Wie steht es um die Kernfusion? – Ein Blick hinter die neusten Presseschlagzeilen

BLOG: Beobachtungen der Wissenschaft

Grenzgänge in den heutigen Wissenschaften
Beobachtungen der Wissenschaft

In den letzten Monaten hören wir von der Presse immer wieder Neuigkeiten zu einem Thema, was über Jahrzehnte durch ein langes Schweigen gekennzeichnet war. So hiess es an ein und demselben Tag (26. Januar 2022) in nahezu allen Pressorganen:

  • Brennendes Wasserstoffplasma im größten Laser der Welt stellt Fusionsrekorde auf
  • Meilenstein der Kernfusion erzeugt erstmals «brennendes Plasma»
  • Physiker schaffen selbstbrennendes Plasma – ein Schritt in Richtung nachhaltige Kernfusionsenergie?
  • Wissenschaftler erreichen einen wichtigen Meilenstein bei der Nutzung der Fusionsenergie

Diese haben es weit in die deutschsprachige Presse geschafft:

  • So betitelt der Spiegel seinen Beitrag dazu mit Wissenschaftlern gelingt Plasma-Zündung,
  • In der Zeit heisst es: Wie der Todesstern, nur auf links gedreht, und
  • Die Welt schreibt: Fortschritte auf dem Weg zur Energiequelle der Zukunft.

Die Fortschritte in der Nuklearfusion (anders als die Kernfission, auf der die heutige, umstrittene Kernkraftgewinnung beruht) sind von sehr grosser Bedeutung, denn Kernfusion bietet die Möglichkeit, sichere und (nahezu) klimaneutrale Energie zu gewinnen.

Dabei ist die Geschichte der Kernfusionsforschung bereits über 80 Jahre alt. Seit den 1930er Jahren wissen Physiker, dass unter sehr hohem Druck und hoher Temperatur Wasserstoffkerne zu Helium-Atomkernen verschmelzen – und, dass es dieser Mechanismus (sowie die Fusion grössere Atomkerne) ist, der es der Sonne ermöglicht, ihre enormen Mengen an Energie zu erzeugen. Die bei diesem Prozess freiwerdenden Energiemengen sind weitaus höher als beim bereits seit mehr als 60 Jahren in Kernkraftwerken verwendeten umgekehrten Vorgang, bei dem schwere Atomkerne gespalten werden. Der Grund für den Energiegewinn liegt darin, dass bei der Fusion von leichten Atomkernen ein klein wenig Masse verloren geht. Dieser Massendefekt manifestiert sich direkt in der (kinetischen) Energie der erzeugten Teilchen. Nach Einsteins berühmter Formel E=mc² ist diese Energie selbst bei der geringen Menge an verloren gegangener Masse enorm: Denn diese Masse (m) wird mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit (c²) multipliziert. So ist das damals erarbeitete Grundkonzept der Kernfusion bis heute die gleiche: Ein Deuterium-Tritium-Plasma (Deuterium und Tritium sind Isotope des Wasserstoff, d.h. ein Proton zusammen mit einem bzw. zwei Neutronen) wird in einer Art Mikrowelle auf mehrere Millionen Grad erhitzt und dann mithilfe eines Magnetfelds eingeschlossen und kontrolliert (ein solches Plasma besteht aus geladenen Teilchen und lässt sich daher über Magnetfelder steuern). Ab einer Temperatur von ca. 100 Millionen Grad zündet das Gemisch und setzt die Fusionsenergie frei (wobei die konkrete Zündungstemperatur von der Teilchendichte, d.h. Drucks.  des Plasmas abhängig ist).

In den letzten Schlagzeilen ging es konkret um die Errungenschaft der Wissenschaftler in der National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory in Nordkalifornien. Hier wurde mit einem Hochleistungslaser zum ersten Mal ein «brennendes Plasma» erzeugt, womit sich für einen (sehr) kurzen Moment demonstrieren liess, wie der «Brennstoff», d.h. die Kombination aus Deuterium und Tritium, zur Kernfusion geführt und damit Energie erzeugt werden kann. Die erreichte Energie entsprach nahezu der Energie, die für die Aufrechterhaltung der Nuklearreaktion erforderlich ist. Dies entspricht den Reaktionen im Inneren der Sonne, wobei hier auf der Erde das Problem ist, dass zur Erzeugung dieser Reaktionen zunächst enorm hohe Energiemengen bzw. Dichten erforderlich sind, um den Prozess in Gang zu setzen, der sich dann von selbst erhält (auf Sonnen wird dies ab einer gewissen Grösse durch die enorm hohe Gravitationskraft automatisch bewirkt).

