Wie eine Krabbe die Kernfusion vorantreibt

Krabbe und Kernfusion

Eine neue Technologie könnte uns den Durchbruch in der Kernfusion bringen. Was das mit extrem lauten Krebsen zu tun hat? Lest weiter! 

Kernfusion ist mittlerweile fast schon ein geflügelter Begriff – die Technologie verspricht uns gigantische Mengen an Energie und das ohne Risiko einer Kernspaltung und ohne radioaktiven Müll. Doch der richtige Durchbruch ist bislang noch nicht gelungen. Jetzt hat ein britisches Unternehmen eine Technik entwickelt, die vielversprechend erscheint.

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Wie die Natur die Forschung inspiriert

Kurioserweise hat dieser Durchbruch etwas mit einem Krebs zu tun. Technische Fortschritte wurden schon oft durch Vorgänge in der Natur inspiriert – und die Fähigkeiten des sogenannten Knallkrebs sind tatsächlich so unglaublich, dass sie quasi prädestiniert sind, als Grundlage für einen technologischen Durchbruch zu dienen. 

Der Name dieser Krebsart sagt es schon: Sie sind in der Lage, extrem laute Geräusche zu erzeugen. Verantwortlich dafür ist ein spezieller Mechanismus ihrer Scheren. Durch eine schnelle Bewegung und ein Verhaken der Scheren wird eine Blase im Wasser erzeugt, eine sogenannte Kavitationsblase, die durch das ruckartige Lösen der Scheren kurz darauf implodiert. Das klingt wenig aufregend, hat es aber in sich: Es entstehen Lichtblitze und Temperaturen von mehreren 1.000 Grad. Der Rekord liegt bei einer Messung von knapp 4.700 Grad. Der Effekt ist so heftig, dass er im zweiten Weltkrieg sogar die Sonargeräte des Militärs zur Ortung von U-Booten störte. 

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Krebse: Lauter Knall für die Paarung

Die Knallkrebse nutzen diesen Vorgang für zahlreiche Zwecke: Zum Beutefang, für Paarungskämpfe und auch zur Kommunikation mit Artgenossen. Gut, dass diese Krebse nicht besonders groß werden, ansonsten hätte wohl schon der ein oder andere Schwimmer am Strand eine böse und laute Überraschung erlebt. Die Fähigkeit der Knallkrebse ist faszinierend, aber was hat sie denn nun mit der Kernfusion zu tun?  

Gemäß des Lawson-Kriteriums müssen Atome zur Kernfusion extremem Druck oder hoher Bewegungsenergie, etwa durch Hitze ausgesetzt sein. Auf der Erde benötigen wir dafür enorme Mengen an Energie. Der bisherige Ansatz zur Trägheitsfusion war es, einen großen teuren Laser zur Zündung zu nutzen.

  • Querschnitt des ITER Gebäudes
  • First Light Fusion - Ausschnitt aus dem Werbefilm
  • Darstellung eines Kernfusionsreaktor
  • Knallkrebs

Das britische Unternehmen First Light Fusion hat sich eine kreative Alternative für diesen Prozess ausgedacht: Sie wollen die Fusionszündung durch ein Hochgeschwindigkeits-Projektil auslösen! Beschossen wird ein 10 mm kleiner Würfel, der sich im freien Fall im Reaktor befindet. In diesem Würfel befindet sich eine kleine Brennstoffkapsel mit Wasserstoff. Durch die Wucht des Aufpralls entsteht ein enormer Druck, der die Fusion startet. Eine Besonderheit ist der Würfel selbst. Dieser fungiert als eine Art Verstärker, welcher die Schockwellen auf die Oberfläche der Brennstoffkapsel verteilt. Im Gegensatz zur Laser-Kernfusion wird der Brennstoff also nicht nur aus einer, sondern aus mehreren Richtungen zusammengedrückt. Im Moment ist das Verfahren noch Theorie, doch sollte es tatsächlich wie geplant funktionieren, könnte man die Kosten für die Zündung um den Faktor 4 verringern!

First Light Fusion macht Kernfusion kommerziell

Der Mechanismus von First Light ähnelt also wirklich dem des Knallkrebs: Dessen Schere schnappt mit solcher Kraft und Geschwindigkeit zu, dass der Krebs eine Schockwelle im Wasser auslöst. Das Wasser wird regelrecht „zerrissen“, wodurch sich für einen sehr kurzen Moment eine Gasblase bildet, die in ihrem Inneren kurzzeitig Temperaturen von mehreren 10.000 Grad erreicht. Ob den kleinen Knallkrebsen bewusst ist, was für geniale Wissenschaftler sie eigentlich sind? Vielleicht lebt ja irgendwo auf dem Meeresboden ein Exemplar mit dem Namen Albert Knallstein oder so.

Bei First Light Fusion wird aber noch einiges an Arbeit und Forschung investiert werden müssen, um das Prinzip marktreif werden zu lassen. Der Physiker Dr. Ben Miles prognostiziert, dass es von diesem Zeitpunkt an noch etwa zehn Jahre dauern wird, bis die Knallkrebsfusion kommerziell nutzbar ist. Im Vergleich zu anderen Fusionsprojekten ist das ein extrem kurzer Zeitraum. Zum Vergleich: Am Fusionsreaktor ITER in Frankreich rechnet man erst in den 2050er Jahren mit wirklich erheblichen Energiegewinnen, die kommerziell nutzbar sind. Wenn sich die Erwartungen bewahrheiten, ist die Technologie von First Light Fusion also unsere beste Hoffnung auf den dringend ersehnten Energiedurchbruch.

