Wir holen die Sonne auf die Erde

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Aus der Weltwoche vom 05.01.2023 ein Artikel von Beat Gygi

 

Beat Gygi

Die Kernfusion feiert einen Durchbruch. Wird der Traum unerschöpflicher Energie bald wahr? Der Physiker Frank Jenko erklärt, was an der Forschungsfront abläuft.

Kurz vor Weihnachten kam die Meldung: Der National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Lab in Kalifornien sei es gelungen, erstmals eine Kernfusion durchzuführen, bei der mehr Energie freigesetzt worden sei, als man hineingesteckt habe. Erstmals netto plus – euphorisch wird das von vielen als Durchbruch gefeiert, als gewaltiger Schritt in Richtung fast unerschöpflicher Energie. Sind die hohen Erwartungen berechtigt? Wir fragen Frank Jenko, der in der Fusionsforschung an vorderster Front tätig ist.

Jenko ist Direktor am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching bei München und dort Leiter der Abteilung Tokamak-Theorie. Zudem ist er Honorarprofessor für Computational Physics an der Technischen Universität München. Er unterstützt Experimente vor Ort und überall in der Welt in seiner Rolle als Software-Crack, der als Arbeitsgerät die jeweils schnellsten Computer der Welt nutzt; zurzeit schaffen sie eine Million mal eine Million mal eine Million Rechenoperationen pro Sekunde. Seine Forschung ist auf die Computersimulation der komplexen Vorgänge fokussiert, die in einem Fusionsplasma ablaufen. Das erspart zum Teil langwierige und teure Experimente, spart auch Zeit.

 

 

Hundert Millionen Grad

Sieht Jenko nach dem Erfolg in den USA Anlass für ungehemmte Euphorie? «Dieses beeindruckende Ergebnis ist zweifellos ein Meilenstein in der Fusionsforschung», sagt er. «Erstmals hat ein Brennstoffgemisch aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium mehr Fusionsenergie erzeugt, als ihm zugeführt wurde.» Sind also Schlagzeilen wie «Unbeschränkt Energie für alle» gerechtfertigt? Holen wir mit dem Fusionsreaktor quasi die Sonne auf die Erde? Jenko: «Ja, das ist die zugrundeliegende Idee: die Sonne auf die Erde zu holen. Damit wird die Hoffnung neu entfacht, einen alten Traum der Kernforschung Wirklichkeit werden zu lassen: ein Fusionskraftwerk, das wie unsere Sonne Energie aus der Verschmelzung leichter Atomkerne gewinnt. Die Fusionsenergie gehört zu den wenigen Optionen, riesige Mengen an Energie bereitzustellen, ohne klimaschädliches CO2 freizusetzen – und zwar auf eine inhärent sichere Art und Weise.»

Wie funktioniert denn die Kernfusion, möglichst einfach erklärt? «Bei der Verschmelzung leichter Atomkerne wird sehr viel Energie freigesetzt, mehrere Millionen Mal mehr als bei der Verbrennung von Kohle. Allerdings muss man erst die elektrostatische Abstossung der Atomkerne überwinden, um die Verschmelzung zu ermöglichen. Das passiert bei Temperaturen von etwa hundert Millionen Grad. Grosse Hitze bedeutet, dass sich die Atomkerne sehr schnell bewegen. Dadurch haben sie ausreichend Energie, um einander immer wieder sehr nahezukommen. Dabei hat man es mit einem ionisierten Gas zu tun, also einem Plasma, dem vierten Aggregatzustand neben fest, flüssig und gasförmig.»

Oder konkreter: Man bringt zwei Atomkerne, schwere Varianten von Wasserstoff (einen Deuterium- und einen Tritiumkern), trotz ihrer elektrostatischen Abstossung so nahe zusammen, dass sie zu einem Heliumkern verschmelzen. Dazu braucht man viel Energie, aber das Verschmelzen setzt noch viel mehr Energie frei. So läuft das sonnenähnliche Kraftwerk. Jenko präzisiert: «In der Praxis verwendet man Deuterium und Tritium, zwei schwere Varianten von Wasserstoff, die zu Helium verbrennen und dabei ein energiereiches Neutron erzeugen. Letzteres kann zur Stromerzeugung genutzt werden.» Dieses verlässt das Plasma und trifft auf die umgebende Wand, die erhitzt wird. Über einen Kühlkreislauf werden dann Turbinen mit Stromgeneratoren angetrieben.