Die Ergebnisse der Experimente, die im November 2020 und Februar und dann im August  2021 durch NIF durchgeführt und nun kommuniziert wurden, beschreiben wichtige Schritte in Richtung dieses Ziels durch hochenergetische Laser, die auf kleinstem Raum die erforderlichen Energien erzeugen, damit diese Reaktion darin stattfinden kann. Doch dies ist nur eine von zahlreichen möglichen Methoden. Verschiedene Experimentatoren schlagen unterschiedliche Methoden vor, um die Fusionsreaktion bei hohen Temperaturen bzw. Drücken potentiell aufrechtzuerhalten. Die NIF ist auf einen Ansatz namens «Trägheitseinschluss» spezialisiert, wo hohe Temperaturen (auf sehr kleinen Räumen) erzeugt werden, indem ein winziges Wasserstoffkügelchen im Zentrum mit 192 Hochleistungslasern beschossen wird. Konkret soll dies durch eine sorgfältige Formgebung erreicht werden:  Zum einen für der Brennstoffkapsel – einer winzigen kugelförmigen Hülle aus Polycarbonat-Diamant, die das Pellet mit noch geringerer Volumen enthält – zum Anderen des «Hohlraums», in dem sich das Pellet (deren Volumen so gering sind, dass viele hohlraumartige Bedingungen übrigbleiben) befindet – ein kleiner Zylinder aus abgereichertem, also nicht sehr radioaktivem Uran, der mit Gold ausgekleidet ist. Damit soll innerhalb von 10 Milliardstel Sekunden der Brennstoff auf einen minimalen Bruchteil seines Volumens verringert werden, womit sein Kern eine Temperatur von 50 Millionen Grad Celsius erreicht, unter den entsprechend hohen Druckverhältnissen ausreichend für die Kernfusion. Die Laser verbrauchen allerdings ihrerseits enorme Mengen an Energie und können bisher nur ein- bis zweimal am Tag gezündet werden. Es ist also noch ein langer Weg zur praktischen Realisierung dieses Verfahrens. Doch da beim Experiment im August für sehr kurze Zeit fast so viel Energie aus dem Brennstoffpellet gewonnen wie hineingesteckt wurde, erwarten die Forscher nun, dass künftige Experimente schon bald leistungsfähiger sein werden (wenn auch immer noch für sehr kurze Zeit). Dennoch: Von den meisten Nuklearphysikern wird das Laserverfahren durch die kurze Zeitdauer des Vorgangs kaum als ein Weg zu kommerziellen Reaktoren gesehen. Und man sollte nicht vergessen: Das Hauptaugenmerk der NIF liege nicht auf der Erzeugung sauberer Energie, sondern auf den militärischen Interessen (der «nationalen Sicherheit») der USA.

Nur wenige Monate zuvor gab es im Übrigen bereits eine ähnliche Welle an Zeitungsartikeln zur Kernfusion. Auslöser war hier das Bostoner Unternehmen Commonwealth Fusion Systems (CFS), eine Ausgründung des MIT, das mehr als eine Milliarde Dollar von Investoren wie Bill Gates und George Soros erhalten hat, wie es kommunizierte. Die Funktionsweise dieser Kernfusion ist eine ganz andere als die des NIFs: Hier handelt es sich eher um einen traditionellen Fusionsansatz, indem man einen Donut-förmigen «Tokamak»-Reaktor baut, eine «große magnetische Flasche», wie der CEO von CFS Bob Mumgaard sagt, in der starke Magnetfelder Kugeln in ca. 100 Millionen Grad heissem Plasma des Wasserstoffs kontrollieren, was die gleiche Fusion von Wasserstoffisotop-Kerne hervorbringen soll wie im lasergetriebenen Reaktor. Mumgaard sagte, dass sie in sechs Jahren einen funktionierenden Reaktor haben werden. Sein Optimismus beruhte auf dem erfolgreichen Sommertest 2021 von CFS mit neuen Elektromagneten, die mit Supraleitern aus Barium-Kupfer-Oxid hergestellt wurden.

Es wird jedoch ziemlich sicher Platz für mehr als einen Fusionsgewinner geben. Zu den anderen Unternehmen gehört das in Kanada ansässige und von Jeff Bezos unterstützte Unternehmen General Fusion, das von Investoren 2021 130 Millionen Dollar erhielt. Und dann ist da noch TAE Energy aus Kalifornien, das wohl am weitesten mit der kommerziell erfolgreichen Kernfusion ist und bereits in den in den letzten zwanzig Jahren mit Kosten von einer Milliarde Dollar experimentiert hat und nun mit dem erfolgreichen Aufbringen weiteren Geldes innerhalb der nächsten drei Jahre den ersten dauerhaft funktionsfähigen Kernfusionsreaktor bauen will. Diesen bezeichnen sie schon heute als «Kopernikus». Dieser soll zunächst auch mit Wasserstoffisotopen betrieben werden und bereit um das Jahr 2025 einen Nettoenergiegewinn erzielen. Dann wollen die Wissenschaftler in der Firma aufgrund dessen noch besseren Umwelt- und Kostenprofils jedoch auf den Brennstoff p-11B (Proton-Bor 11) umsteigen, denn diese Reaktion besitzt den Vorteil, dass sie «aneutronisch» ist, d.h. sie erzeugt nicht die schwer zu kontrollierenden hochenergetischen Neutronen, die den grossen Teil der durch die Fusion erzeugten Energie tragen. Ausserdem benötigt es nicht das schwer zu erhaltene schwere Wasserstoffisotop Tritium. Der Baubeginn von Kopernikus, einem Reaktor, der eine interessante Kombination aus einem Teilchenbeschleuniger und einem gewöhnlichen Plasmabehälter darstellt, plant TAE für 2022. Die ultrahohe Temperatur im Plasma wird erreicht, indem man Strahlen von Brennstoffteilchen beschleunigt und sie mit Plasmateilchen kollidieren lässt, was Teilchenphysiker seit Jahrzehnten tun. Die typischen magnetisch eingeschlossenen Plasmadonuts werden dabei durch eine langgestreckte Plasmaröhre in Form einer hohlen Zigarre ersetzt. Um die Stabilität zu verbessern, wird diese Röhre so um sich selbst gedreht, dass sie durch den gyroskopischen Effekt wesentlich stabiler wird. Theoretisch lässt sich mit diesem Ansatz auf viel höhere Temperaturen als die magischen 100 Mio. Grad kommen. TAE hat Belege dafür gefunden, dass die induzierte Stabilität und Ruhe im Plasma tatsächlich mit höherer Temperatur zunimmt! Es ist genau die Hypothese, dass diese vorteilhafte Skalierungseigenschaft bis zu 3 Milliarden Grad erhalten bleibt, auf der TAEs Ansatz beruht. Hier werden wir sehr wahrscheinlich in der nahen Zukunft einiges mehr erfahren.

