EnergieBlog
 
 

Energie-Frage der Woche: Können Laser ein Sonnenfeuer für einen Fusionsreaktor entfachen?

15. März 2010, 07.33, Jan Oliver Löfken, 8 Kommentar/e
Günstig, sicher, klimafreundlich und unerschöpflich: In der Kernfusion sehen viele Energieexperten die Stromquelle der Zukunft. Allerdings rechnen die Wissenschaftler mit einem ersten Fusionskraftwerk erst in 40 bis 50 Jahren. Ein heißes Plasma, eingesperrt in einem extrem starken Magnetfeld, gilt als derzeit vielversprechendster Weg, auf den vor allem die Europäer setzen. Doch könnten vielleicht starke Laser, mit denen amerikanische Physiker arbeiten, viel schneller und einfacher das begehrte Sonnenfeuer auf Erden entfachen?

Mit der Energie von 192 auf einen Punkt fokussierten Laserstrahlen wollen die Wissenschaftler mit einem 3,5 Milliarden Dollar teuren Fusionsexperiment im kalifornischen Livermore den Weg zur Kernfusion ebnen. Bei Temperaturen von über drei Millionen Grad Celsius sollen leichte Wasserstoff-Atomkerne zu schwereren Heliumkernen verschmelzen und dabei immense Energiemengen freisetzen. Deutlich mehr als zur Zündung der Kernfusion nötig sei. Und erst vor wenigen Wochen berichteten sie in der Fachzeitschrift "Science", dass die Testläufe erfolgreich abgeschlossen sind und bereits im Laufe des Jahres das erste Fusionsfeuer gezündet werden könne.

Kernfusion bei 3,3 Millionen Grad Celsius

"Es funktioniert bisher besser als jeder erwartet hätte", sagte Siegfried Glenzer von der National Ignition Facility (NIF) in Livermore. Mehrere Jahre bereitete seine Arbeitsgruppe zusammen mit vielen Kollegen anderer beteiligter Institute das gigantische Fusionsexperiment vor. In einem Gebäude, zehn Stockwerke hoch und auf einer Fläche von drei Fußballfeldern, werden die 192 Laserstrahlen über aufwendige Optiken auf einen nur wenige Millimeter großen Hohlzylinder aus Gold gelenkt. An diesem Punkt konzentriert sich die Energie von bis zu 1,8 Megajoule. Bei einer Temperatur von 3,3 Millionen Grad Celsius verdampft das Gold und es entsteht in einer Implosion ein Plasma aus geladenen Teilchen und Röntgenstrahlung. Diese Bedingungen sollen ausreichen, um Wasserstoffkerne zu schwereren Heliumkernen zu verschmelzen.

Künstlerische Darstellung: Bei Temperaturen von drei Millionen Grad Celsius sollen Wasserstoffkerne zu schwereren Heliumkernen verschmelzen. Beide Bilder: NIF.

Künstlerische Darstellung: Bei Temperaturen von über drei Millionen Grad Celsius sollen Wasserstoffkerne zu schwereren Heliumkernen verschmelzen. Beide Bilder: NIF.


Bisher liefen diese Vorversuche ohne den eigentlichen Brennstoff für die Kernfusion, die schweren Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium ab. Im Laufe des Jahres wollen Glenzer und Kollegen diesen Schritt wagen und den Fusionsbrennstoff in einer pfefferkorngroßen Kapsel aus Beryllium inmitten des Hohlzylinders aus Gold deponieren. Dann könnte es gelingen, ein kurzes Fusionsfeuer zu entfachen, das auch ohne die Aufheizung durch die Laserstrahlen weiter brennt.

Wettrennen zwischen Laserfusion und europäischen Fusionsreaktor ITER

Voraussichtlich im Juni fällt die Entscheidung, wann das Laserfusionsexperiment in diese nächste, entscheidende Phase eintreten wird. Ob es tatsächlich klappt, eine Kernfusion zu zünden, können die Wissenschaftler noch nicht sagen. Sollte es jedoch gelingen, wird das amerikanische Fusionsexperiment in den Wettlauf mit dem europäischen Fusionsreaktor ITER treten, der derzeit in Cadarache in Südfrankreich aufgebaut wird. Die ITER-Forscher setzen im Unterschied zu ihren amerikanischen Kollegen nicht auf eine Laserzündung, sondern auf ein Millionen Grad heißes Plasma, dass in einem extrem starken Magnetfeld eingeschlossen werden soll. Im Vorgänger von ITER, dem Testreaktor JET in Großbritannien, konnte auch schon für wenige Sekunden ein Fusionsfeuer entfacht werden. Viele kleine Fortschritte, die zu einem großen Teil in deutschen Instituten in Karlsruhe, Garching und Greifswald gelangen, machen ITER zum Favoriten im Wettrennen der Fusionsreaktoren.

Welches Prinzip sich letztendlich für einen ersten kommerziell nutzbaren Fusionsreaktor durchsetzen wird, weiß noch niemand. Fest steht bisher nur die Prognose der Forscher, dass es noch einige Jahrzehnte bis zur wirtschaftlichen Stromerzeugung mit Kernfusion dauern wird. Sollte es jedoch klappen, ganz gleich ob mit Lasern oder Magnetfeldern, wäre die Energieversorgung der Menschheit gesichert.

