher Sicht direkt verwerfen. Denn dort wird es so erklärt: Egal, ob Jedi und Sith schwere Objekte durch die Macht anheben oder Gedankentricks ausführen, es sind immer die Midi-Chlorianer verantwortlich, winzige Lebensformen, die sich in den meisten Lebewesen befinden. Je höher die Dichte an Midi-Chlorianern, desto machtsensitiver ist ein Individuum. Klar ist: Midi-Chlorianer haben wir nicht in unserem Blut. Aber wie kommen wir  trotzdem zu unseren Machtblitzen? Wir müssen tief in die Geheimnisse der dunklen Seite der Macht einsteigen, auch bekannt als Elektrotechnik. 

Könnte Luft die Machtblitze leiten? 

Wenn Luft Machtblitze nicht leiten könnte, würden Palpatines Attacken ja schon daran scheitern, dass es seinen Machtblitzen an einem Leiter fehlen würde. Tatsächlich ist Luft kein besonders guter Leiter, sondern eher im Gegenteil ein guter Isolator, elektrische Ladungen werden durch Luft schlecht geleitet. Aber Palpatines Machtblitze haben es bekanntermaßen in sich und können daher die Isolierfähigkeit der Luft überwinden. 

Im Prinzip hat fast alles eine sogenannte Durchbruchsspannung. Das ist einfach gesagt das Ausmaß an elektrischer Ladung, das erreicht werden muss, damit ein Körper doch zum Leiter wird. Und diese Durchbruchsspannung kennt Ihr aus eurem alltäglichen Leben, wenn auch in kleinerem Ausmaß. Jedes Mal wenn Ihr einen kleinen Stromschlag bekommt, zum Beispiel auf der Rolltreppe oder wenn Ihr einen Ballon an euren Haaren reibt, dann entsteht  dieser Effekt. 

Durbruchsspannung mit Plasmakugel

Was passiert beispielsweise, wenn man eine Plasmakugel im Museum berührt? Die Körperoberfläche hat eine negativere Ladung als die Plasmakugel und diese Ungleichheit zwischen negativer und positiver Ladung will sich ausgleichen. Wenn sie stark genug ist, dann kann dieser Ausgleich durch eine kleine elektrische Ladung stattfinden, obwohl zwischen dem Museumsbesucher und der Plasmakugel der schlechte Leiter Luft liegt. Wenn die Ungleichheit der Ladungen groß genug ist, erreichen wir die Durchbruchsspannung. 

Und wenn das schon mit einer normalen Plasmakugel im Museum möglich ist, ist das für einen mächtigen Sith-Lord wie Palpatine natürlich ein Klacks. Andererseits sind Palpatines Machtblitze natürlich auch ein bisschen heftiger als ein kleiner Stromschlag einer Plasmakugel. Wie könnte er das also schaffen? Das Zauberwort heißt: Elektronenlawine. 

Die Lawine der Ionisation

Um das zu verstehen, müssen wir uns auf die Ebene der Atome begeben. Wenn Palpatine aus seinen Finger Elektrizität schießt, schleudert er jede Menge Elektronen in den Raum, negativ geladene Elementarteilchen. Diese Elektronen treffen auf Atome. Wenn Elektronen auf Atome treffen, können sie diese ionisieren, sie also energetisieren. Bei der Ionisierung werden die Elektronen aus einem Atom herausgerissen. Wenn ein Atom ein negativ geladenes Elektron verliert, wird es zu einem positiv geladenen Ion.

Klingt kompliziert aber ihr kennt den Effekt der Ionisation alle, beispielsweise von Polarlichtern. Durch energiereiche Sonnenstrahlung werden die oberen Schichten der Erdatmosphäre ionisiert und beginnen dann in den schönsten Farben zu leuchten. Und übrigens auch unsere Plasmakugel ist ein schönes Beispiel für Ionisation. Die Kugel enthält bestimmte Gase und diese werden beim Einschalten des Stroms ionisiert. Wenn man die Kugel berührt, kommt es zu Verzerrungen der Entladungen im inneren der Lampe. Und bei einer Elektronenlawine haben wir nun eben einen sich verstärkenden Effekt dieser Ionisation. Immer mehr Elektronen werden aus Atomen herausgerissen und treffen wiederum auf immer mehr neue Atome, die sie ionisieren, bis schließlich eine Lawine der Ionisation entsteht.