Die Tatsache, dass nun Investoren mehrere Milliarden Dollar privates Kapital für die nächste Finanzierungsrunde für die Entwicklung von Maschinen zur Kernfusionsenergie anzulegen bereit sind (mir einer entsprechend hohen Renditeerwartung), zeigt, dass sie sich unterdessen  eine kommerziell nutzbare Kernfusion in fünf oder nur wenig mehr Jahren versprechen. Sonst würden sie wohl kaum so viel Geld dort einfliessen lassen. Kommerziell verfügbare Fusionstechnologie, stände sie uns eines Tages – und vielleicht schon bald – tatsächlich zur Verfügung, würde einen gesellschaftlichen Paradigmenwechsel bedeuten. Wären wir tatsächlich in der Lage, Energie wie die Sonne zu produzieren und uns damit Zugang zur effizientesten, sichersten und umweltfreundlichsten Energieform zu verschaffen, die die Natur zu bieten hat, so wäre dies sicher nicht nur ein weiterer grosser technologischer Fortschritt, sondern vielmehr ein zivilisatorischer Sprung, der gleichzusetzen wäre mit der Erfindung der Dampfmaschine, die uns vor 250 Jahren die Energie gab, unsere Gesellschaft komplett umzukrempeln.

Veröffentlicht von

www.larsjaeger.ch

Jahrgang 1969 habe ich in den 1990er Jahren Physik und Philosophie an der Universität Bonn und der École Polytechnique in Paris studiert, bevor ich am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden im Bereich theoretischer Physik promoviert und dort auch im Rahmen von Post-Doc-Studien weiter auf dem Gebiet der nichtlinearen Dynamik geforscht habe. Vorher hatte ich auch auf dem Gebiet der Quantenfeldtheorien und Teilchenphysik gearbeitet. Unterdessen lebe ich seit nahezu 20 Jahren in der Schweiz. Seit zahlreichen Jahren beschäftigte ich mich mit Grenzfragen der modernen (sowie historischen) Wissenschaften. In meinen Büchern, Blogs und Artikeln konzentriere ich mich auf die Themen Naturwissenschaft, Philosophie und Spiritualität, insbesondere auf die Geschichte der Naturwissenschaft, ihrem Verhältnis zu spirituellen Traditionen und ihrem Einfluss auf die moderne Gesellschaft. In der Vergangenheit habe ich zudem zu Investment-Themen (Alternative Investments) geschrieben. Meine beiden Bücher „Naturwissenschaft: Eine Biographie“ und „Wissenschaft und Spiritualität“ erschienen im Springer Spektrum Verlag 2015 und 2016. Meinen Blog führe ich seit 2014 auch unter www.larsjaeger.ch.

25 Kommentare

  1. “… in fünf oder nur wenig mehr Jahren …”

    Nehmen wir also cum grano etc. 8 Jahre, dann wären wir im Jahre des/der Herrn/Herrin 2030.

    Die Chancen stehen für mich persönlich nicht völlig schlecht, dass ich dieses Jahr noch erleben werde. Mein persönlicher Tipp für das Jahr 2030 wäre, dass dann einige Publizisten wiederum von “fünf oder nur wenig mehr Jahren” fabulieren werden. 😉

    (eine kleine Nebenanmerkung zu den “Investoren”, die als Beleg für irgendwas herhalten müssen: im gegenwärtigen Wirtschaftssystem akkumulieren sich ungeheure Geldmengen bei durchaus Wenigen, die überdies schon so lange so dermaßen satt an verfügbarer Geldmenge sind, dass sie die ganze permanente Geldflut einfach nicht mehr anders beherrschen können als möglichst viel von dem Zeug irgendwo hinein zu stecken und möglichst NICHTS wieder rauszubekommen – Renommee ist hier dann eine willkommenere Scheidemünze; auch andere “Investitionsarten” haben nicht den Zweck eines wie auch immer gearteten ROI und insgesamt ist ohnehin viel zu viel Kapital ohne wirkliche Anlagemöglichkeit im Umlauf)

  2. Das Versprechen der Fusionsenergie: Aus fast nichts fast alles erzeugen
    Fusioniert/Verschmilzt man die beiden Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zu Helium (Deuterium+Tritium => Helium + 1 Neutron + freigesetzte_Energie) , so wird viele Millionen mal mehr Energie freigesetzt als wenn etwa Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser verbrennt (wie im Brennstoffzellenauto). Konkret bedeutet das folgendes: Um den Strombedarf eines Europäers für 80 Jahre mittels nuklearer Fusion zu decken, genügt das Deuterium, das sich in einer Badewanne voller Wasser befindet. Das zugehörige Tritium kann man aus einer Lithiummenge (durch Bestrahlung) herstellen, die sich in zwei Smartphone-Batterien befindet. Um die gleiche Energiemenge durch Verbrennen von Wasserstoff herzustellen bräuchte es dagegen mehrere hundert Tonnen Wasserstoff, denn ein Europäer verbraucht viel Energie in seinem 80-jährigen Leben.

    Mit Fusionsenergie könnte man den Strombedarf von Deutschland pro Jahr mit dem Deuterium abdecken, das sich in 200‘000 Tonnen Wasser befindet. Das entspricht etwa der Menge des Regens über der Stadt München in 50 Tagen. Also Nichts. Dieses Nichts von 200’000 Tonnen Wasser würde aber genügen um ganz Deutschland ein Jahr lang mit Strom zu versorgen. Bei der Fusionsenergie handelt es sich ganz offensichtlich um eine unerschöpfliche Energiequelle. Kein Wunder allerdings, wenn man bedenkt, dass die Fusionsenergie ja auch die Sonne antreibt und wenn man weiter bedenkt, dass die Sonne viele Billionen mal mehr Energie in den Raum abstrahlt als schliesslich die Erde erreicht (denn die Erde ist von der Sonne aus gesehen nur ein kleiner Punkt). Alle Raumtemperatur-Chemie und alles mögliche Leben in diesem Universum verdanken wir der Fusionsenergie. Denn ohne Fusionsenergie wäre es bitter kalt in dieser Welt.

