Durchbruch Kernfusion

Was steckt dahinter?

Das US-Energieministerium hat am Dienstag, 13. Dezember 2022 bekannt gegeben, dass es seinen Wissenschaftlern gelungen ist, eine Kernfusionsreaktion zu entwickeln, die mehr Energie erzeugt als verbraucht, ein Meilenstein in der jahrzehntelangen Suche nach einem Weg zur Erzeugung sauberer und abfallfreier Kernenergie. Das Experiment wurde im Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien durchgeführt. Dies ist ein Meilenstein für die Forscher und Mitarbeiter der National Ignition Facility, die ihre Karriere der Verwirklichung der Fusionszündung gewidmet haben, und dieser Meilenstein wird zweifellos weitere Entdeckungen auslösen.

Wissenschaftler, die sich am Lawrence Livermore National Laboratory LLNL in Kalifornien mit Fusionsenergie beschäftigen, gaben bekannt, dass sie einen lang erwarteten Meilenstein erreicht haben, indem sie die Kraft der Sonne in einem Labor reproduzieren konnten. Bei einem in diesem Monat durchgeführten Experiment sei mehr Energie aus der Fusion gewonnen worden als die Laserenergie benötigt, mit der sie betrieben wird. Sie erzielten zum ersten Mal in der Geschichte einen "Nettoenergiegewinn". Diese Zündung ermöglicht es, bestimmte Bedingungen zu reproduzieren, die nur in den Sternen und in der Sonne zu finden sind. An dem Tag, an dem man mehr Energie herausbekommt, als man hineinsteckt, ist der Himmel die Grenze. Auf diese Weise erzeugen Sterne, wie unsere Sonne, Energie. Man wusste schon lange, wie man Atome fusioniert und Energie erzeugt. Ab 2022 ist man in der Lage, es zu kontrollieren.

Das US-Energieministerium bezeichnete das Erreichen der Fusionszündung als "bedeutenden wissenschaftlichen Durchbruch", der zu "Fortschritten in der nationalen Verteidigung und der Zukunft der sauberen Energie" führen wird. Der Direktor des LLNL, Kim Budil, bezeichnete dies als "eine der bedeutendsten wissenschaftlichen Herausforderungen, die die Menschheit je in Angriff genommen hat."

Die Forscher erzielten mit 192 Lasern einen Durchbruch bei der Kernfusion. Diese 192 extrem leistungsstarke Laser sind auf einen fingerhutgroßen, mit Wasserstoff gefüllten Zylinder gerichtet. Die Laserstrahlen, einige der stärksten auf dem Planeten Erde, bündelten die Energie auf ein Pellet, ein Pellet von der Größe eines Kugelschreibers.

Dieser Fortschritt wird für die weitere Entwicklung der Fusionsenergieforschung genutzt werden können. In der Öffentlichkeit löste diese Meldung große Begeisterung aus, da Wissenschaftler seit Jahrzehnten davon sprechen, dass die Kernfusion, die Kernreaktion, die Sterne zum Leuchten bringt, in Zukunft eine ergiebige Energiequelle darstellen könnte. 

Bei dem am Dienstag, 13. Dezember 2022 bekannt gegebenen Ergebnis handelt es sich um die erste Fusionsreaktion in einem Labor, bei der tatsächlich mehr Energie erzeugt wurde, als zum Starten der Reaktion nötig war. Dies ist ein wunderbares Beispiel für einen realistisch erreichten wissenschaftlichen Meilenstein und einen Weg in Richtung saubere Energie.

Für die Erzeugung eines Miniatursterns waren die stärksten Laser der Welt erforderlich, die in einem Hochsicherheitsgebäude der Bundesregierung in der Größe eines Fußballstadions hergestellt wurden. Die Laser schossen in eine kleine Kammer, in der sich ein Wasserstoffkügelchen befand, das etwa halb so groß wie eine Kugel war. Beim Abfeuern der Strahlen verschmolzen die atomaren Teilchen im Gas und setzten mehr Energie frei, als die Laser zugeführt hatten.

Am 5. Dezember 2022 um 1:03 Uhr nachts, als 192 riesige Laser in der National Ignition Facility des Labors einen kleinen Zylinder von der Größe eines Radiergummis beschossen, der einen gefrorenen, von Diamant umhüllten Wasserstoffknubbel enthielt. Die Laserstrahlen drangen oben und unten in den Zylinder ein und verdampften ihn. Dadurch wurde ein Ansturm von Röntgenstrahlen erzeugt, der ein etwa BB-großes Brennstoffpellet aus Deuterium und Tritium, den schwereren Formen des Wasserstoffs, komprimierte.

Es war das erste Mal, dass es jemandem gelungen war, einen Nettoenergiegewinn zu erzielen. Bei dem Experiment wurden 2,05 Megajoule Energie an das Ziel des Lasers abgegeben und 3,15 Megajoule an Energie gewonnen, so die Beamten. Im Grunde genommen, zwei rein, drei raus.

In einem kurzen Moment, der weniger als 100 Billionstel einer Sekunde dauerte, wurden 2,05 Megajoule Energie - das entspricht etwa einem Pfund TNT - auf das Wasserstoffkügelchen geschossen. Aus ihr strömte eine Flut von Neutronenteilchen - das Produkt der Fusion - mit einer Energie von etwa 3 Megajoule, was einem Energiegewinn um den Faktor 1,5 entspricht. Damit wurde der Schwellenwert überschritten, den die Laserfusionswissenschaftler als Zündung bezeichnen, d. h. die Grenze, an der die durch die Fusion erzeugte Energie gleich der Energie der eintreffenden Laserstrahlen ist, die die Reaktion in Gang setzen.

Nach offiziellen Angaben ist dies ein bedeutender Meilenstein in den jahrzehntelangen Bemühungen um die Nutzung der Kernfusion, einer Energiequelle, die das Potenzial hat, reichlich sauberen Strom zu erzeugen. Die Bekanntgabe des experimentellen Erfolgs wurde von warnenden Hinweisen begleitet. Es kann noch viele Jahre dauern, bis diese Technologie für den täglichen Gebrauch eingesetzt werden kann. Es handelte sich eher um ein wissenschaftliches Experiment als um die Demonstration einer praktischen Technologie.

