Der Durchbruch bei der Kernfusion könnte in ferner Zukunft ein Schritt zu unbegrenzter sauberer Energie sein

Von Scott Pelley

15. Januar 2023 / 18:58 Uhr / CBS News

Letzten Monat befand sich der erdnächste Stern in Kalifornien. In einem Labor zwangen die größten Laser der Welt zum ersten Mal Wasserstoffatome dazu, in der gleichen energieerzeugenden Reaktion zusammenzuschmelzen, die die Sonne entzündet. Es dauerte weniger als eine milliardstel Sekunde. Aber nach sechs Jahrzehnten der Mühe und des Scheiterns bewies das Lawrence Livermore National Laboratory, dass es möglich ist. Wenn die Kernfusion eines Tages zu kommerzieller Energie wird, wäre sie endlos und kohlenstofffrei. Mit anderen Worten: Es würde das menschliche Schicksal verändern. Wie Sie sehen werden, ist es noch ein weiter Weg. Aber nach dem Durchbruch im Dezember wurden wir eingeladen, das Labor zu besichtigen und das Team zu treffen, das die Sternenkraft auf die Erde brachte.

Unkontrollierte Fusion ist einfach – die Filme sind schon vor langer Zeit in Schwarzweiß gemeistert. Bei der Fusion handelt es sich um die Aufgabe einer Wasserstoffbombe, bei der Energie freigesetzt wird, indem sie Wasserstoffatome dazu zwingt, miteinander zu verschmelzen. Unmöglich war es, die Feuer von Harmagedon in etwas Nützliches zu verwandeln.

Das Lawrence Livermore National Laboratory des US-Energieministeriums hilft bei der Wartung von Atomwaffen und bei Experimenten mit Hochenergiephysik. Eine Stunde östlich von San Francisco trafen wir Livermores Direktorin Kim Budil in dem Labor, das Geschichte geschrieben hat: der National Ignition Facility.

Kim Budil: Die National Ignition Facility ist der größte und energiereichste Laser der Welt. Es wurde ab den 1990er-Jahren gebaut, um im Labor Bedingungen zu schaffen, die bisher nur in den extremsten Objekten des Universums möglich waren, etwa im Zentrum von Riesenplaneten, der Sonne oder beim Einsatz von Atomwaffen. Und das Ziel bestand darin, diese Art von Zustand mit sehr hoher Energie und hoher Dichte wirklich sehr detailliert untersuchen zu können.

Die National Ignition Facility (NIF) wurde für 3,5 Milliarden US-Dollar gebaut, um eine autarke Kernfusion zu zünden. Sie haben es in 13 Jahren fast 200 Mal versucht. Aber wie ein Auto mit einer schwachen Batterie würde der Atommotor nie anspringen.

Scott Pelley: NIF hat einige Spitznamen vergeben.

Kim Budil: Das war es. Seit vielen Jahren die „Not Ignition Facility“, die „Never Ignition Facility“. In jüngerer Zeit die „Nearly Ignition Facility“. Dieses jüngste Ereignis hat die NIF wirklich in Aufruhr versetzt.

Zünden bedeutet, eine Fusionsreaktion zu zünden, die mehr Energie freisetzt, als die Laser einbringen.

Kim Budil: Wenn man es also heiß genug, dicht genug, schnell genug und lange genug zusammenhalten kann, beginnen die Fusionsreaktionen, sich selbst zu erhalten. Und genau das ist hier am 5. Dezember passiert.

Letzten Monat hat der von diesem Kontrollraum abgefeuerte Laserschuss zwei Energieeinheiten in das Experiment eingebracht, Atome begannen zu verschmelzen und es kamen etwa drei Energieeinheiten heraus. Tammy Ma, die die Laserfusionsforschungsinitiativen des Labors leitet, erhielt den Anruf, während sie auf ein Flugzeug wartete.

Tammy Ma: Und ich brach in Tränen aus. Es waren nur Freudentränen. Und ich begann tatsächlich körperlich zu zittern und – und hüpfte am Gate auf und ab, wissen Sie, bevor alle einsteigen. Alle fragten sich: „Was macht diese verrückte Frau?“

Tammy Ma ist verrückt nach Technik.

Sie zeigte uns, warum das Problem der Fusion jeden zu Tränen rühren würde. Erstens ist da die benötigte Energie, die von Lasern in diesen Röhren geliefert wird, die länger als ein Fußballfeld sind.

Scott Pelley: Und wie viele sind es insgesamt?

Tammy Ma: Insgesamt 192 Laser.

Scott Pelley: Jeder dieser Laser ist einer der energiereichsten der Welt und es gibt 192 davon.

Tammy Ma: Das ist ziemlich cool, oder?

Eigentlich ziemlich heiß, Millionen Grad, weshalb sie Schlüssel verwenden, um die Laser zu verriegeln.

