Eine Anekdote ist bekannt: Die Kernfusion wird in zwanzig Jahren stattfinden. Wird immer in zwanzig Jahren sein. Dieser Witz, der jetzt nicht mehr lustig ist, entstand aus dem Optimismus von Wissenschaftlern, die in den 1950er Jahren (und in jedem folgenden Jahrzehnt) glaubten, dass die Kernfusion nur noch 20 Jahre entfernt sei. Jetzt wurde diese Anekdote von einem Startup des MIT (Massachusetts Institute of Technology), einer hoch angesehenen und bekannten Institution, ernst genommen: Commonwealth Fusion Technologies. Das Startup verspricht, in 15 Jahren einen funktionierenden Kernfusionsreaktor in Betrieb zu nehmen. Verspricht billige, saubere und unbegrenzte Energie, die alle Krisen mit fossilen Brennstoffen und dem Klimawandel löst. Sie sagen also: "Eine potenziell unerschöpfliche und kohlenstofffreie Energiequelle."
Einziges Problem: Wir haben das schon oft gehört. Was ist diesmal anders?
Ein weiteres berühmtes Klischee betrifft die Energie der Fusion. Die Idee ist einfach: Sie stecken die Sonne in eine Flasche. Alles was bleibt ist, eine Flasche zu bauen. Die Fusionsenergie treibt die Sterne an, erfordert jedoch unglaublich heiße und dichte Bedingungen, damit das Plasma funktioniert.
Eine enorme Energiemenge kann freigesetzt werden, wenn zwei Lichtkerne miteinander verschmelzen: Die Deuterium-Tritium-Fusion, die im ITER-Experiment durchgeführt wird, emittiert 17,6 MeV pro Reaktion, eine Million Mal mehr Energie pro Molekül als durch die Explosion von TNT. Um diese Energie freizusetzen, müssen Sie jedoch die starke elektrostatische Abstoßung zwischen den Kernen überwinden, die beide positiv geladen sind. Die starke Wechselwirkung auf kurze Distanz führt zu einer Fusion, die all diese Energie freisetzt, aber die Kerne müssen sehr nahe gebracht werden - auf Femtometern. In Sternen geschieht dies von selbst aufgrund des kolossalen Gravitationsdrucks auf das Material, aber auf der Erde ist dies schwieriger.
Zuerst müssen Sie versuchen, Materialien zu finden, die überleben, wenn sie Temperaturen von Hunderten von Millionen Grad Celsius ausgesetzt werden.
Plasma besteht aus geladenen Teilchen; Materie und Elektronen werden weggespült. Es kann durch ein Magnetfeld an Ort und Stelle gehalten werden, das das Plasma zu einem Kreis faltet. Manipulationen mit dem Magnetfeld ermöglichen es auch, dieses Plasma zu komprimieren. In den 1950er und 1960er Jahren erschien eine ganze Generation von Geräten mit exotischen Namen: Stellarator, Maybeatron, Z-Pinch, die dafür entwickelt wurden. Aber das Plasma, das sie zu halten versuchten, war instabil. Plasma selbst erzeugt elektromagnetische Felder, es kann durch eine sehr komplexe Theorie der Magnetohydrodynamik beschrieben werden. Geringe Abweichungen oder Defekte auf der Plasmaoberfläche gerieten schnell außer Kontrolle. Kurz gesagt, die Geräte funktionierten nicht wie vorgesehen.
Die Sowjetunion entwickelte ein Tokamak-Gerät, das eine erheblich verbesserte Leistung bietet. Gleichzeitig wurde ein Laser erfunden, der eine neue Art der Synthese ermöglicht - die Synthese mit Trägheitsbegrenzung.
In diesem Fall ist es nicht mehr erforderlich, das Plasma in Magnetfeldern brennen zu lassen, sondern es muss durch eine Explosion mit Lasern in kurzer Zeit komprimiert werden. Experimente mit Trägheitsbeschränkung litten aber auch unter Instabilitäten. Sie laufen seit den 1970er Jahren und werden vielleicht eines Tages ihren Weg finden, aber das bisher größte, das National Ignition Laboratory in Livermore, Kalifornien, hat nie einen Break-Even-Punkt erreicht, an dem mehr Energie produziert als verbraucht wird.
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Ein großer Teil der Hoffnung liegt bei ITER, dem weltweit größten Fusions-Tokamak mit magnetischem Einschluss, der sich noch im Bau befindet.
Die Projektentwickler hoffen, das Plasma innerhalb von 20 Minuten zu entzünden, um 500 MW Leistung bei einer Nennleistung von 50 MW zu erzeugen. Für 2035 sind vollständige Fusionsexperimente geplant, aber Probleme mit der internationalen Zusammenarbeit zwischen den USA, der UdSSR (damals noch), Japan und Europa führten zu langen Verzögerungen und Budgetausdehnungen. Das Projekt ist 12 Jahre zu spät und kostet 13 Milliarden US-Dollar. Dies ist nicht ungewöhnlich für Projekte, bei denen große Installationen erstellt werden müssen.
