Die winzige Diamantkugel, die saubere Energie freisetzen könnte

Am Montag, dem 5. Dezember, um 1:03 Uhr morgens richteten Wissenschaftler der National Ignition Facility in Kalifornien ihren 192-Strahl-Laser auf einen Zylinder, der eine winzige Diamant-Treibstoffkapsel enthielt.

Dieser starke Laserlichtstoß erzeugte enorme Temperaturen und Drücke und löste eine Fusionsreaktion aus – die Reaktion, die die Sonne antreibt.

Die National Ignition Facility (NIF), Teil des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), hatte solche Experimente bereits zuvor durchgeführt, aber dieses Mal war die Energie, die aus der Reaktion hervorging, höher als die Laserleistung, die zum Auslösen der Reaktion verwendet wurde.

Wissenschaftler versuchen seit Jahrzehnten, diese Schwelle zu erreichen, und die Hoffnung besteht darin, eines Tages Kraftwerke zu bauen, die eine Fusionsreaktion nutzen, um reichlich kohlenstofffreien Strom zu erzeugen.

Das ist noch Zukunftsmusik. In der Zwischenzeit muss noch viel Arbeit in die Entwicklung der Technologie investiert werden.

Eine der Schlüsselkomponenten des NIF ist eine pfefferkorngroße Kapsel aus synthetischem Diamant, die den Treibstoff enthält. Die Eigenschaften dieser Kugelkapsel sind entscheidend für die Durchführung eines erfolgreichen Fusionsexperiments.

Die Kugel muss vollkommen glatt und frei von Verunreinigungen sein – etwaige Anomalien könnten die Reaktion zerstören.

Diese präzise gefertigten Kugeln werden jedoch nicht in Kalifornien hergestellt. Sie sind das Ergebnis jahrelanger Arbeit von Diamond Materials, einem Unternehmen mit Sitz in Freiburg, Deutschland.

„Die Anforderungen an die [sphärischen] Kapseln sind sehr hoch“, sagt Christoph Wild, neben Eckhard Wörner Geschäftsführer von Diamond Materials.

„Wir arbeiten eng mit Lawrence Livermore zusammen und versuchen, Mängel wie Verunreinigungen, Hohlräume oder unebene Wände zu minimieren.“

Das 25-köpfige Team von Diamond Materials stellt synthetischen Diamanten durch ein Verfahren namens chemische Gasphasenabscheidung her.

Die Herstellung jeder Charge von 20–40 Kapseln dauert etwa zwei Monate. Dazu werden winzige Diamantkristalle sorgfältig um einen Siliziumkarbidkern geschichtet und wiederholt poliert.

Während des Entwicklungsprozesses stellten sie fest, dass selbst das sorgfältigste Polieren nicht ausreichte, da die Oberfläche auf mikroskopischer Ebene immer noch narbig und uneben war.

In Zusammenarbeit mit Teams am LLNL entdeckten sie schließlich, dass sie eine polierte Kapsel mit einer frischen Schicht Diamantkristallen glasieren konnten, um das benötigte saubere, spiegelähnliche Finish zu erzielen.

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Wenn die Diamantkapseln am LLNL ankommen, wird der Siliziumkern entfernt und ein winziges Glasröhrchen verwendet, um die Hohlkugel mit Deuterium und Tritium zu füllen, beides schwere Arten von Wasserstoff, die die Fusionsreaktion antreiben.

„Um dieses Brennstoffpellet herum befindet sich ein Zylinder aus Gold und abgereichertem Uran“, erklärt Mike Farrell, Vizepräsident für Trägheitsfusionstechnologie bei General Atomics, dem größten Industriepartner von LLNL.

Die dritte und letzte Schicht der Kapsel ist ein Aluminiumzylinder, der zum Abkühlen des Kapselinhalts vor der Reaktion dient.

Ein weiterer wichtiger Technologiebereich für NIF ist die Optik – alles, was die Übertragung, Erkennung oder Nutzung von Licht unterstützt.

Da NIF den leistungsstärksten Laser der Welt betreibt, nutzt es einen Großteil dieser Technologie und optische Komponenten werden bei jedem Hochfahren der Maschine beschädigt.

Seit den frühen 1970er Jahren arbeitet NIF eng mit Optikherstellern wie der Zygo Corporation und dem Spezialglashersteller SCHOTT zusammen, um Ersatzteile sowie Schmutz- und Explosionsschutzschilde zu optimieren und zu liefern.

Nach dem erfolgreichen Experiment im Dezember besteht die nächste Herausforderung für NIF und seine Partner darin, die Technologie weiter zu verbessern, um die Reaktion zu reproduzieren und zu verbessern.

Mike Farrell hofft, dass der Schritt nach vorne dazu beitragen kann, die Unterstützung für weitere Forschung zu fördern. „Das Experiment veränderte die wissenschaftliche Meinung. Die Zündung galt immer als nahezu unerreichbar oder als etwas, das erst in 40 Jahren in der Zukunft passieren könnte. Das Ergebnis im Dezember war aufschlussreich.“

Zurück in Freiburg hofft Diamond Materials, mehr Zeit in die Forschung investieren zu können. „Etwa 20 % unseres Teams sind in der Forschung tätig und wir beiden Geschäftsführer sind auch Physiker“, sagt Herr Wild.

„Forschung auf der Ebene, die wir produzieren, erfordert viele Ressourcen und wir dürfen die Produktion nicht vernachlässigen. Deshalb werden wir das Team wahrscheinlich weiter vergrößern. Denn die Forschung von heute führt zu den Produkten von morgen.“

Teams auf der ganzen Welt bemühen sich darum, ein funktionierendes Fusionskraftwerk zu bauen – und nutzen dabei alle möglichen Ansätze. Aber es wird viele Jahre dauern und Milliarden von Dollar an Investitionen erfordern.

Der Meilenstein des NIF im letzten Jahr dürfte dem Sektor Auftrieb geben, meint Herr Farrell: „Regierungs- und Unternehmensfinanzierung dürfte jetzt einfacher zu bekommen sein, da sich gezeigt hat, dass eine Ankurbelung möglich ist.“

Diese Investition wird erforderlich sein, um die erheblichen technischen Herausforderungen beim Bau eines funktionierenden Kraftwerks zu bewältigen – nicht zuletzt die Suche nach Materialien, die der hohen Energie, die beim Fusionsprozess entsteht, standhalten.

Aber Herr Farrell weist schnell darauf hin, wie schnell der Fortschritt nach dem ersten Durchbruch an Dynamik gewinnen kann.

„Sobald man erste Prinzipien zeigt, wie wir es gerade getan haben, übernehmen die Ingenieure die Zügel, um herauszufinden, wie man das reproduzierbar machen kann.“

„Denken Sie daran, dass der erste Flug der Gebrüder Wright im Jahr 1903 stattfand und der erste Überschallflug in den 1950er Jahren stattfand. In etwa 40 Jahren kann sich viel weiterentwickeln.“