    Wie man Fusionsenergie auf der Erde erzeugt
    In der Sonne fusioniert Wasserstoff zu Helium bei Temperaturen von 15.6 Millionen Grad und einem Druck von 200 Milliarden Bar. Um auf der Erde Kernfusion zu ermöglichen brauchen wir Temperaturen von über 100 Millionen Grad, weil wir hier niemals einen Druck von 200 Milliarden Bar erzeugen können.

    Es gibt zwei dominierende Typen von Fusionsmaschinen hier auf der Erde:
    Der erste Typ erzeugt über Minuten bis Stunden ein Plasma, also ein ultraheisses, Gas, bestehend aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Helium und schliesst dieses stromleitende, hunderte von Kubikmetern grosse Plasma in einem Magnetfeld ein, denn dieses mehr als 100 Millionen Grad heisse Plasma darf die Gefässwände nicht erreichen.
    Der zweite Typ erzeugt das Fusionsplasma in einem explosionsartigen ultrakurzen Zeitraum/Puls innerhalb eines sehr kleinen Brennstoffkügelchens, welches von der einsetzenden, sich selbst verstärkenden Fusionsreaktion vollständig „verbrannt“ wird. Das wird dann im Sekundenrhythmus wiederholt.

    Den ersten Typ der Fusionstechnologie, der Typ also, der mit eingeschlossenem ultraheissem Gas arbeitet, den nennt man Fusion mittels magnetischen Einschlusses. Tokamak und Stellarator sind die beiden Geräte, die das ermöglichen.
    Ein Tokamak ist ein grosser von starken Magnetfeldern durchflossener Donut 🍩, der im „heissen“ Zustand ein superheisses Gas aus Wasserstoffisotopen enthält. Ein grosser Teil des Magnetfeldes des Tokomaks wird durch einen starken elektrischen Strom im Plasma, im eingeschlossenen superheissen Gas also, erzeugt. Ein Stellarator funktioniert ganz ähnlich wie ein Tokamak, nur dass kein elektrischer Strom im Plasma fliesst. Statt dessen benötigt der Stellarator ein viel komplizierteres äusseres Magnetfeld als ein Tokamak. Dafür ist der Stellarator über Stunden hinweg stabil während der Tokamak schon nach Minuten instabil wird. Dennoch ist der Tokamak die vielversprechendste Technologie (auch weil einfacher zu bauen). ITER ist der grösste geplante Tokamak. Er soll noch vor 2050 erste Forschungsresultate vorweisen können. ITER ist ein riesengrosses Ungetüm. Das liegt vor allem daran, dass ITER im Innern des Torus nur Magnetfelder der Stärke 5.3 Tesla erzeugen kann. Die Einschlusskraft wächst aber mit der dritten Potenz der Feldstärke. Der geplante Tokamak der Firma Commonwealth Fusion Systems [CFS] (einer Ausgründung des MIT) erzeugt dagegen ein 20 Tesla starkes Magnetfeld aussen und ein 12 Tesla starkes innen, was bedeutet, dass der Tokamak von CFS sehr viel kleiner sein kann um das gleiche zu erreichen wie ITER. Tatsächlich hat SPARC, der Demo-Hochfeldtokamak von Commonwealth Fusion Systems, ein 40 Mal kleineres Plasmavolumen als ITER, soll damit aber in den anvisierten Leitungen gar nicht so weit hinter ITER liegen. Kürzlich sah ich ein Video mit einem Physiker, der bei ITER arbeitet und der meinte, der Nachfolgereaktor von ITER, also der Reaktor, der Netzenergie erzeugen kann, werde wohl ebenfalls Hochfeldmagnetfelder benutzen.

    Der zweite Typ von Fusionsreaktor, der welcher pulsartig arbeitet hat viele Realisationsmöglichkeiten. Eine davon ist die Laserfusion wie sie in der National Ignition Facility erprobt wird. Doch NIF arbeitet nicht nur mit veralteter Lasertechnologie, sondern auch mit einem veralteten Konzept: bei der NIF-Laserfunktion gibt es nur einen einzigen Laserpuls und der soll das Brennstoffkügelchen sowohl komprimieren als auch die Fusionsreaktion in Gang setzen und den Brennvorgang auslösen. Schon lange weiss man aber, dass ein zweistufiges Verfahren besser wäre. Bei dieser sogenannten Fast Ignition würde ein erster Laser das Brennstoffkügelchen komprimieren und ein zweiter extrem kurzer und extrem intensiver Laserstrahl die Fusion zünden. Leider konnte die National Ignition Facility dieses zweistufige Verfahren nicht implementieren, weil das Verfahren erst nach dem Beginn des NIF-Baues bekannt wurde.

    Neben Tokamak, Stellarator und Laserfusion gibt es noch viele weitere, aber bis jetzt weniger gut erforschte Verfahren wie etwa Verfahren, die ganz speziell aufgebaute, nämlich rauchringförmige Magnetfelder für den Einschluss und die Kompression des Plasmas verwendet werden. Helion und TAE Energy benutzen sie. Sie sind schon weit haben bis jetzt aber noch immer die Hoffnung auf ihrer Seite, nicht aber die Daten, die es etwa für Tokamaks schon gibt. Noch unkonventioneller ist nur noch General Fusion, welches das eingeschlossene Plasma von aussen mit grossen Stempeln zusammenquetschen will um die Fusionsreaktion zu starten.