Nach dem ITER-Plan soll der erste thermonukleare Fusionsreaktor, der als Kraftwerk betrieben wird und die Fusion zündet und unterstützt, DEMO, 2040 oder sogar 2050 in Betrieb gehen. Mit anderen Worten, die Kernfusion … wird in zwanzig Jahren sein. Es besteht die Tendenz, Probleme mit Instabilitäten durch den Bau von immer mehr Einrichtungen zu lösen. ITER wird größer als JET sein und DEMO wird größer als ITER sein.
Im Laufe der Jahre haben viele Teams die internationale Zusammenarbeit mit kleineren Designs in Frage gestellt. Die Frage ist nicht Geschwindigkeit, sondern Praktikabilität. Wenn der Bau eines Fusionsreaktors wirklich Milliarden von Dollar und zehn Jahre dauert, lohnt es sich dann überhaupt? Wer bezahlt den Bau? Vielleicht wird uns die Kombination von Sonnenkollektoren und neuen Batterien zum Zeitpunkt des Baus eines funktionierenden Tokamaks Energie liefern, die billiger ist als die des Tokamaks. Einige Projekte - sogar die berüchtigte "kalte Fusion" - erwiesen sich als falsch oder funktionierten nicht.
Andere verdienen mehr Aufmerksamkeit. Startups mit neuen Fusionsreaktordesigns - oder in einigen Fällen überarbeiteten Versionen älterer Versuche.
Tri Alpha erwartet, Plasmawolken in einer Struktur zu kollidieren, die an den Large Hadron Collider erinnert, und das Fusionsplasma dann lange genug in einem Magnetfeld zu halten, um die Gewinnschwelle zu erreichen und Strom zu erzeugen. Es gelang ihnen, innerhalb weniger Millisekunden die erforderlichen Temperaturen und den erforderlichen Plasmaeinschluss zu erreichen, und sie beschafften Risikokapital in Höhe von mehr als 500 Millionen US-Dollar.
Die Lockheed Martin Skunk Works, bekannt für ihre geheimen Projekte, sorgten 2013 für Furore, als sie bekannt gaben, dass sie an einem kompakten 100-MW-Fusionsreaktor von der Größe eines Strahltriebwerks arbeiten. Zu diesem Zeitpunkt gaben sie an, dass der Prototyp in fünf Jahren fertig sein würde. Natürlich haben sie keine Designdetails veröffentlicht. Im Jahr 2016 wurde bestätigt, dass das Projekt finanziert wird, aber viele haben bereits das Vertrauen verloren und Skepsis gewonnen.
Und vor dem Hintergrund all dieser Schande stürmten MIT-Wissenschaftler in den Ring. Bob Mumgaard, CEO von Commonwealth Fusion Energy, sagte: „Wir sind bestrebt, rechtzeitig einen Arbeitsplatz zur Bekämpfung des Klimawandels zu finden. Wir glauben, dass die Wissenschaft, Geschwindigkeit und Skalierung des Projekts fünfzehn Jahre dauern wird."
Das neue Projekt des MIT orientiert sich wie in der Vergangenheit am Design des Tokamaks. Das SPARC-Gerät soll 100 MW Energie in 10-Sekunden-Begrenzungsimpulsen erzeugen. Es war bereits früher möglich, Energie aus Impulsen zu gewinnen, aber der Break-Even-Punkt zieht Wissenschaftler wirklich an.
Eine besondere Sauce sind in diesem Fall die neuen supraleitenden Hochtemperaturmagnete aus Yttrium-Barium-Kupferoxid. Wenn man bedenkt, dass HTSM bei der gleichen Temperatur wie herkömmliche Magnete stärkere Magnetfelder erzeugen kann, kann es möglich sein, Plasma mit einer geringeren Eingangsleistung und einem niedrigeren Magnetgerät zu komprimieren und Synthesebedingungen in einem Gerät zu erreichen, das 65-mal kleiner als ITER ist. Das ist sowieso der Plan. Sie hoffen, in den nächsten drei Jahren supraleitende Magnete herzustellen.
Wissenschaftler sind optimistisch: „Unsere Strategie besteht darin, konservative Physik zu verwenden, die auf jahrzehntelanger Arbeit am MIT und anderswo basiert“, sagte Martin Greenwald, stellvertretender Direktor des Zentrums für Plasmawissenschaft und Fusion am MIT. "Wenn der SPARC die erwartete Leistung erreicht, schreibt mein Instinkt vor, dass er zu einem echten Kraftwerk skaliert werden kann."
Es gibt viele andere Projekte und Startups, die ebenfalls versprechen, alle Arten von Tokamaks und Budgets für die internationale Zusammenarbeit zu umgehen. Es ist schwer zu sagen, ob einer von ihnen den geheimen Bestandteil für die Synthese finden wird oder ob ITER mit seinem Gewicht in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und der Unterstützung der Länder gewinnen wird. Es ist immer noch schwer zu sagen, wann und ob die Fusion die beste Energiequelle wird. Die Synthese ist schwierig. So zeigt die Geschichte.
Ilya Khel