Wie kann man die unglaubliche Energiewirkung am Ort des Geschehens hinkriegen? Jenko nennt zwei Ansätze, die favorisiert werden: erstens den sogenannten magnetischen Einschluss, bei dem ein hundert Millionen Grad heisses Plasma durch ein Magnetfeld zusammengehalten wird (es gibt kein Gefäss, das diese Hitze aushielte). Diese Konstruktionen heissen Tokamaks oder Stellaratoren. Diese Strategie, so Jenko, verfolge man am Iter, einem Versuchs-Kernfusionsreaktor, der derzeit in Frankreich gebaut wird: Dort sollen Wasserstoffkerne in einer grossen Reaktorkammer bei extremer Hitze von rund 150 Millionen Grad fusioniert werden.

Jenko ist Spezialist für Tokamak-Theorie und damit in der Magnetvariante engagiert. Zweitens gibt es neben dem Magnet- den Trägheitseinschluss, bei dem die Wasserstoffkerne quasi in kleinen Kügelchen positioniert sind, die von aussen mit gewaltigen Laserstrahlen beschossen werden, so dass es implodiert und dabei die tausendfache Dichte erreicht. So funktioniert das NIF-Experiment in Kalifornien, von dem die jüngste Erfolgsmeldung stammt. Dieser Erfolg ist insofern zu relativieren, als der total aufgewendete Energie-Input jüngst immer noch grösser war als der Output, wenn man sämtliche Quellen der ganzen Anlage berücksichtigt.

Vernachlässigt bei der Förderung

Gibt es ein Rennen zwischen den Forschungsgruppen? Jenko: «In gewisser Weise schon, und das sehe ich durchaus positiv. Ähnlich wie im Sport spornt das in gesunder Weise zu Höchstleistungen an. Und vielleicht gibt es am Ende ja mehr als nur einen Weg, Fusionsenergie zu nutzen.» Also nicht die Kräfte weltweit bündeln, um maximal vorwärtszukommen? «Wie bei vielen anderen technologischen Entwicklungen auch, kann es sich lohnen, mehrere Wege zum Ziel zu verfolgen – vor allem solange nicht ganz klar ist, welche letztlich am besten sind.»

Ist der Input, mit dem man einen Fusionsreaktor füttert, wirklich so billig und überreichlich verfügbar, wie man es oft hört? Jenko: «Man benötigt zum einen Deuterium, das überreich in den Weltmeeren vorhanden ist, und zum andern Tritium, das mit Hilfe von Lithium hergestellt werden kann. Mit den Rohstoffen aus einer Badewanne voll Wasser und einer abgenutzten Laptop-Batterie könnte man einen Haushalt auf Jahrzehnte hinaus mit Strom versorgen.»

Neue Energiequellen sind dringend erforderlich. Jenko verweist auf Berechnungen, laut denen sich der weltweite Strombedarf bis Ende des Jahrhunderts vervierfachen werde. «Diesen Bedarf zu decken, ist eine gigantische Herausforderung für die Menschheit. Ich bin der Meinung, wir sollten alle denkbaren Optionen mit vollem Einsatz verfolgen.» Viele Studien belegten, dass sich Fusionsenergie mit regenerativen Energien sehr sinnvoll ergänzen könnte, besonders zur Deckung der Grundlast und damit zur Bewältigung des gigantischen ungelösten Problems der Energiespeicherung.

