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Simpler Ansatz für Kernfusion Löst dieser Krebs all unsere Energieprobleme?

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Mit seiner Schere kann der Knallkrebs kleine implodierende Blasen erzeugen - Forscher wollen sich dieses Prinzip zunutze machen, um kontrollierte Kernfusion zu erzeugen.

(Foto: Arthur Anker, Oxford University Museum of Natural History, CC BY 3.0, wikimedia.org)

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Kernfusion gilt als saubere und schier unerschöpfliche Energiequelle. Doch sie zu nutzen, ist bisher niemandem gelungen. Denn dies galt bisher als äußerst kompliziert. Einen vergleichsweise simplen Ansatz verfolgt jedoch eine britische Firma - und erzielt damit erste Erfolge.

Fossile Energieträger wie Öl, Gas und Kohle haben die Menschheit süchtig nach ihnen gemacht, doch die Nebenwirkungen sind ruinös: Klimawandel, Umweltverschmutzung und menschenverachtende Öl-Diktaturen. Eine saubere und unerschöpfliche Energiequelle wäre die Lösung. Kernfusion gilt als heißer Kandidat. Es ist jener Prozess, der auch in Sternen wie der Sonne Energie freisetzt. Bisher wurde Kernfusion auf der Erde jedoch nur bei Atomwaffentests und in Versuchsreaktoren realisiert - von einer friedlichen Nutzung schien die Menschheit bisher weit entfernt. Ausgerechnet ein kleiner Krebs könnte nun den Durchbruch bringen.

Das Problem bei der Kernfusion bislang: Sie kontrolliert ablaufen zu lassen, ist ziemlich kompliziert. Um sie künstlich zu erzeugen, sind gewaltige Temperaturen von bis zu 100 Millionen Grad Celsius nötig. Lange Zeit galt der sogenannte Tokamak als vielversprechendster Ansatz für einen Fusions-Reaktor: Bei dem in den 1950er Jahren erstmals in Russland umgesetzten Design wird heißes Gas mit starken Magneten zusammengehalten und zur Fusion gebracht. In Südfrankreich entsteht derzeit ein gewaltiger Tokamak: der internationale Versuchsreaktor ITER.

ITER ist eine riesige Maschine - denn diese Art von Tokamaks können nur ab einer gewissen Größe mehr Energie erzeugen als sie verschlingen. ITER soll unter Beweis stellen, dass Fusionskraftwerke möglich sind. Doch ob es am Ende auch ein bezahlbares Konzept ist, ist offen. Auch rechnen Experten nicht damit, dass auf diesem Weg vor 2050 mit einem ersten echten Fusionskraftwerk zu rechnen ist. Unterdessen versuchen sich jedoch kleine Unternehmen mit schlankeren Fusions-Ansätzen an ITER vorbeizudrängeln. Sie setzen zum Teil auf weniger erforschte Konzepte, versprechen aber schnelle Erfolge. Eine Firma sorgt zuletzt für besonderes Aufsehen: First Light Fusion aus England.

Trägheitsfusion in kleinen Würfeln

Und hier kommt der erwähnte Krebs ins Spiel. Denn die Entwickler bei First Light Fusion ließen sich bei ihrem Fusions-Reaktor von einem Prinzip inspirieren, das bei Knallkrebsen beobachtet werden kann. Die Tiere können mit ihrer Schere durch eine schnelle Bewegung eine kleine Blase im Wasser erzeugen, die kurz darauf implodiert. Dabei entstehen ein Lichtblitz und Temperaturen von mehreren Tausend Grad. Dies setzen die Krebse unter anderem zum Beutefang ein. First Light hingegen will auf diese Weise eine kleine Menge Wasserstoff implodieren lassen. Dank der sogenannten Trägheitsfusion verschmelzen die Atomkerne dann und geben Energie frei. Viel Energie. Fusionsbrennstoff enthält etwa das Zehnmillionenfache an Energie wie dieselbe Masse an Kohle, Öl oder Gas.

Und so sieht das Konzept aus: Kleine, mit etwas Wasserstoff gefüllte Würfel werden in einen Reaktor fallen gelassen und von oben mit einem Projektil beschossen. Trifft das Geschoss den Würfel im freien Fall, wird die kleine Wasserstoffblase im Inneren durch die Wucht des Aufpralls zusammengequetscht. Der Druck auf sie ist höher als im Zentrum des Planeten Jupiter. Der Wasserstoff fusioniert, wie ein Tropfen Benzin, der in eine Brennkammer gespritzt und entzündet wird. Alle 30 Sekunden wird der Vorgang wiederholt. Die freigesetzte Energie wird von flüssigem Lithium aufgenommen, das rundherum herabregnet - so jedenfalls die Theorie.

Der Vorhang aus Lithium absorbiert nicht nur die Wärme der Fusion, er fängt auch die Neutronen ab, die dabei entstehen. Ein äußert raffinierter Kniff: Denn diese schnellen Teilchen sind eines der größten Probleme anderer Reaktor-Konzepte wie dem Tokamak, denn sie greifen das Material an. Das Design von First Light macht die Neutronen jedoch nutzbar, denn Lithium verwandelt sich durch den Beschuss in Tritium, jener Wasserstoffart, welche wiederum für die Fusion benötigt wird. "Die Attraktivität unseres Ansatzes liegt darin, dass er einige der schwierigsten Probleme der Fusionstechnik umgeht", sagt Gianluca Pisanello zu ntv.de. Der ehemalige Formel-1-Ingenieur ist Chief Operating Officer des Unternehmens, das 2011 von Nick Hawker und Yiannis Ventikos als Spin-Out der University of Oxford gegründet worden war.

