Öm 8. August 2021 gelang einem laserinitiierten Experiment an der National Ignition Facility (NIF) der USA im Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien ein bedeutender Durchbruch bei der Reproduktion der Energiequelle der Sterne und brach seinen eigenen Energierekord von 2018 23-mal mehr aus Kernfusionsreaktionen freigesetzt. Bei diesem Fortschritt wurden 70 % der eingesetzten Laserenergie als Kernenergie freigesetzt. Ein Lichtimpuls, der auf winzige Punkte innerhalb einer Vakuumkammer mit 10 Metern Durchmesser fokussiert wurde, löste den Kollaps einer Treibstoffkapsel von ungefähr der Größe der Pupille Ihres Auges auf den Durchmesser eines menschlichen Haares aus. Diese Implosion schuf die extremen Temperatur- und Druckbedingungen, die erforderlich sind, damit sich Wasserstoffatome zu neuen Atomen verbinden und Kilogramm für Kilogramm das 10 Millionenfache der Energie freisetzen, die beim Verbrennen von Kohle entstehen würde.
Das Ergebnis kommt einer Demonstration des „Nettoenergiegewinns“, dem lang ersehnten Ziel von Fusionsforschern, bei dem mehr als 100 % der in ein Fusionsexperiment gesteckten Energie als Kernenergie herauskommt, verlockend nahe. Das Ziel dieser Experimente ist – vorerst – nur der Beweis des Prinzips: dass Energie erzeugt werden kann. Das Team hinter dem Erfolg ist diesem Ziel sehr nahe: Sie haben zwischen 2011 und heute eine mehr als 1.000-fache Verbesserung der Energiefreisetzung geschafft. Prof. Jeremy Chittenden, Co-Direktor des Center for Inertial Fusion Studies am Imperial College London, sagte letzten Monat: „Das Tempo der Verbesserung der Energieabgabe war schnell, was darauf hindeutet, dass wir bald weitere Energiemeilensteine erreichen könnten, wie z von den Lasern, mit denen der Prozess in Gang gesetzt wurde.“
Wenn Sie mit Kernfusion nicht vertraut sind, unterscheidet sie sich von ihrem Cousin, der Kernspaltung, die die heutigen Kernkraftwerke antreibt, indem sie große, instabile Atome nimmt und sie spaltet. Fusion nimmt kleine Atome und kombiniert sie, um größere Atome zu schmieden. Es ist die allgegenwärtige Energiequelle des Universums: Es ist es, was die Sonne und die Sterne zum Leuchten bringt, und es ist die Reaktion, die die meisten Atome erzeugt hat, aus denen wir bestehen.
Wissenschaftler sind seit langem von der Fusion begeistert, weil sie kein Kohlendioxid oder langlebigen radioaktiven Abfall produziert, da der benötigte Brennstoff – zwei Arten von Wasserstoff, bekannt als Deuterium und Tritium – reichlich genug ist, um mindestens Tausende von Jahren zu halten. und weil es keine Chance auf eine Kernschmelze gibt. Im Gegensatz zu erneuerbaren Energien wie Wind- und Solarenergie würden Anlagen auf Fusionsbasis zudem wenig Platz beanspruchen, verglichen mit dem Strom, den sie erzeugen könnten.
Der Tokamak des Joint European Torus (Jet) im Culham Science Center – der bald versuchen wird, die bisher größte Menge an Fusionsenergie zu produzieren. Foto: AFP/Getty Images
Da es beim Durchbruch der NIF jedoch nur darum geht, das Prinzip zu demonstrieren, ist die Gesamtmenge der erzeugten Energie nicht sehr beeindruckend; es reicht gerade aus, um einen Wasserkocher zu kochen. Die Gewinnmessung berücksichtigt auch nicht die Energie, die für den Betrieb der Anlage verwendet wird, sondern nur die im Laserpuls enthaltene Energie. Trotzdem ist es dennoch ein Meilenstein in der jahrzehntelangen Suche nach Fusionsenergie und deren Nutzung zur Energieversorgung des Planeten – was vielleicht die größte wissenschaftliche und technologische Herausforderung ist, der sich die Menschheit je gestellt hat.
