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Wissenschaftler geben großen Durchbruch bei der Kernfusionsenergie bekannt


Wissenschaftler einer bundesstaatlichen Atomwaffenanlage haben laut einem Regierungsbeamten einen potenziell bedeutenden Fortschritt in der Fusionsforschung gemacht, der in Zukunft zu einer ergiebigen Energiequelle führen könnte.

Der Fortschritt wird voraussichtlich am Dienstag vom Energieministerium bekannt gegeben, das sagte, am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien sei ein „großer wissenschaftlicher Durchbruch“ erzielt worden. Jennifer Granholm, die Energieministerin, sowie Vertreter des Weißen Hauses und andere Beamte des Energieministeriums werden voraussichtlich anwesend sein. Die Financial Times berichtete am Sonntag, dass der wissenschaftliche Fortschritt die National Ignition Facility (NIF) betrifft, die Riesenlaser verwendet, um Bedingungen zu schaffen, die kurzzeitig die Explosionen von Atomwaffen nachahmen.

Der Regierungsbeamte, der anonym sprach, um Ergebnisse zu diskutieren, die noch nicht öffentlich sind, sagte, dass das Fusionsexperiment am NIF eine sogenannte Zündung erreicht habe, bei der die erzeugte Fusionsenergie gleich der Laserenergie sei, die die Reaktion gestartet habe. Zündung wird auch als Energiegewinn von eins bezeichnet.

Eine solche Entwicklung würde die Fähigkeit der Vereinigten Staaten verbessern, ihre Atomwaffen ohne Atomtests aufrechtzuerhalten, und könnte die Voraussetzungen für zukünftige Fortschritte schaffen, die eines Tages zur Nutzung der Laserfusion als Energiequelle führen könnten.

Obwohl noch nicht öffentlich bekannt gegeben, hat sich die Nachricht schnell unter Physikern und anderen Wissenschaftlern verbreitet, die sich mit Fusion befassen.

„Gestern hat mir ein befreundeter Wissenschaftler eine Notiz geschickt, in der er besagt, dass Livermore erst letzte Woche einen Energiegewinn von eins überschritten hat und das Ergebnis am Dienstag bekannt geben wird“, sagte Stephen Bodner, ein Plasmaphysiker im Ruhestand, der seit langem ein Kritiker von NIF ist, in einem E-Mail Montagmorgen. „Sie verdienen Anerkennung dafür, dass sie ihr Ziel erreicht haben.“

Fusion ist die thermonukleare Reaktion, die die Sonne und andere Sterne antreibt – die Verschmelzung von Wasserstoffatomen zu Helium. Die Masse von Helium ist etwas geringer als die der ursprünglichen Wasserstoffatome. Durch Einsteins ikonische E=mc²-Gleichung wird dieser Massenunterschied also in einen Energiestoß umgewandelt.

Fusion, die auf kontrollierte Weise auf der Erde erzeugt werden könnte, könnte eine Energiequelle bedeuten, die keine Treibhausgase wie Kohle und Öl oder gefährliche, langlebige radioaktive Abfälle produziert, wie dies bei derzeitigen Kernkraftwerken der Fall ist.

Bei den meisten bisherigen Fusionsbemühungen wurden ringförmige Reaktoren verwendet, die als Tokamaks bekannt sind. In den Reaktoren wird Wasserstoffgas auf Temperaturen erhitzt, die so heiß sind, dass die Elektronen von den Wasserstoffkernen abgestreift werden, wodurch ein sogenanntes Plasma entsteht – Wolken aus positiv geladenen Kernen und negativ geladenen Elektronen. Magnetfelder fangen das Plasma in der Donutform ein, und die Kerne verschmelzen miteinander, wodurch Energie in Form von Neutronen freigesetzt wird, die nach außen fliegen.

Die Ankündigung vom Dienstag beinhaltet jedoch einen anderen Ansatz. NIF besteht aus 192 gigantischen Lasern, die gleichzeitig auf einen etwa radierergroßen Metallzylinder schießen. Der auf etwa 5,4 Millionen Grad Fahrenheit erhitzte Zylinder verdampft und erzeugt eine Implosion von Röntgenstrahlen, die wiederum ein BB-großes Pellet aus gefrorenem Deuterium und Tritium, zwei schwereren Formen von Wasserstoff, erhitzt und komprimiert. Die Implosion verschmilzt den Wasserstoff zu Helium und erzeugt eine Fusion.

Der Hauptzweck von NIF, das für 3,5 Milliarden Dollar gebaut wurde, besteht darin, Experimente durchzuführen, die den Vereinigten Staaten helfen, ihre Atomwaffen ohne Atomtestexplosionen aufrechtzuerhalten. Befürworter sagten auch, dass es die Fusionsforschung voranbringen könnte, die zu rentablen kommerziellen Kraftwerken führen könnte.

Allerdings generierte NIF zunächst kaum Fusion. Im Jahr 2014 meldeten die Wissenschaftler von Livermore schließlich einen Erfolg, aber die damals erzeugte Energie war winzig – das Äquivalent dessen, was eine 60-Watt-Glühbirne in fünf Minuten verbraucht.

Letztes Jahr berichteten Livermore-Wissenschaftler über einen großen Sprung, einen Energiestoß – 10 Billiarden Watt Leistung – das war 70 Prozent so viel wie die Energie des Laserlichts, das auf das Wasserstoffziel trifft.

Aber die Explosion – im Wesentlichen eine Miniatur-Wasserstoffbombe – dauerte nur 100 Billionstel Sekunden.

Der Bericht der Financial Times vom Sonntag deutet darauf hin, dass Livermore ankündigen wird, dass die erzeugte Fusionsenergie im letzten Experiment die Menge an Laserenergie überstieg, die das Wasserstoffziel traf.

Dazu musste die Fusionsreaktion selbsterhaltend sein, was bedeutet, dass der Strom von Partikeln, die von der heißen Stelle in der Mitte des Pellets nach außen strömen, die umgebenden Wasserstoffatome erhitzte und sie ebenfalls zum Schmelzen brachte.

Ein wichtiger Vorbehalt ist, dass sich die Behauptung auf die Laserenergie konzentriert, die auf das Wasserstoffziel trifft. Die Laser von NIF sind äußerst ineffizient, was bedeutet, dass nur ein kleiner Bruchteil der Energie, die zum Antreiben der Laser verwendet wird, tatsächlich in die Strahlen selbst gelangt.

Modernere Technologien wie Festkörperlaser wären effizienter, aber noch weit von einer 100-prozentigen Fusion entfernt; Damit dies praktikabel ist, muss die Fusionsenergieabgabe mindestens um ein Vielfaches größer sein als die der ankommenden Laser.

Nein.

Selbst wenn Wissenschaftler herausfinden würden, wie man größere Fusionsschübe erzeugen kann, würden immense technische Hürden bestehen bleiben.

Die Experimente des NIF haben einen Burst nach dem anderen untersucht.

Ein praktisches Fusionskraftwerk, das dieses Konzept verwendet, würde ein Maschinengewehrtempo von Laserstößen erfordern, wobei für jeden Stoß neue Wasserstoffziele an Ort und Stelle gleiten würden. Dann müssten die aus den Fusionsreaktionen herausfliegenden Ströme von Neutronen in Strom umgewandelt werden.

Der Laserkomplex füllt ein Gebäude mit einer Grundfläche von drei Fußballfeldern – zu groß, zu teuer, zu ineffizient für ein kommerzielles Kraftwerk.

Ein Herstellungsverfahren zur Massenproduktion der genauen Wasserstoffziele müsste entwickelt werden.