Darstellung der Ionisierung

Gut, bisher bewegen wir uns noch völlig im Rahmen der Wissenschaft. Wenn Machtblitze durch Ionisation und das Auslösen von Elektronenlawinen bewerkstelligt werden können, dann muss das bedeuten, dass die Sith nach freiem Belieben die Elektronen um sie herum steuern können, um Ladungsungleichheiten zu erschaffen. Also de facto nach Belieben genau den Zustand herstellen können, der auch bei einem Gewitter eintritt: Eine Ladungsungleichheit zwischen negativ geladenen Wolkenschichten und einem positiv geladenen Gebiet unter den Wolken, die dann durch einen Blitz neutralisiert wird. 

Machtblitze oder einfach nur Gewitter?

Und wie steuert man durch schieren Willen einzelne Elektronen so, dass man jederzeit einen Spannungsausgleich in Form eines Machtblitz abfeuern kann? Da verlässt uns jetzt die Wissenschaft. Das ist tatsächlich nur mit der Macht zu erklären. Scheinbar muss Palpatine seine Midi-Chlorianer ganz schön ins Schwitzen bringen, damit das möglich ist. Was uns aber zu einer anderen Frage führt: Wenn Palpatine scheinbar seine eigene körperliche Energie aufbringt, um Elektronen zu manipulieren, woher nimmt er diese Energie? 

Wie viel Energie braucht man für einen Machtblitz?

Sicherlich habt Ihr schon mal vom Energieerhaltungssatz gehört. Er sagt aus, dass in einem abgeschlossenen, reibungsfreien System die Gesamtenergie immer gleich bleibt. Wenn Palpatine durch seine Blitze extreme Energie freisetzt, muss er diese Energie irgendwie in seinem Körper aufbringen. Denn so weit wir wissen, nutzen Jedi und Sith für ihre Machtfähigkeiten keine externen Geräte, sondern nur ihren Körper. Und die Energiequelle für unsere Körper ist – richtig – Nahrung. 

Wie viel und was müsste Palpatine wohl zu sich nehmen, um genügend Energie für seine dunkle Manipulation der Elektronen zu erhalten? Gehen wir mal davon aus, dass Palpatines Machtblitze vergleichbar sind mit einem durchschnittlichen Blitzeinschlag auf der Erde. So viel bräuchte es noch nicht mal, um einen Menschen zu töten, aber für einen Sith-Lord sollte es doch ein Leichtes sein, mit einem gewöhnlichen Blitzeinschlag mithalten zu können. Die Basiseinheit der elektrischen Stromstärke ist das Ampere und ein durchschnittlicher Blitz kommt mit so ungefähr 30.000 Ampere daher. In Joule umgerechnet, also die Maßeinheit der Energie, wären das 500 Megajoule.

240 Big Macs zum Frühstück

Jetzt können wir einfach ausrechnen, wie viel Nahrung man dafür zu sich nehmen müsste, denn eine Kalorie besteht aus 4.000 Joule. Palpatine müsste also in der Kantine des Todessterns so viele Kalorien zu sich nehmen, dass er auf 500 Megajoule oder anders gesagt 238.845 Kalorien kommt. Ein Big Mac, also die wichtigste Recheneinheit der gesamten Mathematik, enthält 500 Kilokalorien, also 500.000 Kalorien. Man muss da immer aufpassen, denn oftmals wird bei Lebensmitteln von “Kalorien” gesprochen, gemeint sind aber Kilokalorien. Palpatine müsste ungefähr 240 Big Macs zum Frühstück verspeisen, um einen Machtblitz auf Luke abzufeuern, der der Intensität eines durchschnittlichen Blitz bei einem Gewitter entspricht. 

Sicherlich würde Palpatine nicht die kompletten Big Mac Kalorien eins zu eins für den Machtblitz umwandeln können und er braucht ja auch noch Energie für seine weiteren Körperfunktionen – vorsichtshalber sollte er also noch ein paar mehr Big Macs mehr essen. Und wieder einmal hat die Wissenschaft uns mit elementaren Erkenntnissen für unser Leben versorgt. Wer Machtblitze schleudern möchte, muss einfach nur sehr viele Burger essen und es irgendwie schaffen, Elektronen kontrollieren zu können, um Ionisationslawinen auszulösen. Es lebe die Wissenschaft! 

Ihr wollt mehr über BigMacs und Machtblitze erfahren? Dann klickt mal in dieses Video rein und seht Tim beim BigMac-Futtern zu:

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