Der Weg zur Fusionskraft lässt riesige Laser gegen starke Magnete antreten

Der Tag, an dem Menschen die gleiche Energie nutzen können, die die Sterne zum Leuchten bringt, könnte früher kommen, als Sie denken – der Weg dorthin würde reichlich Strom freisetzen, ohne Treibhausgase auszustoßen.

Von Will Wade, Jonathan Tirone und David R BakerGrafiken von Dave Merrill

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Die Menschheit steht an der Schwelle zu etwas Phänomenalem: die Nutzung derselben Energiequelle, die die Sterne erleuchtet, für nahezu unbegrenzte, kohlenstofffreie Energie. Wissenschaftler haben kürzlich bewiesen, dass der Traum – Kernfusion zur Energieerzeugung – möglich ist. Der Übergang von einem Laborexperiment zum Bau einer kommerziellen Anlage wird nun ein Wettlauf sein, bei dem riesige Laser gegen starke Magnete antreten.

Nach jahrzehntelangen Experimenten sind zwei konkurrierende Designs für Fusionsanlagen entstanden. Man fordert hochintensive Laser, um eine Reihe von Reaktionen auszulösen, bei denen Atome viele Male pro Sekunde aufeinanderprallen. Die andere würde superstarke Magnete verwenden, um eine Plasmawolke einzudämmen, die heißer als die Sonne brennt. Während beim jüngsten Durchbruch Laser zum Einsatz kamen, stehen viele Experten den kommerziellen Aussichten skeptisch gegenüber. Die bessere Wahl seien Magnete, heißt es.

Im Dezember wurde im Lawrence Livermore National Laboratory eine winzige Treibstoffkapsel, die zwei Formen von Wasserstoff enthielt, mit Lasern beschossen

Die daraus resultierende Fusionsreaktion erzeugte mehr Energie, als die Laser auf das Ziel einbrachten

Der Einsatz könnte nicht höher sein. Wenn es den Forschern gelingt, die Fusion in großem Maßstab zum Laufen zu bringen, würde dies die Tür zu Kraftwerken öffnen, die Tag und Nacht billigen, reichlichen Strom liefern, ohne Treibhausgase auszustoßen und ohne die Gefahr einer Kernschmelze. Die Idee, die extremen Bedingungen der Sterne in einem Kraftwerk nachzubilden, mag wie etwas aus der Science-Fiction klingen, und doch sagen die optimistischsten Experten, dass wir nur noch etwa ein Jahrzehnt von dieser Schwelle entfernt sind. Andere Wissenschaftler gehen davon aus, dass es in 20 oder 30 Jahren sein wird.

„Die Kernfusion war schon immer der größte Raubtier der Energietechnologien“, sagte Bob Mumgaard, CEO von Commonwealth Fusion Systems. „Es ist ein sehr schwieriges Problem mit großem Gewinn.“

Das Rennen zieht bereits Wetten von einigen der reichsten Menschen der Welt an. Jeff Bezos, Bill Gates und Peter Thiel sind nur drei der Milliardäre, die in Startups investieren. Investoren und Regierungen haben mehr als 4,8 Milliarden US-Dollar in Unternehmen gesteckt, die Fusionen vorantreiben, angeführt von Commonwealth Fusion, einem aus dem Massachusetts Institute of Technology hervorgegangenen Startup, das 2 Milliarden US-Dollar eingesammelt hat. TAE Technologies hat mehr als 1,1 Milliarden US-Dollar erhalten. Die Fusion Industry Association verfolgt 33 Startups. Fünfzehn konzentrieren sich auf den magnetischen Ansatz und acht arbeiten am Laserdesign. Der Rest verfolgt eine Vielzahl anderer Technologien.

Der Weg wird lang und kompliziert sein. Sowohl der Laser- als auch der Magnetansatz stehen vor großen technischen Herausforderungen, wissenschaftlichen Rätseln und Kostenhürden. Aber es richtig zu machen, würde einen enormen Fortschritt für die Welt bedeuten. Die langfristigen Klimaherausforderungen der Menschheit wären viel besser zu bewältigen, und diese Errungenschaft könnte eine neue Ära für Energie und Wissenschaft einleiten.

Wie Fusion funktioniert Während die heutigen Kernkraftwerke durch Kernspaltung Atome spalten, fängt die Fusion die Energie ein, die entsteht, wenn Atome miteinander verschmelzen. Fusion wird bereits genutzt, um modernen Atomwaffen ihre verheerende Kraft zu verleihen, aber das Ziel besteht darin, sie für den zivilen Energiebedarf zu bändigen.

