Der Durchbruch gelang in einem unglaublich kurzen Zeitabschnitt, weniger als ein Lichtstrahl braucht, um sich einen Zentimeter zu bewegen. In diesem winzigen Moment wurde die Kernfusion als Energiequelle von einem weit entfernten Traum zur Realität. Die Welt ringt nun mit den Auswirkungen des historischen Meilensteins. Für Arthur Pak und die zahllosen anderen Wissenschaftler, die Jahrzehnte damit verbracht haben, an diesen Punkt zu gelangen, fängt die Arbeit gerade erst an.
Pak und seine Kollegen vom Lawrence Livermore National Laboratory stehen nun vor einer gewaltigen Aufgabe: Mach es noch einmal, aber besser – und größer.
Das bedeutet, die Verwendung des größten Lasers der Welt zu perfektionieren, der in der National Ignition Facility des Labors untergebracht ist, den Science-Fiction-Fans aus dem Film „Star Trek: Into Darkness“ kennen werden, als er als Set für den Warpkern des Raumschiffs verwendet wurde 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 zu ihrer Entstehung benötigt wurde. Es gelang, den Weg zu einer neuen, kohlenstofffreien Energiequelle einzuschlagen, von der Wissenschaftler hoffen, dass sie eines Tages die gleiche Energiequelle nutzen wird, die die Sterne erleuchtet.
Pak, der 2010 in das Labor von Lawrence Livermore außerhalb von San Francisco kam, wachte an diesem Tag um 3 Uhr morgens auf und konnte nicht widerstehen, die ersten Ergebnisse von seinem Haus in San Jose aus zu überprüfen. Er hatte versucht, für den Schuss selbst wach zu bleiben, und schließlich aufgegeben, als sich die sorgfältigen Vorbereitungen des Experiments bis spät in die Nacht hinzogen. „Wenn du 10 Jahre lang für jeden Schuss wach bleiben würdest, würdest du verrückt werden“, sagte er.
In den letzten Monaten war klar, dass sein Team nah dran war, und in der Dunkelheit vor dem Morgengrauen suchte er nach einer Schlüsselzahl, die zeigen könnte, ob sie erfolgreich waren – eine Anzahl von Neutronen, die die Explosion erzeugte.
„Als ich diese Nummer sah, war ich hin und weg“, sagte er.
„Du kannst deine ganze Karriere arbeiten und diesen Moment nie sehen. Du tust es, weil du an das Ziel glaubst und die Herausforderung magst“, sagte Pak, Leiter der Diagnostik des Experiments. „Wenn Menschen zusammenkommen und gemeinsam arbeiten, können wir erstaunliche Dinge tun.“
Das Team von Lawrence Livermore – einem staatlich finanzierten Forschungslabor – wird seinen nächsten Test wahrscheinlich im Februar durchführen, und in den Monaten danach werden mehrere weitere Experimente folgen. Ziel wird es sein, die Energiemenge, die bei der Reaktion entsteht, weiter zu erhöhen. Das bedeutet mehr Basteln: Mehr Laserenergie verwenden. Feinabstimmung des Laserstrahls. Erzeugen Sie mehr Röntgenstrahlen innerhalb des Targets – ein wichtiger Schritt des Prozesses – mit der gleichen Energiemenge. Vielleicht die Anlage selbst modernisieren, eine Entscheidung, die die Zustimmung des Energieministeriums und eine riesige Menge an Finanzmitteln erfordern würde.
All dies wird Jahre, wenn nicht Jahrzehnte dauern, beginnend mit den mundgerechten Experimenten des Lawrence Livermore-Labors, 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 zu machen?“ sagte Kim Budil, Direktor des Lawrence Livermore-Labors. „Jedes davon ist eine unglaubliche wissenschaftliche und technische Herausforderung für uns.“
Die meisten Experten prognostizieren, dass die Welt noch mindestens 20 bis 30 Jahre davon entfernt ist, dass die Fusionstechnologie in einem Umfang rentabel wird, der groß und erschwinglich genug ist, um kommerzielle Energie zu erzeugen. Dieser Zeitplan stellt die Kernfusion außerhalb des Rahmens, um die weltweiten Netto-Null-Emissionsziele bis 2050 zu erreichen. In diesem Sinne könnte die Kernfusion die kohlenstofffreie Energiequelle der Zukunft sein, aber nicht der aktuellen globalen Energiewende, die vor uns liegt ständige Hürden.
Die Fusion hat die wissenschaftliche Vorstellungskraft seit Jahrzehnten beflügelt. Es wird bereits verwendet, um modernen Atomwaffen ihre verheerende Kraft zu verleihen, aber der Traum besteht darin, es für den zivilen Energiebedarf zu zähmen. Wenn es in den Maßstab gebracht 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 Kernspaltung ausgelöst wird, würde sie keinen langlebigen radioaktiven Abfall erzeugen. Ganze Generationen von Wissenschaftlern haben sich damit beschäftigt. Der wissenschaftliche Chefberater von Präsident Joe Biden, Arati Prabhakar, verbrachte 1978 als 19-jähriger College-Student in Schlaghosen einen Sommer damit, am Laserfusionsprogramm des Labors zu arbeiten.