Wann etwa kann man mit dem Einsatz von Fusionsanlagen zur Energieerzeugung in brauchbarem Umfang rechnen? Das hängt Jenkos Ansicht nach davon ab, wie stark die Fusionsforschung gefördert wird. Bisher sei dies vergleichsweise bescheiden gewesen. In Deutschland seien in den vergangenen zwanzig Jahren andere Energieformen, erneuerbare, aber auch fossile Energien und die Kernenergie zum Teil mit jeweils mehreren hundert Milliarden Euro unterstützt worden – die Fusionsforschung aber nur mit weniger als einem Prozent davon. «Mit mehr Entschlossenheit und entsprechender finanzieller Förderung könnte viel Zeit gewonnen werden», fügt er an.

Wird seiner Ansicht nach also nicht genug in die Fusionsforschung investiert? «Leider ja. Die Fusionsforschung wird, wie gesagt, nur mit einem kleinen Bruchteil der finanziellen Mittel anderer Energieträger gefördert. Lediglich in den 1970er Jahren gab es in den USA nach der Ölkrise einen kurzen Förderungsboom, aber bald wurden die Mittel wieder gekürzt.»

Akzeptanz in der Gesellschaft

Seit einigen Jahren sei jedoch ein stark wachsendes Interesse seitens der Wirtschaft erkennbar. Weltweit seien nun etwa fünfzig Fusionsenergie-Start-ups gegründet worden, die mehr als fünf Milliarden Euro – überwiegend von privaten Investoren – erhalten hätten. «Das lässt auf eine dynamische Entwicklung hoffen.»

Mit Blick auf die Akzeptanz in der Gesellschaft: Gibt es Risiken, dass ein Fusionsprozess ausser Kontrolle geraten könnte, wenn Unvorhergesehenes schiefgeht? «Nein, das ist ausgeschlossen», meint Jenko. Fusionskraftwerke seien inhärent sicher, da die Verschmelzungsprozesse sich nur dann fortsetzten, wenn von aussen geeignete Bedingungen geschaffen würden: «Die Herausforderung, das Sonnenfeuer auf der Erde zu entzünden, lässt sich vielleicht mit der Aufgabe vergleichen, ein nasses Stück Holz anzuzünden.» Wenn man alles richtig mache, brenne es; wenn nicht, gehe es aus. Auch das Problem der Endlagerung, wie man es von der Kernenergie her kennt, stelle sich nicht.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kurz vor Weihnachten kam die Meldung: Der National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Lab in Kalifornien sei es gelungen, erstmals eine Kernfusion durchzuführen, bei der mehr Energie freigesetzt worden sei, als man hineingesteckt habe. Erstmals netto plus – euphorisch wird das von vielen als Durchbruch gefeiert, als gewaltiger Schritt in Richtung fast unerschöpflicher Energie. Sind die hohen Erwartungen berechtigt? Wir fragen Frank Jenko, der in der Fusionsforschung an vorderster Front tätig ist.

Jenko ist Direktor am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching bei München und dort Leiter der Abteilung Tokamak-Theorie. Zudem ist er Honorarprofessor für Computational Physics an der Technischen Universität München. Er unterstützt Experimente vor Ort und überall in der Welt in seiner Rolle als Software-Crack, der als Arbeitsgerät die jeweils schnellsten Computer der Welt nutzt; zurzeit schaffen sie eine Million mal eine Million mal eine Million Rechenoperationen pro Sekunde. Seine Forschung ist auf die Computersimulation der komplexen Vorgänge fokussiert, die in einem Fusionsplasma ablaufen. Das erspart zum Teil langwierige und teure Experimente, spart auch Zeit.

Hundert Millionen Grad

Sieht Jenko nach dem Erfolg in den USA Anlass für ungehemmte Euphorie? «Dieses beeindruckende Ergebnis ist zweifellos ein Meilenstein in der Fusionsforschung», sagt er. «Erstmals hat ein Brennstoffgemisch aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium mehr Fusionsenergie erzeugt, als ihm zugeführt wurde.» Sind also Schlagzeilen wie «Unbeschränkt Energie für alle» gerechtfertigt? Holen wir mit dem Fusionsreaktor quasi die Sonne auf die Erde? Jenko: «Ja, das ist die zugrundeliegende Idee: die Sonne auf die Erde zu holen. Damit wird die Hoffnung neu entfacht, einen alten Traum der Kernforschung Wirklichkeit werden zu lassen: ein Fusionskraftwerk, das wie unsere Sonne Energie aus der Verschmelzung leichter Atomkerne gewinnt. Die Fusionsenergie gehört zu den wenigen Optionen, riesige Mengen an Energie bereitzustellen, ohne klimaschädliches CO2 freizusetzen – und zwar auf eine inhärent sichere Art und Weise.»