Die Strahlen treffen mit einer Leistung ein, die tausendmal größer ist als die des gesamten nationalen Stromnetzes. Das Licht zu Hause geht bei einem Schuss nicht aus, weil Kondensatoren den Strom speichern. In den Röhren verstärken sich die Laserstrahlen, indem sie hin und her rasen, und der Blitz dauert nur den Bruchteil einer Sekunde.

Tammy Ma: Wir müssen diese unglaublichen Bedingungen erreichen; heißer und dichter als das Zentrum der Sonne, und daher benötigen wir die gesamte Laserenergie, um diese sehr hohen Energiedichten zu erreichen.

Der ganze Krach verdampft ein Ziel, das fast zu klein ist, um es zu sehen.

Scott Pelley: Kann ich dieses Ding halten?

Michael Stadermann: Auf jeden Fall

Scott Pelley: Unglaublich. Einfach unglaublich.

Das Team um Michael Stadermann baut die hohlen Zielhüllen, die bei 430 Grad unter Null mit Wasserstoff beladen werden.

Michael Stadermann: Die Präzision, die wir für die Herstellung dieser Schalen benötigen, ist extrem. Die Schalen sind nahezu perfekt rund. Ihre Rauheit ist hundertmal besser als die eines Spiegels.

Wenn es nicht glatter als ein Spiegel wäre, würden Unvollkommenheiten die Implosion von Atomen ungleichmäßig machen und zu einem Scheitern der Fusion führen.

Scott Pelley: Diese müssen also so perfekt wie möglich sein.

Michael Stadermann: Stimmt. Das ist richtig, und wir glauben, dass sie zu den perfektesten Gegenständen gehören, die wir auf der Erde haben.

Stadermanns Labor strebt nach Perfektion, indem es Kohlenstoff verdampft und die Hülle aus Diamant formt. Sie bauen 1.500 pro Jahr, um 150 nahezu perfekt zu machen.

Michael Stadermann: Unter dem Mikroskop werden alle Komponenten zusammengeführt. Und dann setzt der Monteur elektromechanische Tische ein, um die Teile dorthin zu bringen, wo sie hin sollen – er bewegt sie zusammen, und dann tragen wir mit einem Haar Kleber auf.

Scott Pelley: Ein Haar?

Michael Stadermann: Ja. Normalerweise so etwas wie eine Wimper oder Ähnliches oder ein Katzenbart.

Scott Pelley: Tragen Sie den Kleber mit einem Katzenbart auf?

Michael Stadermann: Stimmt.

Scott Pelley: Warum muss es so klein sein?

Michael Stadermann: Der Laser liefert uns nur eine begrenzte Energiemenge, und um eine größere Kapsel anzutreiben, bräuchten wir mehr Energie. Es handelt sich also um eine Einschränkung der Anlage, die Sie gesehen haben und die sehr groß ist. Und trotz seiner Größe geht es darum, was wir damit fahren können.

Scott Pelley: Das Ziel könnte größer sein, aber dann müsste der Laser größer sein.

Michael Stadermann: Stimmt.

Am 5. Dezember verwendeten sie ein dickeres Ziel, damit es seine Form länger beibehielt, und fanden heraus, wie man die Leistung des Laserschusses steigern konnte, ohne die Laser zu beschädigen.

Tammy Ma: Das ist also ein Beispiel für ein Ziel vor dem Schuss …

Tammy Ma zeigte uns eine intakte Zielscheibenbaugruppe. Die Diamantschale, die Sie gesehen haben, befindet sich in diesem silberfarbenen Zylinder.

Diese Baugruppe gelangt in eine blaue Vakuumkammer, die drei Stockwerke hoch ist. Hier ist es schwer zu sehen, denn es wimmelt von Lasern und Instrumenten.

Dieses Instrument nennen sie Dante, weil es, wie sie uns sagten, die Feuer der Hölle misst. Ein Physiker sagte: „Sie sollten das Ziel sehen, das wir am 5. Dezember gesprengt haben.“

Was uns zu der Frage veranlasste: „Könnten wir?“

Scott Pelley: Haben Sie das schon einmal gesehen?

Tammy Ma: Das ist das erste Mal, dass ich es sehe.

Für Tammy Ma und für die Welt ist dies der erste Blick auf das, was von der Zielbaugruppe übrig geblieben ist, die die Geschichte verändert hat – ein Artefakt wie Bells erstes Telefon oder Edisons Glühbirne.

Scott Pelley: Dieses Ding wird im Smithsonian landen.

Der Zielzylinder wurde in Vergessenheit geraten, die Kupferhalterung, die ihn hielt, löste sich nach hinten.

Scott Pelley: Die Explosion am Ende war heißer als die Sonne.

Tammy Ma: Es war heißer als der Mittelpunkt der Sonne. Wir konnten die höchsten Temperaturen im gesamten Sonnensystem erreichen.

Das würde eine astronomische Veränderung der elektrischen Energie bedeuten. Im Gegensatz zu heutigen Kernkraftwerken, die Atome spalten, ist ihre Fusion um ein Vielfaches leistungsstärker und verursacht nur eine geringe Langzeitstrahlung. Und es lässt sich leicht ausschalten, sodass es nicht zu Ausfällen kommt. Aber von der ersten Zündung bis zum Triebwerk zu gelangen, wird schwierig sein.

