Unendliche Energie.

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Fusion w7x island chain

Technologie. Die Kernfusion könnte der Weg sein, sämtliche Energieprobleme der Menschheit umwelt- und klimaverträglich für alle Zeit zu lösen. Seit weit über 70 Jahren forschen Wissenschaftler und Ingenieure an der Technologie. Zuletzt haben sie enorme Fortschritte gemacht.

Prometheus stahl einst das Feuer vom Sonnenwagen des Helios und brachte es den Menschen. Heute schicken sich die Menschen selbst an, nach dem Vorbild der Sonne eine unendliche Energiequelle zu nutzen.

Die sogenannte Kernfusion findet seit 4,6 Milliarden Jahren im Innern der Sonne statt. Wenn die Kerne von Wasserstoffatomen, Protonen genannt, in einem dauerhaften Prozess miteinander verschmelzen, also fusionieren, wird enorm viel Energie frei. Übrig bleibt das nach dem Sonnengott benannte Helium, ein völlig klimaneutrales und gänzlich ungefährliches Gas, das sich mit keinem anderen Element verbindet. Der Brennstoff Wasserstoff hat noch einen Vorteil. Er ist konkurrenzlos günstig, weil er als Bestandteil von Wasser im Überfluss zur Verfügung steht. Ist das Kraftwerk erst einmal gebaut, reichen wenige Kilogramm Wasserstoff aus, um ganze Städte über Monate hinweg mit Strom zu versorgen. Damit eine solche Fusion stattfinden kann, müssen die Atomkerne zunächst von den Elektronen befreit werden, die sie umhüllen. In der Sonne passiert das unter hohem Druck und bei Temperaturen von um die 15 Millionen Grad. Da auf der Erde kein so hoher Druck lastet, sind hier zehnmal höhere Temperaturen von 100 bis 150 Millionen Grad nötig.

Mit steigender Temperatur entsteht zunächst ein Plasma, ein elektrisch leitendes Gas, in dem die positiv geladenen Protonen und die negativ geladenen Elektronen durcheinanderfliegen. Steigt die Temperatur weiter an, werden die Teilchen immer schneller, bis schließlich ein Punkt erreicht ist, an dem sie genug Energie haben, um die gegenseitige Abstoßung zu überwinden und zu fusionieren. Nun wird ein Vielfaches der eingesetzten Energie frei.

Gelangen auch nur Spuren fremder Stoffe in so ein Plasma, etwa Staub von den Reaktorwänden, fällt es allerdings sofort in sich zusammen. Eine Fusion findet nicht mehr statt. Das ist einerseits positiv, weil ein Fusionskraftwerk nie explodieren oder außer Kontrolle geraten könnte. Es würde bei einer Störung einfach nur aufhören, Energie zu produzieren. Andererseits macht es den Prozess hoch kompliziert. Schließlich darf das Plasma nicht mit den Wänden eines Reaktors in Kontakt kommen.

Das zu vermeiden, ist wohl eine der schwierigsten Aufgaben, die Physiker und Ingenieure lösen wollen. Soll die Kernfusion dauerhaft Energie erzeugen, muss das Plasma auch dauerhaft in der Balance gehalten werden. Lange Zeit war die Fusion darum eher ein Spielfeld für reine Grundlagenforscher. Heute wird versucht, es mithilfe von enorm starken Magnetfeldern in einem Schwebezustand zu halten.

Das funktioniert zeitweise so gut, dass nun weltweit ein Wettlauf darum entbrannt ist, wem zuerst eine verlässliche Dauerfusion gelingt und welches Reaktorkonzept sich dafür am besten eignen könnte.

In Deutschland arbeiten Forscher sogar an zwei Reaktortypen, einem sogenannten Tokamak namens „ASDEX Upgrade“ in Garching bei München und einem Stellarator-Typ namens „Wendelstein 7-X“ in Greifswald. Beide betreibt das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik IPP.

Fusion Wendenstein

Der erste Stellarator wurde 1951 unter großer Geheimhaltung in Princeton entwickelt. Sein Plasmagefäß sieht aus wie ein unordentlich verdrehter Fahrradschlauch mit kurios gewundenen Magnetspulen. Der große Vorteil dieser kruden Architektur ist, dass so ein Reaktor im Dauerbetrieb arbeiten kann. Der technisch weiterentwickelte Tokamak kann seine Energie dagegen nur mit unterbrochenen Pulsen erzeugen.