Wie funktioniert denn die Kernfusion, möglichst einfach erklärt? «Bei der Verschmelzung leichter Atomkerne wird sehr viel Energie freigesetzt, mehrere Millionen Mal mehr als bei der Verbrennung von Kohle. Allerdings muss man erst die elektrostatische Abstossung der Atomkerne überwinden, um die Verschmelzung zu ermöglichen. Das passiert bei Temperaturen von etwa hundert Millionen Grad. Grosse Hitze bedeutet, dass sich die Atomkerne sehr schnell bewegen. Dadurch haben sie ausreichend Energie, um einander immer wieder sehr nahezukommen. Dabei hat man es mit einem ionisierten Gas zu tun, also einem Plasma, dem vierten Aggregatzustand neben fest, flüssig und gasförmig.»

Oder konkreter: Man bringt zwei Atomkerne, schwere Varianten von Wasserstoff (einen Deuterium- und einen Tritiumkern), trotz ihrer elektrostatischen Abstossung so nahe zusammen, dass sie zu einem Heliumkern verschmelzen. Dazu braucht man viel Energie, aber das Verschmelzen setzt noch viel mehr Energie frei. So läuft das sonnenähnliche Kraftwerk. Jenko präzisiert: «In der Praxis verwendet man Deuterium und Tritium, zwei schwere Varianten von Wasserstoff, die zu Helium verbrennen und dabei ein energiereiches Neutron erzeugen. Letzteres kann zur Stromerzeugung genutzt werden.» Dieses verlässt das Plasma und trifft auf die umgebende Wand, die erhitzt wird. Über einen Kühlkreislauf werden dann Turbinen mit Stromgeneratoren angetrieben.

Wie kann man die unglaubliche Energiewirkung am Ort des Geschehens hinkriegen? Jenko nennt zwei Ansätze, die favorisiert werden: erstens den sogenannten magnetischen Einschluss, bei dem ein hundert Millionen Grad heisses Plasma durch ein Magnetfeld zusammengehalten wird (es gibt kein Gefäss, das diese Hitze aushielte). Diese Konstruktionen heissen Tokamaks oder Stellaratoren. Diese Strategie, so Jenko, verfolge man am Iter, einem Versuchs-Kernfusionsreaktor, der derzeit in Frankreich gebaut wird: Dort sollen Wasserstoffkerne in einer grossen Reaktorkammer bei extremer Hitze von rund 150 Millionen Grad fusioniert werden.

Jenko ist Spezialist für Tokamak-Theorie und damit in der Magnetvariante engagiert. Zweitens gibt es neben dem Magnet- den Trägheitseinschluss, bei dem die Wasserstoffkerne quasi in kleinen Kügelchen positioniert sind, die von aussen mit gewaltigen Laserstrahlen beschossen werden, so dass es implodiert und dabei die tausendfache Dichte erreicht. So funktioniert das NIF-Experiment in Kalifornien, von dem die jüngste Erfolgsmeldung stammt. Dieser Erfolg ist insofern zu relativieren, als der total aufgewendete Energie-Input jüngst immer noch grösser war als der Output, wenn man sämtliche Quellen der ganzen Anlage berücksichtigt.