Während das vordere Ende ihres Kraftwerkskonzepts futuristisch anmutet, baut das hintere Ende auf Altbekanntes: Das erhitzte Lithium gibt seine Energie an Wasser ab, das verdampft und eine Turbine antreibt, die Strom produziert. Also genau so, wie es in bisherigen Kohle-, Gas- und Atomkraftwerken auch abläuft. Allerdings entstehen bei der Kernfusion keine Treibhausgase oder langlebiger Atommüll.

Erste erfolgreiche Kernfusion

Klingt alles schön und gut - aber funktioniert es auch? Anfang April konnte First Light einen Teilerfolg verbuchen. Bei Versuchen gelang den Forschern erstmals eine erfolgreiche Fusion. Dabei wurden Atomkerne des Wasserstoff-Isotops Deuterium miteinander verschmolzen. Für eine erfolgreiche Energiegewinnung soll Deuterium später jedoch mit Tritium fusioniert werden. Überwacht und bestätigt hatten das erfolgreiche Experiment Beobachter der britischen Atomenergieorganisation UKAEA.

Doch damit dieses Konzept tatsächlich als Reaktor umgesetzt werden kann, muss die erzeugte Kernfusion mehr Energie ausstoßen, als für den Betrieb hineingesteckt wird. Genau das ist der Heilige Gral der Fusionsforschung - bisher ist er noch unerreicht. "Wir haben uns zum Ziel gesetzt, dies noch in diesem Jahrzehnt zu erreichen", so Pisanello. Ein entsprechender Demonstrationsreaktor, der Energiegewinnung realisieren soll, sei bei First Light bereits in der Entwicklung.

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Diese Maschine von First Light Fusion soll mit magnetischer Kraft kleine Projektile auf rund 20 Kilometer pro Sekunde - 60-Fache Schallgeschwindigkeit - beschleunigen.

(Foto: First Light Fusion)

Sollte sich experimentell belegen lassen, dass sich Energie gewinnen lässt, sagt Pisanello, bleibe der Rest eine rein technische Herausforderung. Viele der nötigen Technologien existierten jedoch bereits. Geht alles gut, soll in den 2030er Jahren ein erstes Kraftwerk mit einer Leistung von 150 Megawatt entstehen - in etwa so viel, wie die heute größten Solarparks in Deutschland liefern. Gleichzeitig soll der Reaktor weniger als eine Milliarde Dollar kosten. Der gigantische ITER etwa wird voraussichtlich 22 Milliarden Dollar verschlingen, bei einer Leistung von angepeilten knapp 500 Megawatt.

First Light hofft, später Strom zum Preis von 50 Dollar je Megawattstunde produzieren zu können - halb so teuer also wie heutiger Kohlestrom und etwa im Bereich der Kosten für Wind- und Sonnenenergie. Doch anders als diese ist ein Fusionskraftwerk nicht vom Wetter oder der Tageszeit abhängig.

Mehr als 30 Fusions-Firmen im Rennen

Die Pläne des britischen Unternehmens klingen vielversprechend. Doch First Light ist nicht ohne Konkurrenz: Laut der Fusion Industry Association (FIA) gibt es inzwischen weltweit mehr als 30 private Firmen, die Kernfusion als Energiequelle anzapfen wollen. Die Ansätze sind dabei recht unterschiedlich. Das kanadische Unternehmen General Fusion etwa setzt auf das Konzept der Magnetized Target Fusion (MTF), bei der eine hohle, rotierende Kugel aus flüssigem Metall schockartig zusammenpresst wird. Im Kern soll Wasserstoff so stark verdichtet werden, dass er bei 100 Millionen Grad Celsius fusioniert.

Auf das altbekannte Tokamak-Prinzip setzt Commonwealth Fusion Systems aus den USA. Deren Reaktor soll allerdings deutlich kompakter sein als ITER. Möglich machen sollen es Hochleistungsmagneten, die auch bei höheren Temperaturen funktionieren. Das US-Unternehmen TAE Technologies hingegen setzt wie First Light Fusion auf Trägheitsfusion, allerdings ohne störenden Neutronen. Dies soll durch die Bor-Wasserstoff-Fusion erreicht werden. Den gleichen Treibstoff hat auch die deutsche Firma Marvel Fusion aus München im Visier und will ihn mit starken Lasern zur Fusion treiben.

Die angestrebten Zeithorizonte klingen bei allen Unternehmen in etwa ähnlich - Mitte dieses Jahrzehnts sollen die ersten erfolgreichen Versuche stattfinden, in den 2030er die ersten Reaktoren gebaut werden. First Light sieht sich bei dem Rennen um die Kernfusion im Vorteil: "Wir glauben, dass unser einzigartiges Projektil-Fusionskonzept den schnellsten, einfachsten und kostengünstigsten Weg zur kommerziellen Fusionsenergie bietet", so Pisanello.

Aber selbst wenn Kernfusion einmal funktioniert - kann sie wirklich die Lösung für alle Energiesorgen sein? Bei First Light Fusion sieht man Kernfusion zumindest als notwendigen Bestandteil einer fossilfreien Welt: "Es ist klar, dass Wind- und Solarenergie allein nicht in der Lage sein werden, die prognostizierte weltweite Nachfrage zu decken, und dass es eine Lücke bei den sauberen Energien geben wird", sagt Pisanello. "Um diese Lücke zu schließen, müssen wir unbedingt die bestehenden erneuerbaren Energien weiter ausbauen und in neue saubere Energietechnologien wie die Kernfusion investieren. Das ist es, was uns motiviert, die kommerzielle Fusion zu erreichen".

(Dieser Artikel wurde am Sonntag, 22. Mai 2022 erstmals veröffentlicht.)

Quelle: ntv.de

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