Wendelstein 7-X ist der größte der weltweit 13 Stellaratoren. In ihm erreichen die Forscher derzeit eine Plasmatemperatur von 40 Millionen Grad. Für eine Fusion in einem späteren Kraftwerk würde das noch nicht reichen. Deshalb wird Wendelstein 7-X derzeit umgebaut. „Die Stellen, an denen das Plasma die Wand des Plasmagefäßes berührt, werden künftig durch wassergekühlte Grafitkacheln geschützt“, erläutert Isabella Milch, die Pressesprecherin des IPP. „Dadurch sind höhere Temperaturen zu erreichen und vor allem können viel längere Plasmaentladungen gefahren werden.“ In zwei Jahren sollen die ersten Versuche starten.

Die technisch einfachere Lösung ist der Tokamak-Reaktor. Mit weltweit etwa 30 Versuchsanlagen ist dieser Typ auch am weitesten verbreitet. Entwickelt wurde er unter ebenfalls großer Geheimhaltung 1952 am Kurtschatow-Institut in Moskau. In ihm schwebt das Plasma ringförmig in einem Torus zwischen starken, meist D-förmig im Kreis angeordneten Magneten.

Der Tokamak ASDEX Upgrade in Garching dient heute vor allem der Suche nach den besten Betriebsweisen für das Plasma. Dabei ist ASDEX Upgrade die einzige Maschine der Welt, deren Plasmagefäß innen komplett mit Wolfram ausgekleidet ist. So können die Forscher nun untersuchen, ob Wolfram im Plasma stört. Das ist auch ein Thema für die Materialforschung. „Beispielsweise wurden im IPP Verbindungen von massiven Wolframplatten und Wolframfasern entwickelt“, erläutert Milch.

Wolfram ist das Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt und darum eigentlich der ideale Kandidat für die innere Auskleidung der Reaktorbehälter. „Aber es ist eben ursprünglich auch recht spröde. Die Faserverstärkung macht das Material flexibler und bruchfester.“

Der größte Tokamak der Welt ist ITER. Er wird seit 2013 in Cadarache in Südfrankreich gebaut. Wenn alles gut läuft, wird er um 2025 herum erstmals eine Fusion erzeugen, die mit 500 Megawatt für eine halbe Stunde zehnmal mehr Energie erzeugt, als für die Erhitzung des Plasma nötig ist. Dafür würden gerade einmal vier Gramm Wasserstoff ausreichen – ein Quantensprung.

ITER ist eine gewaltige technische Anstrengung von sieben Nationen. Hier arbeiten Forscher und Ingenieure, Studenten und Postdocs aus Indien, Japan und Korea engagiert und in Eintracht mit Kollegen aus China, Russland, den USA und Europa eng zusammen. Dazu kommen 35 weitere Länder, die mit Experten und Komponentenlieferungen zum Gelingen beitragen. Immerhin: 60 Prozent der notwendigen Bauarbeiten sind bereits geschafft.

Die Mitgliedsländer zahlen nicht direkt Geld ein, sondern liefern Sachleistungen oder Komponenten. Das alles zu organisieren und die sehr strengen Standards zu überwachen, braucht eine sehr rigide Struktur und viel Zeit. „Wenn ITER möglichst schnell und günstig hätte ans Ziel kommen sollen, wäre das Projekt ganz anders aufgezogen worden. Wir wären dann wohl schon da“, erklärt Pressesprecherin Sabina Griffith.

Aber bei ITER geht es eben um mehr als nur darum, eine Maschine zu bauen, die beweist, dass Fusionsenergie in großem Stil machbar ist. „Das andere Ziel von ITER ist es, eine weltweite Kernfusionsindustrie quasi heranzuzüchten. Weil alle Komponenten gleichzeitig in 35 Teilnehmernationen aufgebaut werden, erziehen wir die Industrie, wir erziehen Ingenieure, wir fördern junge Wissenschaftler.“

Tatsächlich ist dieser Anspruch nicht unerheblich. Denn trotz all der Diskussion um nationale Klimaziele ist das Problem der Erderwärmung dauerhaft nur im globalen Maßstab lösbar. Insofern weist das ITER-Projekt weit in die Zukunft, zumal die intensive, globale Zusammenarbeit von Menschen aus den unterschiedlichsten Kulturen und über politische Querelen hinweg auch die Grundlage für eine bessere und friedlichere Welt sein kann.