Scott Pelley: Wie viele Aufnahmen machen Sie an einem Tag?

Tammy Ma: Wir machen im Durchschnitt etwas mehr als eine Spritze pro Tag.

Scott Pelley: Wenn es sich theoretisch um ein kommerzielles Kraftwerk handeln würde, wie viele Schüsse pro Tag wären erforderlich?

Tammy Ma: Ungefähr zehn Schüsse pro Sekunde wären erforderlich. Und die andere große Herausforderung besteht natürlich nicht nur darin, die Wiederholungsrate zu erhöhen, sondern auch den Gewinn aus den Zielen auf etwa den Faktor 100 zu steigern.

Die Reaktionen müssten nicht nur 100-mal mehr Energie produzieren, sondern ein Kraftwerk bräuchte auch 900.000 perfekte Diamantschalen pro Tag. Außerdem müssten die Laser deutlich effizienter sein. Erinnern Sie sich daran, dass der Durchbruch im Dezember zwei Energieeinheiten zugeführt und drei herausgebracht hat? Nun, es waren 300 Energieeinheiten nötig, um die Laser abzufeuern. Nach diesem Standard waren es 300 rein, drei raus. Dieses Detail stand nicht im Mittelpunkt der Pressekonferenz des Energieministeriums im Dezember, die den Fortschritt mit einem unwahrscheinlichen Zeitplan verband.

Energieministerin Jennifer Granholm auf der Pressekonferenz des Energieministeriums: Die heutige Ankündigung ist ein großer Schritt vorwärts in Richtung des Ziels des Präsidenten, innerhalb eines Jahrzehnts eine kommerzielle Fusion zu erreichen.

Scott Pelley: Als Sie hörten, dass Präsident Bidens Ziel die kommerzielle Fusionsenergie in einem Jahrzehnt sei, dachten Sie sich was?

Charles Seife: Ich dachte, es sei Unsinn.

Charles Seife ist ein ausgebildeter Mathematiker, Wissenschaftsautor und Professor an der New York University, der 2008 ein Buch über den Hype um die Fusionsenergie schrieb.

Charles Seife: Ich möchte die Tatsache nicht schmälern, dass dies eine echte Leistung ist. Die Zündung ist ein Meilenstein, den die Menschen schon seit Jahren erreichen wollen. Ich befürchte, dass es trotz dieser großartigen Leistung noch so viele technische Hürden gibt – dass zehn Jahre ein Wunschtraum sind.

Zu diesen Hürden gehört laut Seife auch die Steigerung der Leistung von Livermore. Der Dezember-Schuss erzeugte ungefähr genug überschüssige Energie, um zwei Kannen Kaffee zu kochen. Die Hürden könnten überwunden werden, sagt Seife, aber nicht bald.

Charles Seife: Ich gehe davon aus, dass wir es bis 2050 nicht haben werden.

Dennoch gibt es im Widerspruch zu Charles Seifes Prophezeiung mehr als 30 private Unternehmen, die verschiedene Ansätze zur Fusionsenergie entwickeln – einschließlich der Verwendung von Magneten, nicht von Lasern. In diese Unternehmen flossen in den letzten 13 Monaten 3 Milliarden US-Dollar an Privatgeldern – darunter auch Wetten von Bill Gates und Google. Bei all diesen Spekulationen ist sich Regisseurin von Lawrence Livermore, Kim Budil, einer Sache sicher.

Scott Pelley: Können Sie es noch einmal machen?

Kim Budil: Auf jeden Fall.

Sie werden es nächsten Monat noch einmal versuchen. Budil stimmt zu, dass die Hindernisse enorm sind. Aber sie sagte uns, dass die kommerzielle Fusionsenergie in etwa 20 Jahren demonstriert werden könnte, wenn genügend Mittel und Engagement vorhanden wären. Wir verglichen die erste Zündung mit dem ersten Flug der Gebrüder Wright, der nur 120 Fuß zurücklegte.

Kim Budil: Es ist eine Sache zu glauben – dass die Wissenschaft möglich ist – dass die Bedingungen geschaffen werden können, eine andere, sie in die Tat umzusetzen. Und es ist wirklich ein bemerkenswertes Gefühl, nach 60 Jahren Arbeit an den Punkt gekommen zu sein, den ersten Flug unternommen zu haben.

Vom Pfützensprung bis zum Überschallflug vergingen 44 Jahre. Ob die Fusionskraft in 10 oder 50 Jahren erreicht wird, ist heute hauptsächlich ein technisches Problem. Lawrence Livermore hat bewiesen, dass aus einer Maschine ein Star entsteht.

Produziert von Andy Court. Mitproduzentin Annabelle Hanflig. Rundfunkmitarbeiterin Michelle Karim. Herausgegeben von Jorge J. García.

Korrespondent, „60 Minuten“

Erstveröffentlichung am 15. Januar 2023 / 18:58 Uhr