Riesiger Laser aus „Star Trek“ soll bei Fusionsdurchbruch getestet werden

26. Dezember 2022

von David R. Baker, Will Wade, Bloomberg News

Der Durchbruch gelang in einer unglaublich kurzen Zeitspanne, weniger als ein Lichtstrahl braucht, um sich einen Zentimeter zu bewegen. In diesem winzigen Moment wurde die Kernfusion als Energiequelle von einem fernen Traum zur Realität. Die Welt setzt sich nun mit den Auswirkungen dieses historischen Meilensteins auseinander. Für Arthur Pak und die unzähligen anderen Wissenschaftler, die Jahrzehnte damit verbracht haben, an diesen Punkt zu gelangen, fängt die Arbeit gerade erst an.

Pak und seine Kollegen am Lawrence Livermore National Laboratory stehen nun vor einer gewaltigen Aufgabe: Machen Sie es noch einmal, aber besser – und größer.

Das bedeutet, den Einsatz des größten Lasers der Welt zu perfektionieren, der in der National Ignition Facility des Labors untergebracht ist, die Science-Fiction-Fans aus dem Film „Star Trek: Into Darkness“ kennen, als er als Kulisse für den Warpkern des Raumschiffs diente Unternehmen. Kurz nach 1 Uhr morgens am 5. Dezember schoss der Laser 192 Strahlen in drei sorgfältig modulierten Impulsen auf einen Zylinder, der eine winzige, mit Wasserstoff gefüllte Diamantkapsel enthielt, um die erste Fusionsreaktion auszulösen, die mehr Energie erzeugte, als für ihre Entstehung nötig war. Es war erfolgreich und ebnete den Weg zu einer neuen, kohlenstofffreien Energiequelle, von der Wissenschaftler hoffen, dass sie es den Menschen ermöglichen wird, die gleiche Energiequelle zu nutzen, die die Sterne zum Leuchten bringt.

Pak, der 2010 dem Lawrence Livermore-Labor außerhalb von San Francisco beitrat, wachte an diesem Tag um 3 Uhr morgens auf und konnte nicht widerstehen, die ersten Ergebnisse in seinem Haus in San Jose zu überprüfen. Er hatte versucht, während der Aufnahme selbst wach zu bleiben, gab aber schließlich auf, als sich die sorgfältigen Vorbereitungen für das Experiment bis spät in die Nacht hinzogen. „Wenn du 10 Jahre lang bei jedem Schlag aufbleiben würdest, würdest du verrückt werden“, sagte er.

In den letzten Monaten war klar, dass sein Team nahe dran war, und in der Dunkelheit vor Tagesanbruch suchte er nach einer Schlüsselzahl, die zeigen konnte, ob es ihnen gelungen war – der Anzahl der Neutronen, die die Explosion erzeugt hatte.

„Als ich diese Zahl sah, war ich überwältigt“, sagte er.

„Man kann sein ganzes Berufsleben lang arbeiten und diesen Moment nie erleben. Man tut es, weil man an das Ziel glaubt und die Herausforderung mag“, sagte Pak, Leiter der Diagnostik des Experiments. „Wenn Menschen zusammenkommen und zusammenarbeiten, können wir erstaunliche Dinge tun.“

Das Team von Lawrence Livermore – einem staatlich finanzierten Forschungslabor – wird voraussichtlich im Februar seinen nächsten Test durchführen, in den darauffolgenden Monaten werden mehrere weitere Experimente folgen. Das Ziel besteht darin, die Energiemenge, die bei der Reaktion erzeugt wird, weiter zu erhöhen. Das bedeutet mehr Bastelaufwand: Mehr Laserenergie verwenden. Feinabstimmung des Laserstrahls. Erzeugen Sie mit der gleichen Energiemenge mehr Röntgenstrahlen innerhalb des Ziels – ein wichtiger Schritt des Prozesses. Vielleicht sollte die Anlage selbst irgendwann modernisiert werden, eine Entscheidung, die die Unterstützung des Energieministeriums und eine enorme Finanzierung erfordern würde.