In den vielen kleineren Tokamak-Anlagen überall auf der Welt werden Detailforschungen für ITER durchgeführt. Auch am ASDEX Upgrade in Garching. „Hier untersuchen wir für ITER die Plasmaszenarien im Kleinen“, sagt Milch. „Außerdem entwickeln wir im IPP eine spezielle Neutralteilchenheizung, Wärmesensoren sowie Druckmesser für ITER. Und wir beteiligen uns auch an der Ausarbeitung des Steuerungssystems.“

Auch in der Privatwirtschaft hat der Versuch, eine weltweite Kernfusionsindustrie quasi heranzuzüchten, inzwischen Erfolg. Denn beim Wettlauf um die Kernfusion mischen jetzt auch viele Privatunternehmen mit. Sie proklamieren, schneller zum Ziel zu kommen und kompaktere und billigere Reaktoren bauen zu können. So will beispielsweise das junge Start-up-Unternehmen Commonwealth Fusion Systems (CFS), eine Ausgründung der Eliteuniversität MIT, in einem kleinen Reaktor eine neue Art von Magneten testen, mit dem es später an die Konstruktion eines eigenen kompakten und preiswerten Fusionsreaktors gehen will. Auch der Rüstungskonzern Lockheed Martin forscht an einem besonders kompakten Modell. Allerdings sind die Verantwortlichen der meisten Privatprojekte zurück­haltend mit detaillierten Auskünften über ihre Technologie. So bleibt oft unklar, wie es um ihre Fortschritte wirklich bestellt ist und welche der Verlautbarungen vor allem der Werbung um Investoren dienen.

Einer, der am weitesten zu sein scheint, ist der Astrophysiker Michl Binderbauer, Vorstandsvorsitzender des kalifornischen Unternehmens TAE-Technologies. Er spricht inzwischen gerne und ausführlich über die Fortschritte seines „Norman“ getauften Reaktors, benannt nach seinem 2014 verstorbenem Doktorvater Norman Rostoker, dem Spiritus Rector hinter TAE.

Fusion TAE

Das Besondere am TAE-Reaktor: Er verwendet für das Plasma und auch die spätere Fusionsreaktion neben dem üblichen Wasserstoff auch Bor. Dieses Gemisch hat den Vorteil, dass die Wände um das Plasma nicht im Laufe der Zeit schwach radioaktiv werden wie bei reinem Wasserstoff. Der Reaktor selbst sieht aus wie ein großes, zigarrenförmiges Rohr. An beiden Enden werden Plasmen erzeugt, die dann aufeinander geschossen werden.

Auf diese Weise erreichen die Atomkerne eine besonders hohe Durchschlagskraft im Fusionsprozess. „Die Magnetfelder, die für dieses Plasma nötig sind, sind deshalb schwächer, das Plasma aber dennoch stabiler“, erklärt Binderbauer. „Damit kann das Gerät kompakter sein, und billiger bei den Herstellungs- und Unterhaltungskosten.“

Binderbauer ist klar, dass wissenschaftlich-technische Kooperationen auch für sein Unternehmen wichtig sind. Als Partner gewann er die Universitäten von Princeton und Kalifornien, das Oak-Ridge-Nationallabor, worüber es auch eine Zusammenarbeit mit ITER gibt, sowie das renommierte Budger-Institut für Nuklearphysik in Novosibirsk. Selbst Google ist dabei. Seine Algorithmen liefern Lösungen für maschinelles Lernen und für Künstliche Intelligenz, um die riesige Datensammlung aus den zahlreichen Messungen auszuwerten.

Die Schritte von einem heißen Plasma zu einem noch heißeren und schließlich zur Fusion sind vor allem auch deshalb mühevoll und langwierig, weil das Verhalten des schwebenden Plasmas so schwer zu berechnen ist. Künstliche Intelligenz zur Auswahl und Bewertung der Daten und schnelle Quantenrechner für mathematische Modelle von Plasmen und Fusion könnten die Entwicklungen beschleunigen.

Bisher haben Investoren rund 600 Millionen Dollar in TAE-Technology investiert. Im kommenden Herbst steht nun eine neue Finanzierungsrunde an. „Wir suchen vor allem auch strategische Partner“, wünscht sich Michl Binderbauer, beispielsweise Hochtechnologie-Hersteller und Entwickler von Supraleitungen, von Magneten, von Sensoren und elektrischen Schaltungen. Aber auch Partner aus dem Kraftwerksbereich oder von Elektrizitätswerken sind gefragt.

Mit derartigen Kooperationen könnten die Wissenschaftler vielleicht schneller ans Ziel kommen, als bisher gedacht. „Norman dürfte noch in diesem Jahr für 35 Millisekunden Temperaturen um die 35 Millionen Grad erreichen“, hofft Binderbauer. „Gelingt das, sind wir zuversichtlich, dass wir mit unserem Nachfolgemodell Copernicus auf 100 Millionen Grad kommen.“ Damit wäre TAE-Technologies dann tatsächlich nicht mehr weit davon entfernt, in zehn Jahren ebenfalls eine energieerzeugende Fusion zu erreichen.

ITER ist derzeit noch ein Forschungsreaktor, doch der nächste Schritt wird schon geplant. Ihm soll eine Demonstrationsanlage folgen, die ab 2048 in kleinem Industriemaßstab und im Dauerbetrieb zeigen soll, dass Fusionskraftwerke im Prinzip für die Versorgung der Menschheit mit Energie taugen.