Mit dem erfolgreichen Experiment wird endlich das Ziel der Zündung erreicht, das bei Baubeginn der National Ignition Facility im Jahr 1997 versprochen worden war. Als der Betrieb 2009 aufgenommen wurde, erzeugte die Anlage jedoch kaum Kernfusion - eine peinliche Enttäuschung nach einer Investition von 3,5 Milliarden Dollar durch die Bundesregierung.

Was ist Kernfusion?

Ein atomarer Zusammenschluss.

Die Kernfusion ist der Prozess, durch den die Sonne ihre Energie erhält. Wissenschaftler aus mehr als 50 Ländern versuchen seit den 1960er Jahren, diesen Prozess auf der Erde nachzubilden. Die Kernfusion ist nicht auf fossile Brennstoffe angewiesen und erzeugt keine schädlichen Treibhausgase, so dass sie auch zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen könnte. Wissenschaftler hoffen, dass dieser Prozess schließlich riesige Mengen an sauberer Energie für die Welt liefern könnte.

Bei der Kernfusion werden Paare winziger Teilchen, so genannter Atome, erhitzt und zusammengebracht, um ein schwereres Teilchen zu erzeugen. Sie ist das Gegenteil der Kernspaltung, bei der schwere Atome aufgespalten werden. Kernkraftwerke nutzen derzeit die Kernspaltung zur Stromerzeugung. Bei der Kernspaltung entstehen große Mengen radioaktiver Abfälle, die gefährlich sein können und sicher gelagert werden müssen - unter Umständen für Hunderte von Jahren.

Die bei der Kernfusion entstehenden Abfälle sind weniger radioaktiv und zerfallen viel schneller. Die Kernfusion benötigt keine fossilen Brennstoffe wie Öl oder Gas. Sie erzeugt auch keine Treibhausgase, die die Wärme der Sonne einfangen und für den Klimawandel verantwortlich sind. Bei den meisten Fusionsexperimenten wird Wasserstoff verwendet, der kostengünstig aus Meerwasser und Lithium gewonnen werden kann, was bedeutet, dass die Brennstoffvorräte für Millionen von Jahren reichen könnten.

Wie funktioniert die Kernfusion?

Verschmelzung von Atomen.

Die Fusion funktioniert auf die gleiche Weise wie unsere Sonne, indem zwei schwere Wasserstoffatome unter extremer Hitze und hohem Druck miteinander verschmolzen werden, um riesige Mengen an Energie freizusetzen. Sie ist das Gegenteil der in Kernkraftwerken verwendeten Kernspaltung, bei der Atome gespalten werden, um große Mengen an Energie freizusetzen. Die Kernfusion in großem Maßstab hat das Potenzial, eine sichere, saubere und nahezu unerschöpfliche Energiequelle zu schaffen.

Unsere Sonne betreibt die Kernfusion in ihrem Kern mit einem Plasma geladener Teilchen bei etwa 15 Millionen Grad Celsius. Auf der Erde streben wir Hunderte von Millionen Grad Celsius an, weil wir nicht die enorme Masse der Sonne haben, die den Brennstoff für uns komprimiert. Wissenschaftler und Ingenieure haben mehrere Konzepte ausgearbeitet, wie wir dies erreichen könnten, aber die meisten Fusionsreaktoren verwenden starke Magnetfelder, um das heiße Plasma "abzufangen" und einzuschließen.

Wenn zwei Atome eines leichten Elements wie Wasserstoff erhitzt werden und sich zu einem einzelnen schwereren Element wie Helium verbinden, erzeugt die Kernreaktion gewaltige Mengen an Energie, die aufgefangen werden können. Aber zwei identische Elemente miteinander zu verbinden, ist sehr schwierig. Da sie die gleiche positive Ladung haben, stoßen sie sich natürlich ab. Um diesen Widerstand zu überwinden, ist eine Menge Energie erforderlich. In der Sonne geschieht dies dank der extrem hohen Temperaturen von etwa zehn Millionen Grad Celsius und des hohen Drucks - mehr als das 100-Milliardenfache der Erdatmosphäre.

Auf der Erde haben Wissenschaftler mit verschiedenen Techniken versucht, diese Bedingungen nachzubilden. Es hat sich jedoch als sehr schwierig erwiesen, die erforderliche hohe Temperatur und den Druck lange genug aufrechtzuerhalten.

Die Fusion ist der Prozess, der die Sonne antreibt.

Wie sicher ist die Kernfusion?

Inhärent sicher.

Die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO) hat die Kernfusion als "inhärent sicher" bezeichnet. Die Bedingungen, die erforderlich sind, um eine Fusionsreaktion zu starten und aufrechtzuerhalten, sind so extrem, dass es unmöglich ist, dass sie außer Kontrolle gerät. "Die Fusion ist ein selbstbegrenzender Prozess: Wenn man die Reaktion nicht kontrollieren kann, schaltet sich die Maschine von selbst ab", erklärte Sehila González de Vicente von der IAEO. Da bei diesem Verfahren im Vergleich zur Kernspaltung weniger radioaktive Abfälle anfallen, ist es auch viel einfacher, sie zu handhaben und zu lagern.

Entwicklung der Kernfusion

Ein langer Weg.

Kernkraftwerke auf der ganzen Welt nutzen derzeit die Kernspaltung - die Spaltung des Kerns eines schweren Atoms - zur Energieerzeugung. Bei der Fusion hingegen werden zwei leichte Wasserstoffatome zu einem schwereren Heliumatom zusammengefügt, wobei eine große Menge Energie freigesetzt wird. Dieser Prozess findet im Inneren von Sternen, einschließlich unserer Sonne, statt. Auf der Erde können Fusionsreaktionen ausgelöst werden, indem Wasserstoff in speziellen Geräten auf extreme Temperaturen erhitzt wird.

Die meisten Klimawissenschaftler und politischen Entscheidungsträger sind der Meinung, dass die Welt bis zum Jahr 2050 Netto-Null-Emissionen erreichen muss, um das Ziel einer Begrenzung der Erwärmung auf 2 Grad Celsius oder das noch ehrgeizigere Ziel einer Erwärmung von 1,5 Grad Celsius zu erreichen. Wissenschaftler arbeiten seit Jahrzehnten an der Entwicklung der Kernfusion, die von ihren Befürwortern als saubere, reichhaltige und sichere Energiequelle angepriesen wird, die es der Menschheit schließlich ermöglichen könnte, ihre Abhängigkeit von den fossilen Brennstoffen zu überwinden, die eine globale Klimakrise verursachen.