Das ist keine einfache Aufgabe. Dabei geht es darum, bei extrem hohen Temperaturen zu arbeiten, die Reaktion einzudämmen, die Energie einzufangen und dabei mehr Strom zu erzeugen, als der Prozess verbraucht.

Der Durchbruch Kurz nach Mitternacht am 5. Dezember richteten Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien den leistungsstärksten Laser der Welt auf ein mit Wasserstoffisotopen gefülltes Diamantpellet in Pfefferkorngröße. Es schoss 192 Strahlen in drei sorgfältig modulierten Impulsen ab.

Die Strahlen lieferten 2,05 Megajoule Energie und lösten eine Reaktion aus, die den Wasserstoff zu Helium verschmolz und dabei 3,15 Megajoule freisetzte – der Unterschied, etwas mehr als ein Megajoule oder ungefähr die äquivalente Energie, die von einer Handgranate freigesetzt wird. Es war eine Errungenschaft, die Wissenschaftler seit Jahrzehnten verfolgten. Der als Nettoenergiegewinn bekannte Meilenstein bewies, dass Menschen die Kraft der Sterne freisetzen können. Aber die Schaffung einer kommerziellen Anlage würde bedeuten, dass jede Sekunde das Tausendfache dieser Energiemenge erzeugt werden müsste, sagte Steven Cowley, Direktor des Princeton Plasma Physics Laboratory.

„Der Aufbau eines so robusten Systems ist eine Herausforderung“, sagte Cowley.

Laser Die im Labor von Lawrence Livermore verwendete Lasermethode wird als Trägheitseinschluss bezeichnet. Die erzeugte Reaktion war unglaublich kurz, etwa so lange, wie Licht braucht, um sich einen Zentimeter zu bewegen. Um rund um die Uhr Energie zu erzeugen, müsste ein Fusionssystem dies immer wieder wiederholen, und zwar bis zu zehnmal pro Sekunde.

Das sei mit den heute verfügbaren Systemen nicht möglich, sagte Dylan Spaulding, ein leitender Wissenschaftler der Union of Concerned Scientists, der im kalifornischen Labor geforscht hat. Der Laser in der National Ignition Facility in Livermore ist so leistungsstark, dass er nur alle paar Tage abgefeuert werden kann, da er starke Hitze erzeugt, die die Ausrüstung beschädigen kann.

„Man neigt dazu, viele Dinge kaputt zu machen, wenn man das System an seine Grenzen bringt“, sagte er.

Wann wird die erste Fusionsanlage Strom ins Netz einspeisen?

Dennoch wurde dieser Laser mit einer Technologie aus den 1980er Jahren gebaut, und seitdem gab es zahlreiche Fortschritte. Spaulding ist optimistisch, dass Ingenieure ein Gerät bauen können, das stark und langlebig genug ist, um auf dem für ein Fusionssystem erforderlichen Niveau zu funktionieren.

Eine größere Herausforderung sind die Brennstoffpellets. Beim NIF-Test wurde eine Diamantkugel verwendet, die mit Deuterium und Tritium, zwei Wasserstoffisotopen, gefüllt war. Labormitarbeiter sagten, die Herstellung der Komponenten dauere etwa sieben Monate und der Zusammenbau dann etwa zwei Wochen. Sie haben sich geweigert, einen Preis für die Arbeit anzugeben, aber externe Experten haben geschätzt, dass sie jeweils ein paar tausend Dollar bis hin zu 20.000 Dollar kosten könnten. Das ist viel zu teuer für eine Anlage, die wahrscheinlich fast eine Million Pellets pro Tag sprengen müsste.

Magnete Der konkurrierende Ansatz verwendet Magnete, um eine Wolke aus überhitztem Plasma einzudämmen, die Fusionsreaktionen hervorruft. Der Hauptvorteil dieser Methode bestünde darin, dass das Plasma nach Abschluss dieses Prozesses theoretisch über Jahrzehnte hinweg in einem stabilen Zustand gehalten werden könnte, um Energie zu erzeugen.

In experimentellen Tokamaks wie ITER wird Deuterium- und Tritiumplasma hauptsächlich durch zwei Magnetfelder eingefangen und an Ort und Stelle gehalten

Je länger dieses Plasma stabil bleibt, desto mehr Fusion findet statt

„Der magnetische Ansatz eignet sich für einen viel größeren Maßstab, den man für ein kommerzielles Kraftwerk benötigt“, sagte Adam Stein, Direktor für Kernenergieinnovation am Breakthrough Institute.