    Fusionsenergie wird alles ändern
    Gibt es einmal kommerzielle Fusionsenergie können wir beliebig viel Strom in sehr kleinen Anlagen erzeugen und jede Anlage gibt sich mit ein paar Litern Wasser pro Jahr und ein paar Kilogramm Lithium zufrieden und erzeugt Strom für eine kleine Grossstadt. Fusionsgetriebene Raketen könnten uns dann innert ein paar Tagen zum Mars oder der Venus bringen und selbst eine Reise zum nächsten Sonnensystem läge im Budget.

  3. Eine Temperatur von 100 Millionen Kelvin erscheint schwer erreichbar.
    Ein Teilchenbeschleuniger mit nur 8617 Elektronenvolt Teilchenenergie ist sehr einfach zu realisieren.
    Jetzt kommt es nur noch auf die Menge der Teilchen an, die aufeinander treffen können.
    Denn die Teilchen, die daneben gehen, sind verlorene Energie.
    1 eV = 11605 K.
    100000000 K = 8617 eV.

  4. @Artikeltext

    „Dann wollen die Wissenschaftler in der Firma aufgrund dessen noch besseren Umwelt- und Kostenprofils jedoch auf den Brennstoff p-11B (Proton-Bor 11) umsteigen,…“

    Das braucht höhere Temperaturen, aber die sind wohl weniger maßgeblich als wenn die Anlagenteile im Betrieb dann radioaktiv verseucht werden. Das scheint mir einen Riesenaufwand zu verursachen, wenn sich kein Mensch mehr den Anlagenkernen nähern darf. Und Roboter leiden auch unter radioaktiver Strahlung, und bekommen Funktionsstörungen bis sie nicht mehr funktionieren.

    Aus Bor und dem Proton werden dann 3 Heliumkerne, die mit hoher Geschwindigkeit auseinanderfliegen. Das ist dann quasi reine Alphastrahlung, die aber anscheinend durch das einschließende Magnetfeld so abgebremst werden, bis sie nicht mehr als radioaktiv gelten und zu normalem Helium werden.

    Neutronen sind dagegen elektrisch neutral, können also nicht mit den Magnetfeldern kontrolliert werden, und werden dann wohl komplett von den Atomen der umgebenden Anlage eingefangen, wobei dann teilweise radioaktive Isotope entstehen, die eben strahlender Müll werden, der dann in höchstem Maß giftig ist.

    Fragt sich jetzt allerdings, ob die Energie, die man braucht, um das Plasma zu erhitzen und zu kontrollieren, nicht immer noch höher ist, als die Energie, die bei den Kernreaktionen als Wärme frei wird, und dann erstmal wieder in Strom verwandelt werden muss.

    Man muss bedenken, die zugeführt Energie muss als Elektrizität vorliegen, die frei werdende Wärme muss aber erstmal wieder in Strom verwandelt werden, mit entsprechenden Verlusten von ca. 60 %. Das gilt eben auch für die Rückgewinnung der eingesetzten Energie. Das stelle ich mir ganz schön schwierig vor.

    Wenn wir also 100% eingesetzte Energie haben, und dann 100% Fusionsenergie frei wird, dann haben wir am Ende nur 80% Strom produziert – und entsprechend ein Verlustgeschäft von 20% der eingesetzten Energie-

    Wenn wir 100% eingesetzte Energie haben, und dann 200% Fusionsenergie frei wird, dann haben wir am Ende 120% Strom produziert – und entsprechendem einen Gewinn von 20%. Das kann immer noch unwirtschaftlich sein.

    Wenn wir aber 100% eingesetzte Energie haben, und dann 400% Fusionsenergie frei wird, dann haben wir am Ende 200% Strom produziert – und entsprechendem einen Gewinn von 100%. Das könnte sich dann erst lohnen.

    Dieses Verhältnis von 1 : 4 muss man wohl erstmal hinbekommen, bevor hier Geld verdient werden kann.

  5. “Die Tatsache, dass nun Investoren mehrere Milliarden Dollar privates Kapital für die nächste Finanzierungsrunde für die Entwicklung von Maschinen zur Kernfusionsenergie anzulegen bereit sind (mir einer entsprechend hohen Renditeerwartung), zeigt, dass sie sich unterdessen eine kommerziell nutzbare Kernfusion in fünf oder nur wenig mehr Jahren versprechen. Sonst würden sie wohl kaum so viel Geld dort einfliessen lassen.”

    Nein, diese Schlußfolgerung ist falsch. Richtig ist, dass es einige Menschen gibt, die inzwischen so viel Geld angesammelt haben, dass sie es sich leisten können, Geld auch in die abstrusesten Projekte zu stecken. Mit klassischer Renditeerwartung hat das nichts mehr zu tun, sondern nur noch mit dem Streben nach Ruhm und Macht. Und als Antrieb für ihre Raumschiffe läßt sich Kernfusion ja vielleicht in ein paar Jahrhunderten tatsächlich nutzen …

    • Ich stimme Ihnen zu, Herr Stolper – bis auf einen Punkt.

      In, wie Sie es nennen, abstruseste Projekte zu investieren, ist gängige Praxis in der Risikokapitalfinanzierung. Ein Erfolgsprojekt auf dutzende Fehlschläge kann sich rentieren; ein neues Google holt alles wieder rein, was man jemals versemmelt hat. Und vergessen Sie nicht die Technologieabfälle – auch hier kann einiges an Gewinnen entstehen.