Obwohl das Experiment möglicherweise in einem Vakuum stattgefunden hat, ist der Fortschritt von NIF nicht der Fall, und das Tempo der Fortschritte bei der Fusion mag einige langjährige Skeptiker überraschen. Selbst Dr. Mark Herrmann, Leiter des Fusionsprogramms des NIF, sagt, die neueste Entwicklung sei „für alle eine Überraschung“. In letzter Zeit wurden viele Fortschritte mit einer anderen Art von Fusionsgerät erzielt, dem Tokamak: einer donutförmigen Maschine, die mithilfe einer Magnetfeldröhre ihren Brennstoff so lange wie möglich einschließt. Chinas experimenteller fortschrittlicher supraleitender Tokamak (Ost) stellte im Mai einen weiteren Weltrekord auf, indem er den Brennstoff 100 Sekunden lang bei einer Temperatur von 120 Millionen Grad Celsius stabil hielt – achtmal heißer als der Kern der Sonne. Die weltweit größte Magnetfusionsanlage, Iter, befindet sich in Südfrankreich im Bau und viele Experten glauben, dass sie die erforderliche Größe haben wird, um einen Nettoenergiegewinn zu erzielen. Der in Großbritannien ansässige Joint European Torus (Jet), der den aktuellen Magnetfusionsrekord für eine Leistung von 67 % hält, ist dabei, zu versuchen, die größte Gesamtenergiemenge aller Fusionsmaschinen in der Geschichte zu produzieren. Auch alternative Konstruktionen werden erforscht: Die britische Regierung hat Pläne für einen fortschrittlichen Tokamak mit innovativer Kugelgeometrie angekündigt, und „Stellaratoren“, eine Art Fusionsgerät, die in die Geschichtsbücher eingegangen waren, genießen ein Revival, das ermöglicht wurde durch neue Technologien wie supraleitende Magnete.
Derzeit liefern öffentlich finanzierte Labore Ergebnisse, die den privaten Unternehmen weit voraus sind – aber das könnte sich ändern
Das ist ein großer Fortschritt, aber nicht einmal die größte Veränderung: Das wäre das Aufkommen von Fusionsfirmen des Privatsektors. Die kürzlich gegründete Fusion Industry Association schätzt, dass mehr als 2 Milliarden US-Dollar an Investitionen in Fusions-Startups geflossen sind. Der Bau von Versuchsreaktoren durch diese Firmen schreitet phänomenal voran: Commonwealth Fusion Systems, das seinen Ursprung in der MIT-Forschung hat, hat mit dem Bau eines Demonstrationsreaktors in Massachusetts begonnen; TAE Technologies hat gerade 280 Millionen US-Dollar gesammelt, um sein nächstes Gerät zu bauen; und das in Kanada ansässige Unternehmen General Fusion hat sich dafür entschieden, sein neues 400-Millionen-Dollar-Werk in Großbritannien zu errichten. Dies wird in Oxfordshire gebaut, einem aufstrebenden Hotspot für die Branche, in dem die privaten Unternehmen First Light Fusion und Tokamak Energy sowie die öffentlich finanzierten Jet- und Mast-Upgrade-Geräte (Mega Amp Spherical Tokamak) der britischen Atomenergiebehörde ansässig sind.
Einige der Investoren dieser Firmen haben tiefe Taschen: Jeff Bezos, Peter Thiel, Lockheed Martin, Goldman Sachs, Legal & General und Chevron haben alle Unternehmen finanziert, die diese neue Kernenergiequelle verfolgen. Im Moment liefern öffentlich finanzierte Labore Ergebnisse, die den privaten Unternehmen weit voraus sind – aber das könnte sich ändern.