Eine lange Reise.

Wissenschaftler wissen seit langem, dass bei der Verschmelzung von zwei Atomen zu einem neuen Element große Mengen an Energie freigesetzt werden. Die Sonne zum Beispiel ist im Grunde ein riesiger Fusionsreaktor, in dem überhitzte Teilchen mit enormer Kraft zusammenkommen, neue Teilchen bilden und überschüssige Energie als Wärme freisetzen.

Bereits in den 1940er Jahren begannen Wissenschaftler, mit Fusionsreaktoren zu experimentieren. Sie sind zwar schon seit langem in der Lage, Fusionsreaktionen zu erzeugen, aber bis jetzt mussten sie immer mehr Energie zuführen, als sie letztendlich produzierten.

Der Grund dafür, dass eine Netto-Positiv-Fusionsreaktion so schwer zu erreichen ist, liegt zum großen Teil darin, dass die Wissenschaftler im Labor extreme Bedingungen schaffen müssen, damit die Reaktionen stattfinden können. In der Regel werden riesige Laser eingesetzt, um Wasserstoffisotope auf Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius zu erhitzen. Das entstehende Plasma wird dann unter extrem hohem Druck eingeschlossen, wodurch die Isotope mit so viel Kraft zusammenkommen, dass sie zu einem anderen Element verschmelzen und dabei Energie in Form von Wärme freisetzen.

Im Jahr 2014 meldeten Livermore-Wissenschaftler schließlich einige Erfolge, aber die erzeugte Energie war winzig - sie entsprach dem, was eine 60-Watt-Glühbirne in fünf Minuten verbraucht. Die Fortschritte in den nächsten Jahren waren gering und klein. Dann, im August letzten Jahres (2021), produzierte die Anlage einen viel größeren Energiestoß - 70 Prozent so viel Energie wie die Laserlichtenergie. In einem Interview sagte Mark Herrmann, Programmdirektor für Waffenphysik und -design in Livermore, dass die Forscher daraufhin eine Reihe von Experimenten durchführten, um den überraschenden Erfolg vom August besser zu verstehen, und dass sie daran arbeiteten, die Energie der Laser um fast 10 Prozent zu erhöhen und die Konstruktion der Wasserstoffziele zu verbessern.

Der erste Laserschuss mit einer Energie von 2,05 Megajoule wurde im September durchgeführt, und bei diesem ersten Versuch wurden 1,2 Megajoule Fusionsenergie erzeugt. Außerdem ergab die Analyse, dass das kugelförmige Wasserstoffpellet nicht gleichmäßig zusammengedrückt wurde, so dass ein Teil des Wasserstoffs seitlich herausspritzte und die Fusionstemperatur nicht erreichte. Die Wissenschaftler nahmen einige Anpassungen vor, von denen sie glaubten, dass sie besser funktionieren würden. Die Vorhersage vor dem Schuss war, dass sie um den Faktor zwei steigen könnte. Tatsächlich stieg er noch ein wenig mehr als das. Der Hauptzweck der National Ignition Facility ist die Durchführung von Experimenten, die den Vereinigten Staaten helfen sollen, ihre Kernwaffen zu erhalten. Daher sind die unmittelbaren Auswirkungen auf die Energieerzeugung noch ungewiss.

Die Kernfusion wäre im Wesentlichen eine emissionsfreie Energiequelle und würde dazu beitragen, den Bedarf an Kohle- und Erdgaskraftwerken zu verringern, die jedes Jahr Milliarden Tonnen des den Planeten erwärmenden Kohlendioxids in die Atmosphäre pumpen. Es wird jedoch noch eine ganze Weile dauern, bis die Kernfusion auf breiter Basis in der Praxis eingesetzt werden kann, wenn überhaupt. "Wahrscheinlich Jahrzehnte", sagte Kimberly S. Budil, die Direktorin von Lawrence Livermore, auf der Pressekonferenz am Dienstag. "Nicht sechs Jahrzehnte, glaube ich. Ich glaube nicht, dass es fünf Jahrzehnte sind, wie wir früher sagten. Ich denke, es rückt in den Vordergrund, und wahrscheinlich könnten uns ein paar Jahrzehnte Forschung an den zugrunde liegenden Technologien mit konzertierten Anstrengungen und Investitionen in die Lage versetzen, ein Kraftwerk zu bauen."

Im März 2022 veranstaltete das Weiße Haus ein Gipfeltreffen mit dem Ziel, die kommerziellen Fusionsbemühungen zu beschleunigen. "Die Entwicklung eines wirtschaftlich attraktiven Konzepts für die Fusionsenergie ist eine große wissenschaftliche und technische Herausforderung", so Tammy Ma, die in Livermore eine Studie über diese Möglichkeiten leitet. "Zweifelsohne wird es ein monumentales Unterfangen sein". Dr. Ma sagte, dass ein Bericht, der vom Energieministerium in Auftrag gegeben wurde, um einen Rahmen für die Forschung im Bereich der Laserfusionsenergie zu schaffen, bald veröffentlicht wird. "Ein solches Programm", sagte sie, "wird unweigerlich die Beteiligung der gesamten Gemeinschaft erfordern", einschließlich akademischer Kreise, Start-up-Unternehmen und öffentlicher Versorgungsbetriebe zusätzlich zu den nationalen Laboratorien wie Livermore.

Die Ankündigung erfolgt zu einer Zeit, in der die Regierung Biden neue Anstrengungen und Finanzmittel für die Entwicklung sauberer Energieerzeugung bereitstellt, mit besonderem Schwerpunkt auf der Fusionsenergie. Das kürzlich verabschiedete Gesetz zur Verringerung der Inflation (Inflation Reduction Act) enthielt erhebliche Mittel für die Forschung in diesem Bereich.

Enorme technische Herausforderungen.

Die Instandhaltung von Anlagen, die solch extremen Temperaturen standhalten können, ist außerordentlich schwierig, und einen Weg zu finden, Reaktoren zu bauen, die den mit dem Prozess verbundenen Belastungen über lange Zeiträume standhalten können, ist eine der vielen Herausforderungen, denen sich die Forscher auf diesem Gebiet stellen müssen.