All das wird Jahre, wenn nicht Jahrzehnte dauern, angefangen mit den mundgerechten Experimenten des Labors von Lawrence Livermore, die nur Nanosekunden dauern.

„Wir müssen herausfinden: Können wir es einfacher machen? Können wir diesen Prozess einfacher und wiederholbarer machen? Können wir anfangen, ihn mehr als einmal am Tag durchzuführen?“ sagte Kim Budil, Direktorin des Lawrence Livermore Labors. „Jedes davon ist eine unglaubliche wissenschaftliche und technische Herausforderung für uns.“

Die meisten Experten gehen davon aus, dass es noch mindestens 20 bis 30 Jahre dauern wird, bis die Fusionstechnologie in einem Maßstab realisierbar wird, der groß genug und erschwinglich ist, um kommerziellen Strom zu erzeugen. Aufgrund dieses Zeithorizonts kann die Kernfusion nicht in nennenswertem Umfang genutzt werden, um die weltweiten Netto-Null-Emissionsziele bis 2050 zu erreichen. In diesem Sinne könnte die Kernfusion die kohlenstofffreie Energiequelle der Zukunft sein, nicht jedoch der aktuellen globalen Energiewende, die bevorsteht ständige Hürden.

Fusion regt seit Jahrzehnten die wissenschaftliche Fantasie an. Es wird bereits verwendet, um modernen Atomwaffen ihre verheerende Kraft zu verleihen, aber der Traum besteht darin, es für den zivilen Energiebedarf zu bändigen. Wenn es maßstabsgetreu umgesetzt werden kann, würde es zu Kraftwerken führen, die Tag und Nacht reichlich Strom liefern, ohne Treibhausgase auszustoßen. Und im Gegensatz zur heutigen Atomkraft, die durch einen Prozess namens Spaltung erzeugt wird, würde sie keinen langlebigen radioaktiven Abfall erzeugen. Ganze Generationen von Wissenschaftlern haben sich damit beschäftigt. Der leitende wissenschaftliche Berater von Präsident Joe Biden, Arati Prabhakar, arbeitete 1978 als 19-jähriger Student in Schlaghosen einen Sommer lang am Laserfusionsprogramm des Labors.

„Das ist ein großartiges Beispiel dafür, was Beharrlichkeit bewirken kann“, sagte sie letzte Woche auf einer Pressekonferenz. „So schafft man wirklich große, schwere Dinge.“

Der erfolgreiche Laserschuss löste Fusionsreaktionen aus, die eine Energie von 3,15 Megajoule erzeugten und damit die vom Laser erzeugten 2,05 Megajoule übertrafen. Es war eine große Schwelle, das erste Mal, dass mehr Energie aus dem Laser herauskam als hineinkam. Aber die Gleichung muss sich viel mehr in Richtung der Frage drehen, wie viel herauskommt, um kommerziell rentabel zu werden.

Während die heutigen Kernkraftwerke durch Spaltung Atome spalten, werden Atome durch Fusion miteinander verschmolzen. Fusionsforscher sind zwei Hauptrichtungen gefolgt. Lawrence Livermore beschießt Ziele mithilfe eines Prozesses namens „Inertial Confinement“ mit Laserstrahlen und implodiert dabei eine kleine Menge Wasserstoff, bis dieser zu Helium verschmilzt. Eine kommerzielle Anlage, die diesen Ansatz nutzt, müsste den Vorgang extrem schnell immer wieder wiederholen, um genug Energie für das Stromnetz zu erzeugen.

Zahlreiche Unternehmen entwickeln Trägheitseinschlusssysteme, obwohl es erhebliche Unterschiede gibt. Einige erwägen unterschiedliche Materialien für das Ziel, während andere Teilchenbeschleuniger anstelle von Lasern verwenden und die Fusionsreaktion durch das Zusammenschlagen von Atomen auslösen.