Bei solchen Fortschritten, Zinsen und Investitionen – und einem Nettoenergiegewinn vielleicht nur noch ein oder zwei weitere Verbesserungen entfernt – ist es vielleicht an der Zeit, den alten Witz, der so klischeehaft ist, dass er von den Redakteuren des Economist verboten wurde, dass „die Fusion 30 Jahre entfernt ist“, in den Ruhestand zu versetzen … und wird es immer sein“.
Die britische Junior-Wissenschaftsministerin Amanda Solloway und Nick Hawker, CEO von First Light Fusion, inspizieren das 1,1 Mio. Foto: Matt Alexander/PA
Aber es hängt davon ab, was wir in diesem Zusammenhang mit „Fusion“ meinen; Die Wissenschaftler und ihre Unterstützer konzentrieren sich nun auf das übergeordnete Ziel der Fusion als praktikable Energiequelle wie Kernspaltung, Sonne oder Wind. Dies erfordert weit mehr als nur einen „Break-Even“ an Energie: Ein funktionierendes Fusionskraftwerk würde wahrscheinlich mindestens das 30-fache an Energie für die eingesetzte Energie benötigen. Die Steigerung des Energiegewinns ist jedoch nur eine Schwierigkeit, um die Fusion zu einer praktikablen Energie zu machen Quelle. Ein kommerzieller Reaktor muss mehrere knifflige technische Probleme lösen, wie die Gewinnung der Wärmeenergie und die Suche nach Materialien, die dem unerbittlichen Bombardement der Reaktorkammer während ihrer Lebensdauer standhalten. Fusionsreaktoren müssen zudem autark sein mit Tritium, einer der beiden Wasserstoffarten, die als Brennstoff eingespeist werden. Dazu ist es notwendig, den Reaktorraum mit Lithium zu umgeben, da seine Atome beim Auftreffen der energiereichsten Fusionsprodukte in Tritium umgewandelt werden – und dieser Prozess muss noch im Maßstab demonstriert werden.
Diejenigen, die eine Fusion anstreben, kennen die Hindernisse seit langem, aber – mit begrenzten Ressourcen – hat das Erreichen des unmittelbaren Ziels des Gewinns eine größere Priorität. Das beginnt sich zu ändern, da Fusionswissenschaftler und -ingenieure über den wissenschaftlichen Beweis des Prinzips hinausblicken. Auf der ganzen Welt widmen sich mehrere kürzlich eröffnete Einrichtungen der Lösung dieser Probleme, und obwohl sie nicht trivial sind, sind sich alle in der Fusion sicher, dass die Hindernisse überwunden werden können: Fortschritt hängt von Investitionen und Willen ab.
Um Beispiele dafür zu finden, wie diese beiden Faktoren transformativ sein können, suchen Sie nicht weiter als die Pandemie. Ein plötzlicher Investitions- und Motivationsschub verwandelte den Einsatz von mRNA zur Bekämpfung von Krankheiten von einer wilden Idee in eine akzeptierte Technologie in Form der Pfizer- und Moderna-Impfstoffe. Katalin Karikó, deren Grundlagenarbeit zur mRNA der Schlüssel zum Erfolg der Technologie war, hatte den Willen, viele Jahre mit wenig Anerkennung und noch weniger Geld durchzuhalten. Ihr Engagement und das ihrer Kollegen, kombiniert mit massiven Investitionen in Entwicklung, Tests und Einsatz, haben die Impfstoffe in Rekordzeit fertig gestellt. Die Welt wollte das und wir haben es möglich gemacht.