Ian H. Hutchinson, Professor für Nuklearwissenschaft und -technik am Massachusetts Institute of Technology, sagte, es sei wichtig, nicht zu viel in die vorläufigen Berichte hineinzulesen, da vor der offiziellen Ankündigung nur wenige Details darüber bekannt waren, was genau die Wissenschaftler am NIF erreicht haben. "Es scheint eine wichtige wissenschaftliche Bestätigung der Trägheitsfusionszündung zu sein, aber ich würde zögern, es einen 'Durchbruch' zu nennen", sagte Hutchinson. "Das NIF-Programm zielt nicht auf die Erzeugung von Fusionsenergie ab, sondern auf das Verständnis von Fusionsexplosionen. Die nützliche Energieerzeugung aus Miniatur-Fusionsexplosionen steht noch vor enormen technischen Herausforderungen, und wir wissen nicht, ob diese Herausforderungen überwunden werden können."

Die Erzeugung von Strom aus Kernfusion würde die Art von Reaktion erfordern, die am Dienstag berichtet wurde, nämlich die "Zündung", und zwar jede Sekunde des Tages. Schon der Bruchteil einer Sekunde Nettoenergiegewinn, wie ihn das Livermore-Laborexperiment erbrachte, belastet die kostspieligen Maschinen so stark, dass der Prozess zum Scheitern verurteilt ist.

Die NIF wird am engsten mit dem Nuklearwaffenprogramm der Vereinigten Staaten in Verbindung gebracht. Ihr Hauptzweck besteht darin, Nuklearexplosionen in kleinem und kontrollierbarem Maßstab nachzubilden, um die Aufrechterhaltung des Atomwaffenarsenals des Landes ohne zerstörerische Tests in großem Maßstab zu ermöglichen. Das nationale Fusionsprogramm wurde ursprünglich mit dem Ziel einer effizienteren Verwaltung der US-Atomwaffenbestände ins Leben gerufen. Mit Hilfe von Fusionsreaktionen könnten diese Waffen ohne die Notwendigkeit von Explosionen, die radioaktiven Niederschlag erzeugen, bewertet werden. Beamte der Biden-Administration begrüßten die Entwicklungen im Lawrence-Livermore-Labor als wichtigen Impuls für ihre Bemühungen, die Bestände sicher zu halten und den Verbündeten die Gewissheit zu geben, dass die Vereinigten Staaten in der Lage sind, sie zu verwalten.

"Es untermauert die Glaubwürdigkeit unserer Abschreckung, indem es weltweit führendes Fachwissen in waffenrelevanten Technologien demonstriert", sagte Marvin Adams, stellvertretender Administrator für Verteidigungsprogramme bei der National Nuclear Security Administration. "Das bedeutet: Wir wissen, was wir tun. Wenn wir unseren Verbündeten weiterhin versichern, dass wir wissen, was wir tun, und wenn wir weiterhin auf Tests verzichten, werden wir unsere Nichtverbreitungsziele erreichen und gleichzeitig unsere nationale Sicherheit erhöhen."

Die kommerzielle Nutzung der Fusionsenergie ist seit Jahren ein Randphänomen, da die Ergebnisse in den nationalen Laboratorien enttäuschend sind und immer wieder damit gedroht wird, dass die Mittel für Fusionsversuche gestrichen werden.

Tammy Ma, Physikerin an der National Ignition Facility, sagte, sie sei vor Freude "in Tränen ausgebrochen", als ihr Chef sie anrief, um ihr mitzuteilen, dass die Zündung erreicht worden sei, während Ma in einem Wartezimmer am Flughafen saß. "Ich bin auf und ab gesprungen".

"Wir hatten einige schwierige Zeiten", sagte die Abgeordnete Zoe Lofgren, eine Demokratin aus der Bay Area, die sich mehrfach gegen die Finanzierung der National Ignition Facility gewehrt hat. "Zu sehen, dass sie die Zündung erreicht haben, ist fabelhaft. Es ist ein tiefgreifender Durchbruch, der das verlockende Versprechen mit sich bringt, dass wir eine umweltfreundliche, im Grunde unbegrenzte Energiequelle erzeugen könnten.

Ob dieses Versprechen jemals eingelöst werden kann, ist unter Wissenschaftlern umstritten. "Die nützliche Energieerzeugung aus Miniatur-Fusionsexplosionen steht noch vor enormen technischen Herausforderungen, und wir wissen nicht, ob diese Herausforderungen überwunden werden können", so Ian Hutchinson, Professor für Nuklearwissenschaften und -technik am MIT.

Was kostet die Forschung?

Milliarden.

Vorerst werden sich die Wissenschaftler darauf konzentrieren, praktischere und erschwinglichere Wege zu finden, um die Fusionsreaktion, die die Sonne antreibt, zu replizieren. Im Kern der Sonne treibt der enorme Druck Wasserstoffkerne zusammen. Sie verbinden sich zu Helium und anderen leichten Elementen und wandeln einen Teil der Masse in Energie um. Diese Art der Energieerzeugung ist so effizient, dass die Sonne seit vielen Milliarden Jahren mit gleichmäßiger Geschwindigkeit brennt, lange genug, um Leben auf unserem etwa 93 Millionen Kilometer entfernten, von der Sonne erwärmten Planeten entstehen und sich entwickeln zu lassen.

Die Kernfusion ist auch der Grund dafür, dass Wasserstoffbomben so gewaltige Explosionen auslösen können. Solche Fusionsbomben sind weitaus leistungsfähiger als Atombomben, die auf der Kernspaltung beruhen, bei der die Atome eher gespalten als verschmolzen werden.

Die Nutzung der Kernfusion für friedliche Zwecke ist seit Jahrzehnten ein technologisches Ziel. Experimentelle Fusionsreaktoren erhitzen Plasmen - freie Elektronen und Atomkerne - auf Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius, heißer als der Kern der Sonne. Der nächste Schritt besteht darin, dieses heiße Plasma in einem winzigen Raum einzuschließen, in dem die atomaren Teilchen potenziell eine Fusionsreaktion eingehen können. Dies kann auf unterschiedliche Weise geschehen, was sich in den verschiedenen Geschäftsplänen von Energie-Start-ups widerspiegelt, die hoffen, die Fusionsenergie schließlich in das Stromnetz einspeisen zu können.