      Es ist also durchaus logisch, dort zu investieren (wenn man das Geld langfristig nicht braucht) und sagt tatsächlich sehr wenig über die Realisierungschancen aus.

  6. Die Erwartung in der Fusion, die mehr Energie erzeugen soll, als man hineinsteckt, entspricht grob erstmal einem Prinzip, von dem es immer heisst, das sowas nicht möglich sei: das Perpetuum mobile.

    Den Gedankengang weitergedacht auf große Skalen (Sternensysteme) würde bedeuten, das ein Sternensystem zwar in der Lage sei, diese Kräfte aufzubringen, und dabei enorm viel Energie als Strahlung freizusetzen, aber ein perpetuum mobile nicht existieren kann, würde bedeuten, das ein Sternensystem ein verbrauchender Prozess sei, das irgendwann aufhört Energie freizusetzen und dann aufhört zu existieren, weil Materie … angenommen, Materie sei die Ausgangsenergie…. irgendwann verbraucht sei.

    Wie also soll man jetzt die Vision verstehen, das man einst Energieerzeugung über die Fusion auf der Erde verwirklichen können will, und das mit einem Energieüberschuß in der Rechnung?

    Und auf der Erde besteht eben das Problem, das diese unvorstellbaren Kräfte gar nicht existent sind, die Fusion ermöglichen, und also künstlich erzeugt werden müssen, was der Knackpunkt in der Sache sei, wobei die Rechnung unterm Strch aus dem Prinzip eben immer negativ sein sollte (wenn die Therie über das Perpetuum Mobile korrekt ist).

      • Sie weichen aus. Haben sie nichts zum Prinzip des “perpetuum mobile” zu sagen? Wieso soll es möglich sein, ein solches ausgerechnet auf der Erde ermöglichen zu können, wenn es im ganzen Universum als unmöglich angesehen wird?

      • Warum weichen sie der eigendlichen Problematik aus und lamentieren über banale Nebensachen?

        Wie sehen sie das mit dem perpetuum mobile als Prinzip?

      • Und was würden sie gegen meine Zweifel an der Fusion als physikalisch unmögliches perpetuum mobile erwiedern?

        Phrasendreschen mag ja spaßig sein, aber wozu und “dare you”, wenn Sachlichkeit angestrebt werden will (in einem Wissenschaftsforum).

    • Ich verstehe ihren Vergleich nicht, in der Mitte unseres Sternensystems befindet sich ein wunderbares Beispiel das Fusion möglich ist und funktioniert.

      Die Frage ist eher, ob und wie wir es nachmachen können.

  7. Spannende Übersicht! Die Szene kommt jetzt wirklich in Bewegung. Vielleicht sollte man noch das Start-up Helion Energy erwähnen. Der Ansatz ist außergewöhnlich, weil er kein dauerhaft brennendes Plasma voraussetzt und kaum Neutronen erzeugt. Das Unternehmen hat 500 Millionen US$ aufgetrieben und will bereits in zwei Jahren einen Prototypen präsentieren. Weitere 1,7 Milliarden US$ sind zugesagt, falls das Unternehmen vorher bestimmte Fortschritte einhalten kann.
    Das chinesische Projekt EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) hat es Ende 2021 geschafft, ein 70 Millionen °C heißes Plasma mehr als 1000 Sekunden lang einzuschließen. Allerdings ist es von den Bedingungen, die für eine Zündung der Fusionsreaktion nötig wären, noch weit entfernt. In 10 Jahren kann das aber schon anders aussehen.
    Und in England will die Regierung im nächsten Jahr mit dem Bau eines kommerziellen Fusionskraftwerks beginnen – sagt sie jedenfalls. Es handelt sich dabei um eine britische Eigenentwicklung. Der Reaktor STEP ist vom Tokamak-Typ, soll aber anders der ITER nicht wie ein Ring, sondern wie eine Kugel geformt sein. Dieser Kunstgriff soll den Einschluss des Plasmas vereinfachen.
    Man darf gespannt sein, wer als erster fertig wird. Aber die Chancen sind gut, dass zumindest ein Prototyp in 10 Jahren Energie liefern kann.

  8. Magneto-Inertiale Fusion: Pulsartig, aber mit Magnetfeldern
    Um ein Plasma bei über 100 Millionen Grad zum Fusions-Brennen zu bringen gibt es nicht nur die beiden Ansätze
    1) Einschluss und Aufheizen eines Fusions-Plasmas in einem (ultra-)starken Magnetfeld bis zur einsetzenden Fusion, die dann den heissen Einschluss für Minuten bis Stunden aufrechterhält
    2) Kompression, Erhitzung und Entzündung eines millimetergrossen Brennstoffkügelchens innerhalb Bruchteilen einer Sekunde und Wiederholung dieses Vorgangs alle paar Sekunden

    Nein, es gibt nicht nur diese beiden Extremfälle, wobei der eine mit Magneteinschluss und der andere mit explosionsartiger Energiezufuhr arbeitet. Es gibt noch eine Art Kompromiss, wo starke Magnetfelder das eingeschlossene Plasma immer stärker komprimieren bis dann für kurze Zeit Fusionsbedingungen herrschen, die allerdings schnell wieder zusammenbrechen, so dass auch hier der Vorgang wiederholt werden muss.

