Was der Durchbruch der Kernfusion für saubere Energie bedeutet

Die kommerziellen Bemühungen haben noch einen langen Weg vor sich: Hier erfahren Sie, was als nächstes kommt.

Nach jahrzehntelangen Versuchen haben Wissenschaftler einen Meilenstein in der Fusionsforschung erreicht und endlich eine Reaktion gestartet, die mehr Energie erzeugte, als zu ihrem Start aufgewendet wurde.

US-Energieministerin Jennifer Granholm gab heute bekannt, dass Forscher der National Ignition Facility am Lawrence Livermore National Laboratory einen sogenannten Nettoenergiegewinn erzielt haben, ein symbolischer Sieg für die Kernfusionsforschung.

Der Fortschritt demonstriert die grundsätzliche Realisierbarkeit der Fusionsenergie, ein Ziel, das Forscher seit den 1950er Jahren verfolgen. Doch das wissenschaftliche Experiment erforderte die leistungsstärksten Laser der Welt und ist kein unmittelbar praktischer Weg zur Fusionsenergie. Es sind noch viele weitere wissenschaftliche und technische Durchbrüche erforderlich, um die Kernfusion von einem Laborexperiment in eine kommerzielle Technologie umzuwandeln, die das Netz mit zuverlässiger, kohlenstofffreier Energie versorgen könnte.

Bei Fusionsreaktionen, sei es in einem Reaktor oder im Kern eines Sterns, werden Atome gegeneinander geschleudert, bis sie verschmelzen und dabei Energie freisetzen. Das Ziel der Fusionsenergie besteht darin, mehr Energie aus der Reaktion herauszuholen, als zur Energiegewinnung und zum Halten des Brennstoffs eingesetzt wird, und zwar auf kontrollierte Weise. Bisher konnte das noch nie nachgewiesen werden.

Die Fusionsreaktion am NIF erreichte dies und erzeugte 3,15 Megajoule Energie, mehr als die 2,05 Megajoule, die von den im Reaktor verwendeten Lasern bereitgestellt wurden. Letztes Jahr produzierte dieselbe Anlage etwa 70 % der von den Lasern für die Reaktion bereitgestellten Energie. Die Laser benötigen zum Betrieb mehr Energie, als sie dem Reaktor zuführen, aber selbst der Nettoenergiegewinn innerhalb des Systems ist ein bedeutender Meilenstein.

„Das bringt viel Wind in die Segel der Gemeinschaft“, sagt Anne White, Leiterin der Nuklearwissenschaft und -technik am MIT. Das bedeute aber nicht, dass wir morgen Fusionsenergie am Netz sehen werden: „Das ist nicht realistisch.“

Das Labor verwendet den weltweit größten und leistungsstärksten Laser in einem Fusionsansatz, der als Trägheitseinschluss bezeichnet wird. Die Technik basiert auf Lasern, die einige Milliardstelsekunden lang feuern, um Röntgenstrahlen zu erzeugen, die eine winzige Treibstoffkapsel von der Größe eines Pfefferkorns komprimieren und erhitzen. Schließlich wird der Brennstoff, der aus schweren Wasserstoffarten namens Deuterium und Tritium besteht, heiß und dicht genug, um ein Plasma zu bilden, und die Wasserstoffkerne beginnen, ineinander zu schlagen, zu verschmelzen und Energie freizusetzen.

Während der Trägheitseinschluss das erste Fusionsschema ist, das zu einem Nettoenergiegewinn führt, ist es nicht der wahrscheinlichste Weg für mögliche kommerzielle Fusionsbemühungen. Viele Fusionswissenschaftler halten einen magnetischen Einschluss – insbesondere einen ringförmigen Reaktor namens Tokamak – für eine bessere Option. Anstelle von Lasern nutzen Tokamaks und andere Reaktoren mit magnetischem Einschluss Magnete, um den Brennstoff an Ort und Stelle zu halten und mithilfe von elektrischem Strom und Radiowellen die für die Fusion erforderlichen intensiven Bedingungen zu erreichen.

Da ihre technischen Ansätze so unterschiedlich sind, lässt sich der im Trägheitseinschlussexperiment beobachtete Nettogewinn nicht auf andere Ansätze zur Fusionsenergie wie Tokamaks übertragen. Während beide Ansätze darauf abzielen, Plasma zu erzeugen, das heiß genug ist, um die Fusion anzutreiben, unterscheiden sich die physikalischen und technischen Voraussetzungen, um dorthin zu gelangen, zwischen den verschiedenen Konzepten, sagt White.

Die Fusion verspricht, billige, kohlenstofffreie und ständig verfügbare Energie zu erzeugen, ohne Kernschmelzen und mit wenig radioaktivem Abfall.

Einige gut finanzierte Start-ups, wie Commonwealth Fusion, verfolgen magnetische Einschlusssysteme, während Helion Energy und andere an hybriden magneto-inertialen Einschlusssystemen arbeiten und einige, wie TAE Technologies, noch andere Ansätze ins Visier nehmen. Und, wie White betont, alle behaupten, dass sie irgendwann einen Nettogewinn erzielen werden, weil dies der erste Schritt zu einem tragfähigen Energiesystem mit Fusion ist.

Dennoch ist die Erzielung eines Nettogewinns ein großer Segen für einen Bereich, der seit Jahrzehnten auf der Suche nach Ergebnissen ist.

„Dieser Moment ist groß“, sagt Michl Binderbauer, CEO von TAE Technologies. Während die Technik für verschiedene Fusionsansätze unterschiedlich sein wird, sieht er den Moment als Beweis dafür, dass Fusionsenergie auf ihrer grundlegendsten Ebene funktionieren kann.

Der nächste Schritt der Fusion nach Erreichen des Nettogewinns besteht laut White darin, viel mehr Energie zu produzieren als bereitgestellt wird, anstatt nur ein bisschen mehr. Dies ist besonders wichtig bei Trägheitseinschlussansätzen, da Laser nicht sehr effizient sind und daher mehr Energie aus dem Netz entnehmen, als sie dem Fusionsreaktor zur Verfügung stellen. Während also innerhalb des Reaktors ein Nettoenergiegewinn zu verzeichnen war, wurden in Wirklichkeit etwa 300 Megajoule aus dem Netz benötigt, um diese 3,15 Megajoule zu erzeugen.

Seit der Entwicklung der Laser für NIF sei eine effizientere Lasertechnologie entwickelt worden, und Forscher sehen auch einen Weg, Hunderte von Megajoule Energie in Reaktionen zu erzeugen, anstatt nur einige wenige, sagte Kim Budil, Direktorin von Lawrence Livermore, in einer Pressekonferenz nach der Ankündigung.

Der Bau von Reaktoren, die zuverlässig und wiederholt eine beträchtliche Energiemenge produzieren können, wird keine triviale Aufgabe sein, und wir sind noch viele große Ankündigungen davon entfernt, Fusionsenergie in kommerziellen Anwendungen zu sehen.

Aber selbst in einem unpraktischen Reaktor in einem nationalen Labor einen Nettogewinn zu erzielen, ist ein Meilenstein für die Kernfusion. Wie Budil während der Pressekonferenz sagte: „Das zeigt, dass es möglich ist.“

Diese Geschichte wurde am 14. Dezember aktualisiert, um zusätzliche technische Details hinzuzufügen.

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