Vernachlässigt bei der Förderung

Gibt es ein Rennen zwischen den Forschungsgruppen? Jenko: «In gewisser Weise schon, und das sehe ich durchaus positiv. Ähnlich wie im Sport spornt das in gesunder Weise zu Höchstleistungen an. Und vielleicht gibt es am Ende ja mehr als nur einen Weg, Fusionsenergie zu nutzen.» Also nicht die Kräfte weltweit bündeln, um maximal vorwärtszukommen? «Wie bei vielen anderen technologischen Entwicklungen auch, kann es sich lohnen, mehrere Wege zum Ziel zu verfolgen – vor allem solange nicht ganz klar ist, welche letztlich am besten sind.»

Ist der Input, mit dem man einen Fusionsreaktor füttert, wirklich so billig und überreichlich verfügbar, wie man es oft hört? Jenko: «Man benötigt zum einen Deuterium, das überreich in den Weltmeeren vorhanden ist, und zum andern Tritium, das mit Hilfe von Lithium hergestellt werden kann. Mit den Rohstoffen aus einer Badewanne voll Wasser und einer abgenutzten Laptop-Batterie könnte man einen Haushalt auf Jahrzehnte hinaus mit Strom versorgen.»

Neue Energiequellen sind dringend erforderlich. Jenko verweist auf Berechnungen, laut denen sich der weltweite Strombedarf bis Ende des Jahrhunderts vervierfachen werde. «Diesen Bedarf zu decken, ist eine gigantische Herausforderung für die Menschheit. Ich bin der Meinung, wir sollten alle denkbaren Optionen mit vollem Einsatz verfolgen.» Viele Studien belegten, dass sich Fusionsenergie mit regenerativen Energien sehr sinnvoll ergänzen könnte, besonders zur Deckung der Grundlast und damit zur Bewältigung des gigantischen ungelösten Problems der Energiespeicherung.

Wann etwa kann man mit dem Einsatz von Fusionsanlagen zur Energieerzeugung in brauchbarem Umfang rechnen? Das hängt Jenkos Ansicht nach davon ab, wie stark die Fusionsforschung gefördert wird. Bisher sei dies vergleichsweise bescheiden gewesen. In Deutschland seien in den vergangenen zwanzig Jahren andere Energieformen, erneuerbare, aber auch fossile Energien und die Kernenergie zum Teil mit jeweils mehreren hundert Milliarden Euro unterstützt worden – die Fusionsforschung aber nur mit weniger als einem Prozent davon. «Mit mehr Entschlossenheit und entsprechender finanzieller Förderung könnte viel Zeit gewonnen werden», fügt er an.

Wird seiner Ansicht nach also nicht genug in die Fusionsforschung investiert? «Leider ja. Die Fusionsforschung wird, wie gesagt, nur mit einem kleinen Bruchteil der finanziellen Mittel anderer Energieträger gefördert. Lediglich in den 1970er Jahren gab es in den USA nach der Ölkrise einen kurzen Förderungsboom, aber bald wurden die Mittel wieder gekürzt.»

Akzeptanz in der Gesellschaft

Seit einigen Jahren sei jedoch ein stark wachsendes Interesse seitens der Wirtschaft erkennbar. Weltweit seien nun etwa fünfzig Fusionsenergie-Start-ups gegründet worden, die mehr als fünf Milliarden Euro – überwiegend von privaten Investoren – erhalten hätten. «Das lässt auf eine dynamische Entwicklung hoffen.»

Mit Blick auf die Akzeptanz in der Gesellschaft: Gibt es Risiken, dass ein Fusionsprozess ausser Kontrolle geraten könnte, wenn Unvorhergesehenes schiefgeht? «Nein, das ist ausgeschlossen», meint Jenko. Fusionskraftwerke seien inhärent sicher, da die Verschmelzungsprozesse sich nur dann fortsetzten, wenn von aussen geeignete Bedingungen geschaffen würden: «Die Herausforderung, das Sonnenfeuer auf der Erde zu entzünden, lässt sich vielleicht mit der Aufgabe vergleichen, ein nasses Stück Holz anzuzünden.» Wenn man alles richtig mache, brenne es; wenn nicht, gehe es aus. Auch das Problem der Endlagerung, wie man es von der Kernenergie her kennt, stelle sich nicht.

 

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