Weitere Informationen zum Thema Kernfusion:
Versuchs-Fusionsreaktor ITER
National Ignition Facility NIF

Die DLR-Energiefrage der Woche im Wissenschaftsjahr "Die Zukunft der Energie"

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das Wissenschaftsjahr 2010 unter das Motto "Die Zukunft der Energie" gestellt. Aus diesem Anlass beantwortet der Wissenschaftsjournalist Jan Oliver Löfken in diesem Jahr jede Woche eine Frage zum Thema Energie in diesem Blog. Haben Sie Fragen, wie unsere Energieversorgung in Zukunft aussehen könnte? Oder wollen Sie wissen, wie beispielsweise ein Wellenkraftwerk funktioniert und wie effizient damit Strom erzeugt werden kann? Dann schicken Sie uns Ihre Fragen per E-Mail. Wissenschaftsjournalist Jan Oliver Löfken recherchiert die Antworten und veröffentlicht sie jede Woche in diesem Blog.


Kommentare
  • Von Carola Graf am 19.03.2010
    Fusion - das scheinbar ewige und doch so spannende Thema. Interessant, Neues dazu zu lesen. Nur die Gegenüberstellung von Laserzündung und Fusion hat mich wenig erhellt: Wäre das wirklich ein Wettlauf oder werden hier Äpfel mit Birnen verglichen? Das Zünden des Fusionsfeuers ist eine Sache, der dauerhafte Betrieb eines Fusinskraftwerks eine andere, oder?
  • Von Isabella Milch am 19.03.2010
    Ein wenig sind es wirklich Äpfel und Birnen, da hat Carola Recht: Die "Zündung" des Fusionsfeuers in einem Trägheitspellet und in einem magnetisch eingeschlossenen thermischen Plasma sind sozusagen nicht "gleichwertig". Denn wenn ein thermisches Plasma gezündet ist (geheizt durch schnelle eingeschossenen Teilchen oder Hochfrequenzwellen), brennt es wie ein Feuer ohne Heizung alleine weiter - im Stellarator (wenn er dann funktioniert) beliebig lange, im Tokamak etwa eine Stunde. Von den Pellets muss man aber in einem späteren Kraftwerk fünf bis zehn Stück pro Sekunde zünden - also das Fusionsfeuer immer neu entfachen. Es handelt sich ja quasi um kleine Explosionen. Eine solche Zündfrequenz ist mit Lasern wohl nicht möglich. NIF zum Beispiel kann pro Tag nur wenige Experimente ausführen, weil die optischen Bauteile zwischen den einzelnen Experimenten lange Zeit zum Abkühlen brauchen. Sonst wird das nächste Kügelchen nicht mehr präzise genug getroffen. Wenn das Konzept der Trägheitsfusion erfolgreich zu einem Kraftwerk führen sollte, dann eher, wenn die Pellets durch Teilchenbeschuss aufgeheizt werden. NIF wird ITER ganz sicher mit der Plasmazündung zuvor kommen - ob das Konzept damit näher an ein Kraftwerk herangekommen ist als die Magnetfusion, ist aber fraglich.
  • Von Thomas Hannemann am 21.03.2010
    Die Idee des Tocamac und seine Weiterentwicklung des Iter wurden geboren, als die Lasertechnik noch nicht leistungsfähig genug war. Sicherlich werden erst Kombinationen aus verschiedenen Techniken aus Laser, Magnetfeldern zum Einschluss des Plasmas und neuen Werkstoffen zum erfolg führen. Aber in 40 oder 50 Jahren muss diese Technik mit der Photovoltaik mit hohem Wirkungsgrad konkurrieren. Warum also auf der Erde die Kernfusion entfachen, wenn man sie aus sicherem Abstand frei Haus geliefert bekommt?
  • Von Jan Oliver Löfken am 22.03.2010
    Es freut mich, mit dem Thema Kernfusion so interessierte und gut informierte Leserinnen und Leser zu finden. Und es ist richtig, sowohl die Tokamak-, als auch die Laser-Reaktoren müssten mit einer relativ hohen Pulsrate immer neue Fusionsprozesse anstoßen. Allein beim Stellerator-Prinzip, das vor allem in Greifswald mit der Wendelstein-7X-Maschine untersucht werden soll, könnte man von einem fast "kontinuierlichen" Fusionsfeuer sprechen---wenn es funktionieren wird. Und sicher werden auch günstigere Solarzellen in 50 Jahren höhere Wirkungsgrade haben. Doch auf eine einzige Quelle allein sollte für ein solch wichtiges Gut wie Strom auch in Zukunft nicht gesetzt werden.
  • Von Karsten Weiß am 23.07.2010
    Glauben Sie an ein erfolgreichen Abschluß für die Neuentwicklung von Fusionskraftwerken?
  • Von Jan Oliver Löfken am 23.07.2010
    Sehr geehrter Herr Weiß, diese zentrale und auch heikle Frage möchte ich für mich ganz persönlich mit "Ja" beantworten....trotz der schon über Jahrzehnte verschleppten Ankündigung eines Erfolgs. Der Aufwand, der mit ITER derzeit betrieben wird, ist bislang einzigartig, die Ansätze viel versprechend und die Technik ungemein komplex. Mit Iter in den nächsten beiden Jahrzehnten einen Netto-Überschuss an Energie zu erzeugen, halte ich für möglich. Allerdings darf dazu trotz steigender Kosten das derzeitig definierte Ziel nicht aus den Augen verloren werden. Wird Iter keinen Netto-Energieüberschuss liefern, können wir die Fusionsforschung mit dem Tokamak-Prinzip getrost beerdigen. Dann bliebe noch der Laser-Ansatz der Amerikaner, die derzeit aber technologisch noch hinter Iter stehen....und noch der Magneteinschluss nach dem Stellerator-Prinzip in Greifswald...ebenfalls ein Experiment mit noch ungewissem, aber hoffnungsvollen Ausgang. Besten Gruß Jan Oliver Löfken