Die globale Erwärmung hat die Notwendigkeit, kohlenstofffreie Fusionsenergie in eine nutzbare Energiequelle zu verwandeln, immer dringender gemacht. Die Reaktion der Welt war bisher träge: Es ist 2021 und mehr als 80 % des weltweiten Primärenergieverbrauchs stammen immer noch aus Kohle, Öl und Gas. Der Verbrauch fossiler Brennstoffe ist zwischen 2009 und 2019 tatsächlich gestiegen (obwohl er im Jahr 2020 zurückgegangen ist, als der größte Teil der Welt gesperrt wurde, um die Ausbreitung von Covid-19 zu verhindern). Obwohl die Fortschritte bisher nur langsam waren, haben sich die meisten Nationen verpflichtet, bis 2050 Netto-Null-Kohlenstoffemissionen zu erreichen. Dr. Ajay Gambhir, ein leitender Politikwissenschaftler am Grantham Institute for Climate Change, Imperial College London, sagt, dass der größte Teil der Stromerzeugung erfolgen muss bereits 2030 aus CO-nahen Quellen stammen, um dies zu erreichen. Dr. Michael Bluck, ebenfalls vom Grantham Institute, äußert ernsthafte Zweifel, dass die kommerzielle Fusionsenergie rechtzeitig fertig sein wird [conventional tokamaks] bis nach 2050 passiert“ und dass die Laserfusion „noch weitere 50 Jahre dauert, wenn überhaupt“.
Bau des magnetischen Tokamaks des Internationalen Thermonuklearen Versuchsreaktors (Iter) im Südosten Frankreichs. Das Projekt ist eine Kooperation zwischen 35 Ländern. Foto: Clement Mahoudeau/AFP/Getty Images
Diejenigen, die in der Fusion arbeiten, erkennen, dass Zeit von entscheidender Bedeutung ist und ein Teil der Motivation für die jüngste Beschleunigung ist. Die Vision der Startups sieht notwendigerweise vor, dass Fusionsenergie in einer beispiellosen Geschwindigkeit eingesetzt wird. „Wenn wir bis 2050 zum Netto-Null beitragen wollen, müssen wir in den 2040er Jahren mehrere Anlagen bauen“, sagt Nick Hawker, CEO von First Light Fusion. Und wer sagt, dass die Fusionsfirmen das mit dem richtigen Rückenwind nicht schaffen? Wir hätten nie geglaubt, dass ein Impfstoff, geschweige denn der erste mRNA-Impfstoff, innerhalb eines Jahres statt über Jahrzehnte entwickelt und zugelassen werden könnte.
Das Ausmaß der Klimaherausforderung ist so immens, dass wir die Küchenspüle darauf werfen müssen. Das bedeutet, erneuerbare Energien, Kernspaltung, Energiespeicherung, Kohlenstoffabscheidung und jede andere Lebensader, die die Menschheit ergreifen kann. Wenn die Welt nicht den Willen hat, zumindest zu versuchen, auch Fusionsenergie einzusetzen, wäre das eine verpasste Chance. Die Fusion könnte den Menschen in den Entwicklungsländern die gleichen Möglichkeiten beim Energieverbrauch bieten wie die Menschen in den Industrienationen heute – und nicht die sonst erforderlichen globalen Einsparungen. Und wahrscheinlich brauchen wir die Fusion auch weit über 2050 hinaus: als großtechnische Energiequelle, um das Kohlendioxid, das wir bereits in die Atmosphäre eingebracht haben, zu extrahieren, und weil es die einzig gangbare Möglichkeit ist, den Weltraum außerhalb der unmittelbaren Umgebung der Erde zu erkunden .
Ob kommerzielle Fusionsenergie rechtzeitig bereit ist, um bei der globalen Erwärmung zu helfen oder nicht, hängt von uns als Gesellschaft ab und wie sehr wir Starpower an unserer Seite wollen – nein brauchen –.
Arthur Turrell ist der Autor von The Star Builders: Nuclear Fusion and the Race to Power the Planet, herausgegeben von Weidenfeld & Nicolson (£20). Um den Guardian und Observer zu unterstützen, bestellen Sie Ihr Exemplar auf guardianbookshop.com. Es können Versandkosten anfallen
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