Der Magneteinschlussprozess müsste so stark sein, dass er Plasma kontrollieren könnte, das so heiß wie die Sonne ist. Bei den extremen Temperaturen, die zur Erzeugung positiver Energie erforderlich sind, oder über längere Zeiträume ist dies bisher noch niemandem gelungen, aber die Forscher machen Fortschritte. Ein Großteil des Fortschritts ist auf ein sogenanntes Tokamak-Design zurückzuführen, das auf die Sowjetunion zurückgeht. Darin sind Laser und mächtige Elektromagnete um einen unterkühlten Donut-förmigen Behälter angeordnet, um das erhitzte Plasma an Ort und Stelle zu halten.

Unternehmen verfolgen die Fusionsmethode

Commonwealth Fusion Systems hat möglicherweise eine der größten Herausforderungen angegangen, mit einem Magneten, der angeblich der stärkste der Welt ist. Laut CEO Mumgaard soll im Jahr 2026 ein Demonstrationssystem mit einem Tokamak fertiggestellt werden, das bis zu 30 Sekunden lang erhitztes Plasma enthalten kann, das Nettoenergie erzeugt. Eine kommerzielle Version könnte Anfang der 2030er Jahre fertig sein, prognostiziert er.

Das Tokamak-Design ist auch das Herzstück des International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER-Programms), dessen Bau in Südfrankreich mehr als 23 Milliarden US-Dollar kosten soll. Es gilt als das größte Forschungsprojekt der Geschichte und gilt weithin als die weltweit beste Möglichkeit zu zeigen, dass Fusionsenergie in großen Mengen verkauft werden kann. Zu den 35 Geldgebern gehören China, die Europäische Union, Indien, Japan, Russland, Südkorea und die USA, wobei alle Länder Zugang zum geistigen Eigentum erhalten, das ITER schafft.

Das Projekt war mit unerwarteten Herausforderungen konfrontiert. Gerade als Forscher damit begannen, die durch die Pandemie gestörte Logistik zu regeln, erschwerte der Einmarsch Russlands in die Ukraine die Versorgung mit kritischen Komponenten. Im Mai starb der langjährige Leiter des Projekts, Bernard Bigot. Im Dezember wurden dann Risse in wichtigen Bauteilen entdeckt.

Die Flut an schlechten Nachrichten bedeutet, dass die erste Fusionsdemonstration von ITER nicht wie geplant im Jahr 2025 stattfinden wird. Sein neuer Generaldirektor Pietro Barabaschi stellt einen neuen Zeitplan und ein neues Budget zusammen, die voraussichtlich bis Ende des Jahres vorgelegt werden.

Straße vorausEs bleiben zahlreiche Herausforderungen bestehen.

Die Industrie evaluiert immer noch verschiedene Brennstoffe und muss sich noch darauf einigen, welcher den einfachsten Weg zu einem Kraftwerk bietet. Commonwealth verwendet zusammen mit mehreren anderen Unternehmen die gleichen Wasserstoffisotope, die im Livermore-Test verwendet wurden: Deuterium und Tritium. Andere testen Kraftstoffe auf Borbasis.

Commonwealth Fusion Systems, das ein kompaktes Tokamak-Kraftwerk baut, hat im Jahr 2021 über 1,8 Milliarden US-Dollar eingesammelt

Die Entscheidung über eine Brennstoffquelle hilft auch bei der Bestimmung, welche Materialien für die Reaktorwände und andere Komponenten benötigt werden. Jedes Design muss hoher Hitze standhalten, aber die Verwendung von Deuterium und Tritium bedeutet auch, dass Unternehmen damit rechnen müssen, dass ihre Maschinen radioaktiv werden. Während also bei der Fusion keine abgebrannten Brennelemente wie bei der Kernspaltung entstehen, könnte die Maschine selbst, wenn sie schließlich außer Betrieb genommen wird, Tonnen von Abfall produzieren.

Und es wurde noch kein System gebaut, das die Energie einer Fusionsreaktion einfangen und in Elektrizität umwandeln kann.

Letztendlich wird es enorme Vorteile für den Planeten bringen, die gesamte Technologie richtig einzusetzen.

„Wir haben eine echte Klimachance“, sagte Jane Hotchkiss, Mitbegründerin und Präsidentin von Energy for the Common Good, einer gemeinnützigen Organisation außerhalb von Boston, die den Grundstein für eine breite gesellschaftliche Akzeptanz der Fusionsenergie legt.

Die Menschen sollten die heutigen Start-ups genau verfolgen, „in dem Wissen, dass selbst wenn nur sieben von ihnen in den nächsten zehn Jahren ihre Meilensteine ​​erreichen, es eine sehr beeindruckende Leistung sein wird“, sagte sie und fügte hinzu, dass sich der Zeitrahmen zwar langsam anfühlen mag, „aber all das.“ Inkrementelle Schritte sind wichtig.“

Herausgeber: Millie Munshi