Die Geschichte der Fusionsenergieforschung ist eine Geschichte von schrittweisen Meilensteinen und wiederkehrenden Frustrationen. Es war ein langwieriges und kostspieliges Unterfangen, das größtenteils von der US-Regierung und den Regierungen anderer Länder finanziert wurde, und es liegt noch ein langer Weg vor uns. Es ist ein üblicher Scherz in der Branche, dass kommerziell verfügbare Fusionsenergie immer noch 20 Jahre (oder eine ähnliche Zahl) entfernt ist.

Die National Ignition Facility war mit 1 Milliarde Dollar veranschlagt. Als sie vor einem Jahrzehnt fertig gestellt wurde, kostete sie laut der Website des Labors etwa 3,5 Milliarden Dollar. Innovatoren argumentieren, dass die Ankündigung vom Dienstag all die Ressourcen rechtfertigt, die in die Erforschung der Fusionsenergie gesteckt wurden. "Es ist genau die Aufgabe der Regierung, Wissenschaft zu betreiben, die enorme Vorteile für das Land und die Menschheit bringen könnte, die andere nicht verfolgen würden", sagte Josh Freed, Leiter des Bereichs Klima und Energie bei Third Way, einem Think Tank der linken Mitte. "Die Beispiele für den Nutzen staatlicher Investitionen in Innovationen, die sonst niemand zu finanzieren bereit war, sind Legion. Wir wissen nicht, was funktionieren wird, was nicht funktioniert und was wir entdecken werden, wenn wir es nicht versuchen."

Während das Streben nach Fusionsforschung ursprünglich von der Sorge um die Atomwaffenbestände angetrieben wurde, hat sich der Schwerpunkt seither im Zuge der aggressiven Klimabestrebungen der Regierung Biden auf die Energie verlagert. In den letzten Jahren sind mehrere Unternehmen entstanden, die sich zum Ziel gesetzt haben, mit Fusionsenergie betriebene Kraftwerke zu bauen.

"Die Fusion ist die bahnbrechendste Energiequelle, die wir je herstellen können", sagte Dennis Whyte, Direktor des MIT Plasma Science & Fusion Center. "Der Brennstoff ist unerschöpflich. Er ist von Natur aus sicher und liefert Energie auf Abruf, die sich an unsere Bedürfnisse anpassen lässt. Auf dem Papier kann er unseren Energiebedarf für immer decken. Es gibt nicht viele Dinge in der Energielandschaft, die so aussehen".

Whyte sagte, dass in den Vereinigten Staaten jährlich mehr als 1 Billion Dollar für Energie ausgegeben werden, so dass selbst eine Investition von vielen Milliarden Dollar in eine Technologie, die sich als transformativ erweisen und das Land als führend positionieren könnte, seiner Ansicht nach gut angelegtes Geld ist. Er wies darauf hin, dass China und andere Länder eifrig eigene Programme verfolgen, in der Hoffnung auf eine Vormachtstellung in diesem Bereich.

Finanzierung bis zur Marktreife.

Unsere Gesellschaft steht vor der großen Herausforderung, nachhaltige, sichere und erschwingliche Mittel zur Energieerzeugung bereitzustellen und gleichzeitig zu versuchen, die Kohlendioxidemissionen bis zum Jahr 2050 auf Null zu reduzieren. Bislang wurden die Entwicklungen im Bereich der Fusionsenergie, die all diese Voraussetzungen erfüllen könnte, fast ausschließlich vom öffentlichen Sektor finanziert. Doch das ändert sich jetzt.

Laut einer Umfrage der Fusion Industry Association haben sich die privaten Investitionen in die weltweite Fusionsindustrie in nur einem Jahr mehr als verdoppelt - von 2,1 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 auf 4,7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022. Was ist die Ursache für diesen jüngsten Wandel? Es gibt eine Menge Gründe, sich darüber zu freuen. 

Zusammenführung der öffentlichen und privaten Investoren.

Die Entwicklung der Fusion schreitet seit den 1950er Jahren voran. Sie wurde größtenteils durch die staatliche Finanzierung der Grundlagenforschung vorangetrieben. Inzwischen gibt es weltweit eine wachsende Zahl privater Fusionsunternehmen, die die kommerzielle Nutzung der Fusionsenergie vorantreiben. Ausschlaggebend dafür ist ein Umdenken in den Regierungen.

Die Regierungen der USA und des Vereinigten Königreichs fördern öffentlich-private Partnerschaften zur Ergänzung ihrer strategischen Forschungsprogramme. So kündigte das Weiße Haus kürzlich an, es werde eine "kühne Dekadenvision für die kommerzielle Fusionsenergie" entwickeln.

Verschiedene Fonds mit sehr langfristiger Perspektive haben begonnen, in neue Start-up-Unternehmen zu investieren, die die Fusion als kommerziell nutzbare Energiequelle anpreisen. Da es die Privatwirtschaft war, die den Markt für Elektroautos (und die Raketenindustrie) revolutioniert hat, könnte dieser Sektor vielleicht auch der Fusion den nötigen "Kick" geben.

Privatunternehmen können viel schneller arbeiten als Regierungen und sich bei Bedarf schnell auf neue Ideen einstellen. Schätzungen zufolge belaufen sich die gesamten privaten Finanzmittel in diesem Sektor derzeit auf über 2 Mrd. US$ (1,6 Mrd. £) - Peanuts im Vergleich zu den 2 Billionen US$ (1,6 Billionen £), die die Öl- und Gasindustrie jedes Jahr einnimmt. Auf dem Markt ist noch viel Platz für die Akteure, die hohe Risiken eingehen und hohe Gewinne erzielen.

NIF - leistungsstärkster Laser der Welt

Brauchbares Laserfusionskraftwerk.

Die Arbeit am NIF verfolgt einen anderen Ansatz, aber bisher wurde nur wenig getan, um die Idee eines Laserfusionskraftwerks in die Realität umzusetzen. "Es gibt sehr große Hürden, nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch in der Technologie", sagte Dr. Budil. NIF ist der leistungsstärkste Laser der Welt, aber er ist langsam und ineffizient, da er auf jahrzehntealter Technologie basiert. Das Gerät, das etwa die Größe eines Sportstadions hat, ist für grundlegende wissenschaftliche Experimente gedacht und nicht als Prototyp für die Erzeugung von Elektrizität.