Die wichtigste konkurrierende Idee heißt magnetischer Einschluss, mit Systemen, die eine auf Hunderte Millionen Grad überhitzte Plasmawolke erzeugen, die eine Fusionsreaktion auslösen kann. Starke Magnete steuern das Plasma und halten die Reaktion aufrecht. Dieser Ansatz hat noch keinen Netto-Energiegewinn erzielt, und der Ansatz steht vor Herausforderungen, einschließlich der Entwicklung besserer Magnete und der Herstellung von Materialien, die extrem hohen Temperaturen standhalten und für den Behälter zur Aufnahme des Plasmas verwendet werden können.

Laut der Handelsgruppe der Fusion Industry Association sind bisher rund 5 Milliarden US-Dollar an Fördermitteln in Fusionsunternehmen geflossen, wobei die überwiegende Mehrheit auf magnetische Einschlusstechnologien ausgerichtet ist.

Der Trägheitseinschluss sei möglicherweise besser geeignet, um zu beweisen, dass Fusion funktionieren kann, sagte Adam Stein, Direktor für Kernenergieinnovation am Breakthrough Institute, einer Forschungsgruppe mit Sitz in Oakland, Kalifornien. Aber auf längere Sicht, wenn es um die Kommerzialisierung geht, „ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass der plasmamagnetische Einschluss erfolgreich sein wird“, sagte er.

Im Labor von Lawrence Livermore wurden Jahre damit verbracht, jeden Teil des Prozesses zu verfeinern.

Ein großer Teil des Erfolgs beruhte auf der Präzision. Die Brennstoffkapseln weisen alle winzige Mängel auf, die den Ablauf der Reaktion erheblich beeinflussen können. So auch der gefrorene Wasserstoff im Inneren, eine Mischung aus den Isotopen Deuterium und Tritium. Das Team produzierte oft das Wasserstoffeis, schmolz es wieder ein und versuchte es vor dem Abfeuern mehrmals erneut, in der Hoffnung, das bestmögliche Ziel zu erreichen und die Erfolgschancen zu erhöhen.

Jeder, der an der Kernfusion arbeitet, „muss ein Optimist sein“, sagte Denise Hinkel, eine Physikerin, die sich auf die Verbesserung der Vorhersagefähigkeit der Computersimulationen des Programms konzentriert und seit 30 Jahren bei Lawerence Livermore arbeitet. „Sonst würdest du nicht auf dem Feld bleiben.“

Laut Jean-Michel Di Nicola, Chefingenieur des Lasers der National Ignition Facility, wird der Riesenlaser bis zum Sommer in der Lage sein, etwa 8 % mehr Energie zu liefern als bei der Aufnahme in diesem Monat. Michael Stadermann, Programmmanager für die Zielherstellung, sagte, dass das Labor auch ein Computerprogramm entwickelt, das die Hüllen von Treibstoffkapseln viel schneller als Menschen auf Fehler untersuchen kann. Sie arbeiten auch mit dem Kapselhersteller zusammen, um den Herstellungsprozess zu verbessern.

Es ist möglich, dass der Durchbruch von Lawrence Livermore nur ein Moment der Wissenschaftsgeschichte bleibt und nicht den Beginn einer neuen Fusionsindustrie markiert, die den Globus antreibt. Die Überbrückung der Lücke vom Experiment zur Kommerzialisierung könnte Jahrzehnte dauern, wenn es überhaupt gelingt. Und der magnetische Einschluss könnte letztendlich die Fusionsmethode sein, die sich durchsetzt und der Welt reichlich saubere Energie liefert. Pak, ein sanftmütiger Mann mit lockerem braunem Haar und einer schnellen Auffassungsgabe, sagte, dass ihn das Ergebnis nicht enttäuschen würde.

„Sie können von uns lernen – wir können von ihnen lernen“, sagte der 40-jährige Pak. „Wenn ich ein alter Mann bin, werde ich mit meinen Beiträgen wirklich zufrieden sein.“

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