    Die von Lars Jaeger erwähnten Firmen General Fusion und TAE Technologies arbeiten mit solch einem pulsartigen Betrieb in dem Magnetfelder jedoch eine wichtige Rolle spielen.
    TAE Technologies, aber auch Helion Energy benutzen speziell konfigurierte Magnetfelder, die das Plasma kurzfristig in einer Art Rauchring einschliessen. Beide Firmen – TAE und Helion – erzeugen zwei rauchringartige Plasmablasen, die aufeinander zu rasen und sich dabei gleichzeitig komprimieren. Im Kollisionspunkt findet dann die Fusion statt. Die Technologie hinter den magnetischen Rauchringen heisst Field Reversed Configuration und ist bereits seit den 1960er Jahren bekannt und vielversprechend, hat jedoch bis jetzt noch nie so gute Fusionsbedingungen geschaffen wie das Tokamaks und Stellaratoren schon taten. Tatsächlich will jetzt Helion Energies gar kein vollständiges Fusionsbrennen erreichen, sondern nur gerade eine Präfusionszustand, der aber genügend Energie freisetzen soll um Strom damit erzeugen zu können.

    Letztlich ist es das Problem des magnetischen Einschlusses, dass der Druck des Gases, welches im Magnetfeld eingeschlossen ist, sehr klein bleibt, so klein gar, dass selbst im gewaltigen Plasmavolumen von ITER (837 Kubikmeter = 9x9x9 Meter) während des Betriebs nur gerade 1 Gramm Deuterium-Tritium Gemisch eingeschlossen bleibt. Viel besser wären weit höhere Dichten des Gases. Mit Field Reversed Configuration, also den rauchringartige Plasmablasen, die TAE und Helion erzeugen, ist eine höhere Plasmadichte und gar eine kurzfristige Kompression möglich, wenn auch bis jetzt trotz umfangreicher Experimente noch nie Fusionsbedingungen erreicht wurden.

    General Fusion will das heisse Plasma ebenfalls komprimieren. Allerdings nicht durch eine spezielle Konfiguration des Magnetfeldes, sondern durch – kaum zu glauben – mechanische Kompression. Dabei wird eine rotierende, flüssige Metallblase (in der das Plasma eingeschlossen ist) mit grossen konzentrisch angeordneten Stempeln komprimiert um den Druck bis zu Fusionsbedingungen zu erhöhen.

    Was sich über TAE, Helion und General Fusion vor allem sagen lässt, ist folgendes: Es könnte funktionieren, es muss aber nicht. Die Geschichte der Fusionsenergie sagt vor allem etwas: Zuerst funktioniert es nicht, später, nach intensiver Weiterentwicklung vielleicht schon.

    Bei Tokamaks weiss man inzwischen, dass sie bei genügender Grösse und genügender Stärke des Magnetfeldes Fusionsbedingungen erreichen können, bei den meisten anderen Ansätzen weiss man das noch nicht.

  9. Ach, wie wäre es beruhigend, wenn die Energie”produktion” über Fusionskraftwerke endlich mal funktionieren würde!
    Man soll zwar niemals “nie” sagen, aber gefühlt seit 50 Jahren heißt es über die Fusionskraftwerke “Demnächst in diesem Theater, vielleicht schon in 5 Jahren”.
    Die Anlagen werden groß und größer, teurer, brauchen enorm viel Energie zum Betrieb – “der Berg kreißt und gebiert eine Maus”, sagt das Sprichwort.
    Noch ist es nicht mal möglich, eine quasi-stationäre, sich energetisch selbst erhaltende Fusion zu erzeugen, geschweige denn, dass wir von gewaltigen, bisher nur erträumten Überschüssen profitieren könnten.
    Und selbst wenn die Fusion endlich mal mit Überschuss abläuft – wie wandeln wir die Strahlung, die aus dem Masseverlust resultiert, in für uns nutzbare Energie um, mit welchem Wirkungsgrad, mit welchem Verfahren, welche (Über-)Lebensdauer haben die Anlagen?
    Darüber wird bemerkenswert wenig visioniert …
    Wir selbst können die von der Sonne erzeugte Fusionsenergie nicht direkt nutzen ( = verspeisen ), wir sind auf die Photosynthese mit ihrem Wirkungsgrad von 0,x% angewiesen, auf dem Umweg vom Gras über die Kuh sind das vielleicht 0,0y%, wer kennt die Zahl?

    • @Karl Meier (Zitat): „ wie wandeln wir die Strahlung, die aus dem Masseverlust resultiert, in für uns nutzbare Energie um, mit welchem Wirkungsgrad„
      Das ist kein Problem, denn Kernfusionskraftwerke unterscheiden sich hier nicht von Kernspaltungskraftwerken: Die Strahlung wird in Wärme umgewandelt und dann mit einem Wirkungsgrad von 30 bis 50% verstromt.

      Tatsache ist: Kernspaltung und Kernfusion liefern millionenfach mehr Energie pro Brennstoffeinheit als chemische Prozesse wie etwa das Verbrennen von Erdgas. Heute verbraucht Deutschland pro Jahr 86 Milliarden Kubikmeter Erdgas (4000 Meter x 4000 Meter x 4000 Meter), mit Kernfusion würde Deutschland pro Jahr nur 200‘000 Tonnen Wasser (58 Meter x 58 Meter x 58 Meter) benötigen.

      Fazit:

      Um alle in Deutschland pro Jahr erzeugte Energie mit Solarpaneln zu erzeugen brauchen sie die Fläche des Saarlandes oder aber 100 Fussballfelder voller Fusionskraftwerke.