„Dies ist ein so großartiges Beispiel dafür, was Beharrlichkeit erreichen kann“, sagte sie letzte Woche auf einer Pressekonferenz. „So macht man wirklich große, harte Dinge.“
Atome verschmelzen
Der erfolgreiche Laserschuss erzeugte Fusionsreaktionen mit einer Energie von 3,15 Megajoule und übertraf damit die vom Laser abgegebenen 2,05 Megajoule. Es war eine große Schwelle, das erste Mal, dass mehr Energie aus dem Laser herauskam als hineinkam. Aber die Gleichung muss viel mehr in die Richtung kippen, wie viel herauskommt, um wirtschaftlich rentabel zu werden.
Während die heutigen Kernkraftwerke Kernspaltung verwenden, Atome auseinander spalten, verschmilzt die Fusion Atome miteinander. Fusionsforscher sind zwei Hauptspuren gefolgt. Lawrence Livermore verwendet einen Prozess, der als Trägheitseinschluss bezeichnet wird, und sprengt Ziele mit Laserstrahlen, wobei eine kleine Menge Wasserstoff implodiert wird, bis er zu Helium verschmilzt. Eine kommerzielle Anlage, die diesen Ansatz verwendet, müsste den Vorgang extrem schnell immer wieder wiederholen, um genügend Energie für das Stromnetz zu erzeugen.
Zahlreiche Unternehmen entwickeln Trägheitseinschlusssysteme, obwohl es erhebliche Unterschiede gibt. Einige suchen nach verschiedenen Materialien für das Target, während andere Teilchenbeschleuniger anstelle von Lasern verwenden und die Fusionsreaktion auslösen, indem sie Atome zusammenschlagen.
Die konkurrierende Hauptidee heißt magnetischer Einschluss, mit Systemen, die eine Plasmawolke erzeugen, die auf Hunderte von Millionen Grad überhitzt wird und eine Fusionsreaktion auslösen kann. Leistungsstarke Magnete steuern das Plasma und halten die Reaktion aufrecht. Dieser Ansatz hat noch keinen Nettoenergiegewinn erzielt, und der Ansatz steht vor Herausforderungen, darunter die Entwicklung besserer Magnete und die Schaffung von Materialien, die superheißen 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 Finanzmitteln in Fusionsunternehmen geflossen, von denen die überwiegende Mehrheit auf magnetische Einschlusstechnologien abzielt.
Trägheitseinschluss könnte besser geeignet sein, um zu beweisen, dass Fusion funktionieren kann, sagte Adam Stein, Direktor für Nuklearenergieinnovation am The Breakthrough Institute, einer in Oakland, Kalifornien, ansässigen Forschungsgruppe. Aber auf längere Sicht, wenn es um die Kommerzialisierung geht, „ist der magnetische Plasmaeinschluss wahrscheinlicher erfolgreich“, sagte er.
„Sei ein Optimist“
Im Labor von Lawrence Livermore wurden Jahre damit verbracht, jeden Teil des Prozesses zu verfeinern.
Ein Großteil des Erfolgs beruhte auf Präzision. Die Brennstoffkapseln enthalten alle winzige Unvollkommenheiten, die den Ablauf der Reaktion erheblich beeinflussen können. So kann der gefrorene Wasserstoff im Inneren ein Gemisch aus den Isotopen Deuterium und Tritium sein. Das Team produzierte oft das Wasserstoffeis, schmolz es wieder und versuchte es vor einem Schuss mehrmals erneut, in der Hoffnung, das bestmögliche Ziel zu erreichen und die Erfolgschancen zu erhöhen.
Jeder, der an Fusion arbeitet, „muss Optimistin sein“, sagte Denise Hinkel, eine Physikerin, die sich auf die Verbesserung der Vorhersagefähigkeit der Computersimulationen des Programms konzentriert und die 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 in diesem Sommer etwa 8 % mehr Energie liefern können als während des Schusses in diesem Monat. Michael Stadermann, Programmmanager für die Herstellung von Zielen, sagte, dass das Labor auch ein Computerprogramm entwickelt, das die Hüllen der Brennstoffkapseln viel schneller als Menschen auf Fehler untersuchen kann. Sie arbeiten auch mit dem Kapselhersteller an der Verbesserung des Herstellungsprozesses.
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 dazu kommt. Und der magnetische Einschluss könnte schließlich die Fusionsmethode sein, die sich durchsetzt und der Welt reichlich saubere Energie liefert. Pak, ein leise sprechender Mann mit einem braunen Haarschopf und einem schnellen Verstand, sagte, dass ihn das Ergebnis nicht enttäuschen würde.
„Sie können von uns lernen – wir können von ihnen lernen“, sagte Pak, 40. „Wenn ich ein alter Mann bin, werde ich mit meinen Beiträgen wirklich zufrieden sein.“
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