Im Durchschnitt werden etwa 10 Schüsse pro Woche abgegeben. Eine kommerzielle Anlage, die mit dem Laserfusionsverfahren arbeitet, bräuchte viel schnellere Laser, die mit einem Maschinengewehrtempo schießen könnten, vielleicht 10 Mal pro Sekunde. Außerdem verbraucht die NIF immer noch weit mehr Energie als durch die Fusionsreaktionen erzeugt wird. Obwohl das jüngste Experiment im Vergleich zur Energie der 2,05 Megajoule in den eintreffenden Laserstrahlen einen Nettoenergiegewinn erbrachte, musste NIF 300 Megajoule Energie aus dem Stromnetz beziehen, um den kurzen Laserpuls zu erzeugen.

Andere Lasertypen sind effizienter, aber Experten sagen, dass ein brauchbares Laserfusionskraftwerk wahrscheinlich einen viel höheren Energiegewinn als die 1,5 Megajoule benötigt, die bei diesem letzten Fusionsimpuls beobachtet wurden. "Um mehr Energie für ein Energiekraftwerk zu erhalten, braucht man 30 bis 100 Energiegewinne", sagte Dr. Herrmann. Er sagte, Livermore werde die NIF-Fusionsexperimente weiterhin zu einer höheren Fusionsleistung antreiben.

"Das ist es, worauf wir in den nächsten Jahren ehrlich hinarbeiten werden", sagte Dr. Herrmann. "Diese Experimente zeigen, dass schon ein bisschen mehr Laserenergie einen großen Unterschied machen kann. Forscher an anderen Orten arbeiten an Variationen des NIF-Experiments. Andere Arten von Lasern mit anderen Wellenlängen könnten den Wasserstoff effizienter erhitzen. Einige Forscher favorisieren einen "Direktantrieb" für die Laserfusion, bei dem das Laserlicht direkt zum Erhitzen des Wasserstoffs verwendet wird. Dadurch würde mehr Energie in den Wasserstoff gelangen, aber es könnten auch Instabilitäten entstehen, die die Fusionsreaktionen vereiteln.

Um einen Reaktor für ein funktionierendes Kraftwerk zu bauen, bräuchte man einen Laser, der Lichtenergie mit einem viel höheren Wirkungsgrad (einige zehn Prozent) erzeugt und Ziele zehnmal pro Sekunde erfolgreich abschießt, wobei jedes Ziel ein paar Pence kostet. Außerdem müsste bei jedem Laserschuss ein Vielfaches - vielleicht das Hundertfache - der Energie abgegeben werden, die man hineinsteckt.

Eine künstlerische Darstellung des Wasserstofftabletts (weiße Kugel) in einer Kapsel. Laser erhitzen und komprimieren das Pellet bis zu dem Punkt, an dem Fusionsreaktionen stattfinden.

An Fusions-"Reaktoren", bei denen die Neutronen aus den Reaktionen eine Dampfturbine zur Stromerzeugung antreiben würden, wurde bisher nur wenig geforscht. Aber es gibt noch andere Gründe zur Hoffnung.

Erstens hat die NIF mehr als ein Jahrzehnt gebraucht, um die Zündung zu erreichen, während Wissenschaftler in dieser Zeit unabhängig voneinander neue Laser entwickelt haben. Diese verwenden elektronische Vorrichtungen, die Dioden genannt werden, um Energie auf den Laser zu übertragen. Sie sind sehr, sehr effizient und wandeln einen guten Teil des Stroms aus dem Netz in Laserlicht um.

Prototypversionen solcher Laser arbeiten nachweislich mit einer Geschwindigkeit von 10 Mal pro Sekunde, was für den Einsatz in der Kernfusion erforderlich wäre. Diese Laser haben zwar noch nicht die für die Fusion erforderliche Größe, aber die Technologie ist erprobt, und das Vereinigte Königreich ist in dieser Art von Forschung führend. Der von den NIF-Wissenschaftlern verfolgte Fusionsansatz weist zudem einige bekannte, inhärente Unzulänglichkeiten auf, und es gibt mehrere andere Ideen, die wesentlich effektiver sein könnten.

ITER  - Tokamak-Reaktor

Ein donutförmiger Reaktor.

Eine Methode, mit der Wissenschaftler versuchen, die Kernfusion nachzubilden, ist ein so genannter Tokamak - eine ringförmige Vakuumkammer, in der starke Magnete den Brennstoff in ein überhitztes Plasma (zwischen 150 Millionen und 300 Millionen Grad Celsius) verwandeln, in dem die Fusion stattfinden kann.

Bei den bisherigen Fusionsbemühungen wurden in erster Linie diese donutförmigen Reaktoren verwendet. In diesen Reaktoren wird Wasserstoffgas auf Temperaturen erhitzt, die so hoch sind, dass die Elektronen von den Wasserstoffkernen abgestreift werden und ein so genanntes Plasma entsteht - Wolken aus positiv geladenen Kernen und negativ geladenen Elektronen. Magnetfelder fangen das Plasma in der Donutform ein, und die Kerne verschmelzen miteinander, wobei Energie in Form von nach außen fliegenden Neutronen freigesetzt wird.

Viele Kernfusionsprojekte befinden sich weltweit in der Entwicklung, darunter das internationale Großprojekt ITER, das derzeit in Frankreich gebaut wird. ITER ist ein multinationales, milliardenschweres Projekt namens International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), das derzeit in Südfrankreich gebaut wird. Anstelle von Lasern wird auch bei ITER eine Technik eingesetzt, die als magnetischer Einschluss bekannt ist und eine wirbelnde Masse von fusionierendem Wasserstoffplasma in einer massiven, donutförmigen Kammer einschließt.

ITER, was im Lateinischen "der Weg" bedeutet, wird das weltweit größte Experiment auf dem Weg zur Fusionsenergie sein. Es wird die erste Fusionsanlage sein, die mehr Wärme erzeugt, als zum Starten der Fusionsreaktion benötigt wird, und die sich auf eine beeindruckende Palette von Technologien stützt, die für die künftige Bereitstellung von Fusionsenergie unerlässlich sind.

Das größte Experiment der Welt auf dem Weg zur Fusionsenergie.

Europa ist der Gastgeber des Projekts, das derzeit in Cadarache, Südfrankreich, gebaut wird. ITER ist eine globale wissenschaftliche Partnerschaft von noch nie dagewesenem Ausmaß, an der die Hälfte der Weltbevölkerung beteiligt ist: China, Europa, Japan, Indien, die Republik Korea, die Russische Föderation und die Vereinigten Staaten.