    • Hallo Karl Maier.
      Wirkungsgrad von Photosynthese, Erzeugung von Biomasse
      und anschließende Verbrennung: 0,1 bis 2,5 Prozent.
      Wirkungsgrad von Solarzellen: 5 bis 27 Prozent.
      Wirkungsgrad der Elektrolyse von Wasser: 60 bis 85 Prozent.
      Wie man human, ökologisch und effizient Protein herstellen
      kann, und das ganz ohne jede Landwirtschaft:
      Das Proteinmehl Solein wird aus Bodenbakterien im Fermenter
      gezüchtet, mit Kohlendioxid und Stickstoff aus der Luft, sowie
      Wasserstoff aus der Solarenergie, und mit einigen Mineralien.
      Das Verfahren ist jeder Art von Landwirtschaft in jeder
      Hinsicht mindestens um den Faktor 10 überlegen.
      Das kommt daher, dass die Solarzellen der Photosynthese
      von Landpflanzen um mehr als den Faktor 10 überlegen sind.
      https://science.orf.at/stories/3200087/

    • Hallo Karl Maier.
      Wirkungsgrad von Photosynthese, Erzeugung von Biomasse
      und anschließende Verbrennung: 0,1 bis 2,5 Prozent.
      Wirkungsgrad von Solarzellen: 5 bis 27 Prozent.
      Wirkungsgrad der Elektrolyse von Wasser: 60 bis 85 Prozent.
      —–
      Wie man human, ökologisch und effizient Protein herstellen
      kann, und das ganz ohne jede Landwirtschaft:
      Das Proteinmehl Solein wird aus Bodenbakterien im Fermenter
      gezüchtet, mit Kohlendioxid und Stickstoff aus der Luft, sowie
      Wasserstoff aus der Solarenergie, und mit einigen Mineralien.
      Das Verfahren ist jeder Art von Landwirtschaft in jeder
      Hinsicht mindestens um den Faktor 10 überlegen.
      Das kommt daher, dass die Solarzellen der Photosynthese
      von Landpflanzen um mehr als den Faktor 10 überlegen sind.
      https://science.orf.at/stories/3200087/
      https://www.solein.com/

  10. Lars Jaeger schrieb (29. Jan 2022):
    > […] Kernfusion [… von] Deuterium und Tritium […] Die bei diesem Prozess freiwerdenden Energiemengen sind weitaus höher als beim bereits seit mehr als 60 Jahren in Kernkraftwerken verwendeten umgekehrten Vorgang, bei dem schwere Atomkerne gespalten werden.

    Das trifft jedoch nicht auf den Vergleich genau eines DT-Verschmelzungsprozesses (erzeugt 17,6 MeV “Reaktorwärme”) mit genau einem (Neutronen-induzierten) Spaltungsprozess eines U-235-Kerns (erzeugt exemplarisch 202,5 MeV “Reaktorwärme”) zu; vgl.

    https://de.wikipedia.org/wiki/Kernfusion#Mögliche_Einsatzstoffe_und_Reaktionen

    und

    https://en.wikipedia.org/wiki/Uranium-235#Fission_properties

      • Lars Jaeger schrieb (02.02.2022, 10:23 Uhr):
        > […] Uran-235 ist zehn mal so schwer wie Deuterium oder Tritium.

        Seufz! …
        (235 / (2 + 3) = 47. …)

          • Lars Jaeger schrieb (28.02.2022, 10:56 Uhr):
            > Das ist natürlich richtig. Ich war nur bei […]

            Na, schon gut. Danke sehr.

            Um dem Machtkalkül und der verantwortungslosen, oft bis in den Wahn reichenden Vereinfachung ganz bestimmter Herrscher ganz konkret die Stirn bieten zu können, fehlt allerdings noch ein SciLogs-Beitrag

            “Zum Begriff der »Gleichzeitigkeit« bei Comstock, 1910 und bei Einstein, 1916/17 (in Überwindung des Einsteinschen »Synchronismus«-Begriffes von 1905)”

            .

  11. So lange man nicht hören will, was die fünf fundamentalsten Begriffe in der Physik bedeuten, worauf das gesamte Wissen der Menschheit über die materielle (physikalische, stoffliche) basiert, während diese vorliegen, dann ist jedes Gespräch (Diskussion) über Physik ein widerliches und abscheuliches Verbrechen nicht gegen jemanden (mich), der diese vorgelegt hat, sondern ein VERBRECHEN gegen Menschlichkeit und Menschheit.

    Sehr geehrter Herr Jaeger

    Warum sprechen Sie über Physik?
    warum?

    schon am Anfang meiner Anwesenheit hier sagte ich ihnen doch, dass ich als der wichtigste Mensch und der letzte Physik-Lehrer in der Geschichte bin ich bereit und in der Lage alle wesentlichen offenen Fragen der Physik beantworten (bzw. habe geantwortet) und zwar in jeder Hinsicht (bildlich, mathematisch und logisch).

    Haben Sie irgendwelche Fragen? dann stellen Sie sie. Ansonsten schweigen Sie weiter und lesen Sie das, was ich schreibe, denn manche Sätze von mir ( s. meine Mail an Staatsanwaltschaft Ffm.) sind mehr wert als tausende und zehntausende Bücher, Artikel und Abhandlungen, die über das jeweilige Thema geschrieben wurde.

    Z.B. folgende Satz.

    “Longitudinale Polarisation der Spin-Komponente, die nur Spin 1/2 Teilchen (-Feld) aufweisen können, ist die Eigenschaft, die als Masse bezeichnet wird”

    Allein dieser Satz beweist, dass alles, was über W und Z Bosonen bzw. bzw. fast alles, was als Standardmodell geschrieben wurde nur einen mathematischen MÜLLBETRG darstellt und sofort im Papierkorb entsorgt werden MUSS, was mit Sicherheit bald geschieht.

    zum 1000. mal

    Beendet endlich das größte Verbrechen in der Menschheitsgeschichte und berichtet überall davon (meinen weltbewegenden Entdeckungen), damit ein neues Zeitalter beginnt, in dem jeder Schüler mehr über die Struktur und Funktionsweise der Materieteilchen wissen wird als alle großen und kleinen Physiker der Geschichte zusammen.

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