Es mag dann vielleicht noch weitere Jahre dauern, bis Fusionsstrom in unendlichen Mengen und beinahe kostenlos aus der Steckdose kommt. Aber der Traum beginnt langsam, Realität zu werden. ®

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Wertvolle Abfallprodukte.

Das große Thema aller Teilnehmer an ITER ist derzeit die Supraleitfähigkeit. Stromleiter aus bestimmten seltenen Metallen, aber auch Aluminium oder Blei werden bei Temperaturen von unter minus 260 Grad zu Supraleitern. Der Strom durchfließt diese völlig ohne Widerstand und geht nicht verloren.

In den Forschungsreaktoren werden diese Supraleiter zur Erzeugung der starken, konstanten Magnetfelder mit den kilometerlangen Wicklungen der Magnetspulen benötigt. Doch auch in medizinischen Geräten, wie MRTs und CTs, werden supraleitende Elektromagnete eingebaut. Nicht zuletzt könnten Supraleitungen eines Tages aber auch lange, transkontinentale Kupferkabel ersetzen, bei denen heute wegen des elektrischen Widerstands viel Strom verloren geht.

Derzeit wird daran geforscht, die Supraleitung auch bei höheren Temperaturen zu verwirklichen, um den Energieaufwand für die Kühlung zu reduzieren. Aktuell schaffen spezielle Legierungen im Experiment eine widerstandslose Stromleitung schon bei minus 135 Grad.

Die Aufheizung des Protonengases im Plasma auf viele Millionen Grad erfolgt nach dem Prinzip der Küchen-Mikrowellen, allerdings mit enorm hoher Leistung. Solche Gyrotron genannten Heizungen verbessern auch die Herstellung nicht-metallischer Hightech-Materialien, etwa hoch belastbare Sinterglas-Keramik. Sie wird beispielsweise für Kochfelder benötigt – bekannt als „Ceran“.

Die am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik entwickelten Platten aus Wolfram, verstärkt mit Wolframfasern, sind ein neues Material, das seine Anwendung außerhalb der Fusionsforschung noch sucht. Zum Beispiel ließe es sich für andere thermisch hoch beanspruchte Maschinenteile nutzen, etwa in Motoren oder bei chemischen Reaktionen.

Auch bei TAE-Technologies ist ein interessantes Nebenprodukt entstanden, das Spin-off TAE Life Sciences. Mithilfe seiner Wasserstoff-Bor-Technologie aus der Reaktorforschung testen Mediziner hier die Nutzung der sogenannten Bor-Neutroneneinfangtherapie BNCT zur Behandlung von Krebs.

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Kann die Kernfusion die Welt retten?

Die Erderwärmung, so der Konsens in der Wissenschaft, darf nicht um mehr als zwei Grad steigen, wenn die Menschheit die Folgen halbwegs managen können soll – wenn auch zu hohen Kosten. Für viele Ökosysteme wird allerdings selbst das zu viel sein, wie der Sonderbericht des internationalen Klimarates IPCC von Oktober 2018 feststellt. Viele zerstörerische Prozesse des Erdsystems sind bereits jetzt unaufhaltsam angeschoben, wie der steigende Meeresspiegel, der die nächsten Hunderte von Jahren nicht aufzuhalten sein wird.

Die Kernfusion, die alle fossilen Brennstoffe mit ihren CO2-Ausgasungen ersetzen soll, wird also viel zu spät kommen, um den Klimawandel noch aufzuhalten.

Deshalb muss die Menschheit zunächst weiter als Zwischenlösung auf erneuerbare Energien setzen – Solar und Wind. Und dabei wohl den Ressourcenverbrauch an verschiedensten Metallen und Seltenen Erden in Kauf nehmen, die für Solarzellen und Windmühlen gebraucht und unter oft unmenschlichen Bedingungen gefördert werden. Langfristig werden erneuerbare Energien wohl auch mit dem steigenden Bedarf der Menschheit nicht Schritt halten können – dabei ist beispielsweise an den enorm steigenden Energieverbrauch für Blockchains zu denken.

Konsequent zu Ende gedacht, hat heute nur die Kernfusion das Potenzial, die Zukunftsenergie für eine völlig neue Welt zu werden, in der die Menschen sich um eine neue Balance mit der Natur und dem Klima bemühen. Umso wichtiger wäre es, viel mehr intellektuelle und finanzielle Ressourcen bereitzustellen, um diese Technologie voranzutreiben.

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Autor: Hanns-J. Neubert

Fotos: IPP, Matthias Otte // IPP, Wolfgang Filser // IPP, Thomas Henningsen // TAE

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