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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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Durchbruch bei der Kernfusion

An der National Ignition Facility wurde ein spektakulärer Durchbruch bei der Kernfusion erzielt.

Es gibt zwei Arten der Kernenergienutzung: die Kernspaltung, die in den derzeitigen Kernkraftwerken genutzt wird, und die Kernfusion. Bei der Kernspaltung werden Uranatome in kleinere Atome gespalten, um Energie freizusetzen. Die Kernfusion ist im Prinzip der umgekehrte Prozess: Leichte Atome werden in schwerere Atome umgewandelt. Das ist derselbe Vorgang, der im Plasmakern der Sonne stattfindet und unseren Planeten mit jeder Menge Energie versorgt. Wenn man diesen Fusionsprozess auf der Erde imitieren könnte, wäre das wohl die Lösung für all unsere Energieprobleme – die Nutzung der Kernfusion könnte eine praktisch unbegrenzte Energiequelle bedeuten. Sie würde keine langfristigen Abfälle produzieren, keine Treibhausgase ausstoßen und kein Risiko von Kernschmelzen mit sich bringen. Deswegen träumt man schon lange von Kernfusionskraftwerken, doch bisher war das eben nur ein Traum. Es gibt unter Kernfusionsforschern den alten Witz: Fusionsreaktoren sind nur noch 20 Jahre entfernt! Und werden es auch immer sein! Dabei ist Fusion selbst technisch schon möglich. Doch das Problem ist, dass man am Ende ein Netto-Energie-Plus erzielen muss. Den Start der Energieerzeugung bezeichnet man als Zündung. Der derzeitige Rekord wurde 1997 vom Joint European Torus in Großbritannien aufgestellt, wo 16 Megawatt Leistung durch Magnetfusion erzeugt wurden, aber 23 Megawatt zur Zündung erforderlich waren. Das heißt: Beim besten Ergebnis, das man bisher erzielt hat, hat man netto jede Menge Energie verloren. 

Fusionskammer der National Ignition Facility

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Kernfusion zu erreichen: den magnetischen Einschluss, bei dem starke Magnete verwendet werden, um das Brennstoffplasma für sehr lange Zeiträume einzuschließen, und den Trägheitseinschluss, bei dem sehr starke und kurze Laserpulse verwendet werden, um den Brennstoff zu komprimieren und die Fusionsreaktion in Gang zu setzen. Bisher wurde die Magnetfusion bevorzugt, da die für die Trägheitsfusion erforderliche Technologie, insbesondere die Laser, nicht ausgereift genug waren. Die Trägheitsfusion erfordert nämlich wesentlich höhere Energiegewinne, um die von den Lasern verbrauchte Energie wieder auszugleichen. Jetzt aber hat man aber mit neuer Technik im Bereich des Trägheitseinschlusses einen bahnbrechenden Erfolg erzielt und zwar an der National Ignition Facility, kurz NIF, am Lawrence Livermore National Laboratory in den USA. 

Der Brennstoff für die Kernfusion befindet sich in winzigen Metallkapseln

Das NIF nutzt 192 Laserstrahlen, die über einen Zeitraum von einigen Nanosekunden insgesamt 1,9 Megajoule Energie erzeugen, um die Fusionsreaktion auszulösen. Der Brennstoff befindet sich in einer Metallkapsel von einigen Millimetern Durchmesser, die, wenn sie von den Lasern erhitzt wird, Röntgenstrahlen aussendet, die den Brennstoff erhitzen und komprimieren. Es handelt sich hier also wirklich um hochkomplizierte Prozesse, die sich auf einem winzigen Raum abspielen. Mit diesem Verfahren wurde am 8. August 2021 eine bahnbrechende Energieerzeugung von 1,3 Megajoule erreicht, der höchste Wert, der jemals mit dem Trägheitsverfahren gemessen wurde, also der Wert an erzeugter Energie, der der erforderlichen Zündungsenergie am nächsten kam. 

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Stehen wir jetzt also kurz vor dem Kernfusionszeitalter? Unbegrenzte Energie und ungeahnter technischer Fortschritt? Leider noch nicht ganz. Denn obwohl das Ergebnis am NIF ein wahrer Durchbruch war, wurde auch hier nur 70 Prozent der investierten Energie am Ende aus dem Fusionsprozess herausbekommen. Es ist also noch ein weiter Weg bis wir wirklich Fusionsenergie im großen Stil erzeugen können. Dennoch gibt es gute Gründe für Optimismus. Fortschritte in der Computertechnik, künstlicher Intelligenz, supraleitende Magnete, 3-D-Druck, Materialwissenschaft und mehr dürften dazu beitragen, die Herausforderungen auf dem Weg zu einem funktionsfähigen Fusionsreaktor zu meistern. Der Durchbruch beim NIF ist zum Beispiel zum großen Teil auf bessere Computermodelle zurückzuführen.

Prototyp des Reaktors der Firma General Fusion

Hinzu kommt, dass viele Unternehmen aus der freien Wirtschaft sich immer mehr im Bereich Kernfusion engagieren. Alleine im letzten Jahr wurden rund 300 Millionen Dollar von privaten Unternehmen in die Kernfusionsforschung investiert und einige Projekte sind bereits in vollem Gange. General Fusion zum Beispiel, das unter anderem von Jeff Bezos finanziert wird, plant für nächstes Jahr den ersten Spatenstich für eine Kernfusionsanlage. Commonwealth Fusion Systems, das von Bill Gates unterstützt wird, rechnet sogar damit, bis zum Jahre 2025 einen Nettoenergiegewinn durch Kernfusion zu erzielen.  

Noch mehr Informationen zum Stand der Dinge im Bereich der Kernfusion erhaltet Ihr in diesem Video:

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