ITER wird die größte Tokamak-Anlage zur Erprobung des magnetischen Einschlusses zur Erzeugung von Fusionsenergie sein. Er wird aus Millionen von Komponenten bestehen, die von hochmodernen Systemen betrieben werden, um seine Leistung zu messen und Lehren für ein künftiges kommerzielles Fusionskraftwerk zu ziehen.

Wie wird die ITER-Maschine funktionieren?

Sobald sich der Fusionsbrennstoff in der Maschine befindet, werden leistungsstarke Heizsysteme die Temperatur auf 150 Millionen °C erhöhen, um ein superheißes Plasma zu erzeugen, das sich in einer donutförmigen Kammer befindet. Damit das heiße Gas nicht mit den Wänden der Kammer in Berührung kommt, werden gigantische Magnete auf -269 °C heruntergekühlt, um supraleitend zu werden und einen massiven magnetischen Käfig um die Kammer zu bilden. Unter der Oberfläche der Komponenten, die den hohen Temperaturen ausgesetzt sind, werden Rohre mit Kühlwasser installiert, um die Wärme aufzufangen, die schließlich über Kühltürme abgeleitet wird. ITER wird eine beträchtliche Wärmemenge in der Größenordnung von 500 MW für etwa 7 Minuten erzeugen. Der ITER wird 10-mal mehr Wärme erzeugen, als zum Starten der Fusionsreaktion benötigt wird.

Die Plattform misst 42 Hektar und ist eine der größten von Menschenhand geschaffenen, ebenen Flächen der Welt. Es gibt 39 Gebäude, Einrichtungen und Stromversorgungen, die für den Betrieb der größten Fusionsmaschine benötigt werden. Mehr als 3000 Menschen sind an den Bauarbeiten für den ITER beteiligt

Probleme mit zwei wichtigen Tokamak-Komponenten.

Die aktuellen Probleme erfordern eine gründliche Untersuchung sowie Zeit und Budget" für die Reparatur.

20-Milliarden-Euro-Projekt verzögert sich wegen Mängeln an zwei Schlüsselkomponenten, die einzigartig sind. In zwei wichtigen Tokamak-Komponenten für den Internationalen Thermonuklearen Versuchsreaktor (Iter), der derzeit im südfranzösischen Cadarache gebaut wird, wurden Defekte festgestellt. Das 20-Milliarden-Euro-Projekt könnte sich dadurch verzögern, während die Reparaturen durchgeführt werden. Wie Iter in einem Projektbericht mitteilte, handelt es sich bei den beiden Komponenten um die Hitzeschilde des Vakuumbehälters und die Sektoren des Vakuumbehälters. Die Probleme "erfordern eine gründliche Untersuchung, Kreativität bei der Entwicklung von Abhilfemaßnahmen sowie Zeit und Budget für die Reparatur", so Iter.

Bei den Hitzeschilden des Vakuumbehälters handelt es sich um aktiv gekühlte, versilberte Elemente mit einer Dicke von 20 mm, die zur thermischen Isolierung des supraleitenden Magnetsystems der Anlage beitragen, das bei 4 K oder minus 269 C arbeitet. 

Laut Iter wurde im November 2021 bei Heliumtests ein Leck an einem Element der 2020 gelieferten Vakuumbehälter-Thermoschweißung festgestellt. Als Ursache wurden Spannungen festgestellt, die durch das Biegen und Schweißen der Kühlflüssigkeitsrohre an die Hitzeschildplatten verursacht wurden, "verbunden mit einer langsamen chemischen Reaktion aufgrund des Vorhandenseins von Chlorrückständen in einigen kleinen Bereichen in der Nähe der Rohrschweißnähte". Dies habe zu Spannungsrisskorrosion geführt, und im Laufe der Zeit hätten sich bis zu 2,2 mm tiefe Risse in den Rohren gebildet, so Iter.

Es geschieht in einem Moment, in dem wir es beheben können".

Das Problem im Bereich der Vakuumbehälter hängt mit vier einzelnen Segmenten zusammen, die zusammengeschweißt wurden und an verschiedenen Stellen des Außenmantels des Bauteils Abweichungen von den Nennmaßen aufwiesen, die größer waren als der vorgegebene Grenzwert", so Iter. "Diese Maßabweichungen veränderten die Geometrie der Feldverbindungen, an denen die Sektoren zusammengeschweißt werden sollen, und beeinträchtigten so den Zugang und die Funktion der maßgeschneiderten automatisierten Schweißwerkzeuge".

Iter-Generaldirektor Pietro Barabaschi, der das Amt im September nach dem Tod seines Vorgängers Bernard Bigot übernommen hat, sagte, wenn es etwas Gutes an dieser Situation gebe, dann sei es, dass sie zu einem Zeitpunkt eintrete, an dem wir sie beheben könnten.

Er sagte: "Das Know-how, das wir im Umgang mit den einzigartigen Komponenten von Iter erwerben, wird anderen helfen, wenn sie ihre eigenen Fusionsprojekte starten. Es liegt in der Natur und Aufgabe von Iter als einzigartige und ehrgeizige Forschungsinfrastruktur, während des Baus eine ganze Reihe von Herausforderungen und Rückschlägen zu bewältigen."

Iter sagte, dass beim Bau einer so großen und komplexen Maschine wie Iter Schwierigkeiten und Rückschläge "keine Überraschungen sind" - sie sind "ein integraler Bestandteil der Herstellung, des Zusammenbaus und der Installation von Komponenten, die es so noch nie gegeben hat".

Komplexestes technisches Projekt der Geschichte.

Im Juli 2020 begann die fünfjährige Montagephase des Iter-Projekts, des weltweit größten seiner Art. Millionen von Bauteilen werden für den Zusammenbau des riesigen Reaktors verwendet, der 23 000 Tonnen wiegen wird, und das Projekt ist das komplexeste technische Unterfangen der Geschichte. Fast 3.000 Tonnen supraleitender Magnete, von denen einige schwerer sind als ein Jumbo-Jet, werden durch 200 km supraleitende Kabel miteinander verbunden, die in der größten Tieftemperaturanlage der Welt auf minus 269 Grad Celsius gehalten werden.

Europa trägt fast die Hälfte der Kosten für den Bau von Iter bei. Die anderen Mitglieder des Projekts - das Vereinigte Königreich, China, Indien, Japan, Südkorea, Russland und die USA - tragen den Rest zu gleichen Teilen bei.

Die Fusionsindustrie versucht im Wesentlichen, die Kräfte, die die Sonne antreiben, auf der Erde nachzubilden und so potenziell unbegrenzt kohlenstoffarme Energie zu erzeugen. Bei extremen Temperaturen und Drücken stoßen Atome zusammen und "verschmelzen", wobei riesige Mengen an Energie freigesetzt werden. Das bedeutet, dass selbst kleine Mengen an Brennstoff eine enorme Menge an Energie enthalten.

Große chinesische Versuchsreaktoren arbeiten nach dem gleichen Prinzip.

Kernfusion und Klimakrise

Was der Fortschritt für die Klimakrise bedeutet.

Derzeit nutzen Kernkraftwerke die Kernspaltung, bei der Atome gespalten werden, um Energie zu gewinnen. Auch wenn dabei keine fossilen Brennstoffe verbrannt werden, sind Kernschmelzen wie in Tschernobyl und Fukushima ein Beweis dafür, dass die Kernspaltung den Menschen - und unserer Umwelt - immer noch schaden kann. Es ist längst überfällig, etwas so Zerstörerisches umzuwandeln, dass es endlich für einen friedlichen Zweck im Dienste der Zivilisation genutzt werden kann.

Wie die Kernspaltung ist auch die Kernfusion während des Betriebs kohlenstofffrei, hat aber viele weitere Vorteile: Sie birgt kein Risiko einer nuklearen Katastrophe und erzeugt viel weniger radioaktiven Abfall. Die Hoffnung ist, dass er zur Entwicklung einer sauberen Energiequelle genutzt werden kann, die die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen beendet. Die Kernfusion gilt als der heilige Gral der Energieerzeugung, der die Menschheit vor dem Aussterben bewahren könnte. Bei der Kernfusion werden zwei Wasserstoffatome miteinander verbunden, wodurch Helium und eine ganze Menge Energie entsteht. Die Technologie der Kernfusion gibt es seit der Entwicklung der Wasserstoffbombe, aber um diese Technologie zur Energiegewinnung zu nutzen, waren jahrzehntelange Forschungsarbeiten erforderlich.

Könnte die Kernfusion zur Bekämpfung der globalen Erwärmung beitragen?

Die Kernfusion ist nicht auf fossile Brennstoffe wie Öl oder Gas angewiesen und erzeugt keine der Treibhausgase, die die globale Erwärmung vorantreiben. Anders als Sonnen- oder Windenergie ist sie nicht von günstigen Wetterbedingungen abhängig. Sie nutzt zwei auf der Erde relativ häufig vorkommende Stoffe: Lithium und Wasserstoff. Die großflächige Nutzung der Kernfusion könnte den Ländern helfen, ihre Ziele zu erreichen, bis 2050 "netto null" Emissionen zu produzieren.

Bei der Fusionsenergie gibt es keine nennenswerten nuklearen Abfälle und keine Kernschmelzen, über die man sich Sorgen machen müsste. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, die Kernfusion als saubere Energiequelle voranzutreiben, bei der keine radioaktiven Abfälle entstehen, wie sie bei der Spaltung von Atomen auftreten. Allerdings könnten dabei einige radioaktive Nebenprodukte entstehen, die am Standort des Kraftwerks verbleiben und nicht wie der derzeitige Atommüll langfristig gelagert werden müssen.

Die Tatsache, dass es Wissenschaftlern gelungen ist, eine energiereiche Fusionsreaktion zu entwickeln, bedeutet aber nicht, dass sich die Art und Weise, wie Menschen Energie erzeugen, grundlegend ändern wird. Nach Ansicht von Experten ist die Arbeit zwar wichtig, doch stehen den Systemen, mit denen die Fusionsenergie in großem Maßstab genutzt werden könnte, noch gewaltige technologische Hindernisse im Weg.

Wie viel Energie bekommt die Erde von der Sonne?

Vorteile der Kernfusion

Mehrere Gründe sprechen für die Kernfusion.

Es gibt mehrere Gründe, warum Wissenschaftler so viele Jahre damit verbracht haben, nach einer Möglichkeit zu suchen, Fusionsreaktoren zu brauchbaren Energiequellen zu machen. Wenn Fusionsreaktoren fossile Brennstoffe als Energiequelle ersetzen könnten, würde die Menge des in die Atmosphäre freigesetzten Kohlenstoffs drastisch reduziert und damit eine Ursache der globalen Erwärmung verringert.

Im Gegensatz zu Kernspaltungsreaktoren, die hoch angereicherte radioaktive Stoffe wie Uran und Plutonium als Brennstoff verwenden, können Fusionsreaktoren theoretisch mit Wasserstoff, dem häufigsten Element im Universum, betrieben werden, was bedeutet, dass der Brennstoffvorrat für einen Fusionsreaktor im Wesentlichen unbegrenzt ist. Außerdem erzeugen Fusionsreaktoren im Gegensatz zu Spaltreaktoren keine hochradioaktiven Abfälle, so dass die Notwendigkeit entfällt, Materialien sicher zu lagern, die in manchen Fällen noch Tausende von Jahren gefährlich sein können.

Schließlich gelten Fusionsreaktoren trotz der extremen Bedingungen, unter denen die Fusion stattfindet, als sicherer im Betrieb als Spaltungsreaktoren, die ständig überwacht werden müssen, um Bedingungen zu vermeiden, die zu Destabilisierung und Explosion führen. Bei den beiden schlimmsten Nuklearkatastrophen der Geschichte, den Explosionen in den Kernkraftwerken in Tschernobyl in der Sowjetunion 1986 und in Fukushima in Japan 2011, mussten Tausende von Menschen evakuiert werden und weite Teile beider Länder wurden unbewohnbar.

Die Regierung Biden treibt Investitionen in saubere Energietechnologien wie die Kernfusion voran, die noch Jahre von der praktischen Anwendung entfernt sind. Wissenschaftler weisen darauf hin, dass die Fusionsenergie zwar das Potenzial hat, rund um die Uhr Strom zu liefern, ohne die Umweltverschmutzung oder die radioaktiven Risiken herkömmlicher Kohle-, Gas- und Kernkraftwerke, dass es aber noch lange dauern wird, bis sie ins Netz eingespeist wird.

Umweltschutz.

Die Nachricht löste jedoch gemischte Reaktionen bei Umweltschützern aus, die anmerkten, dass die Technologie wahrscheinlich nicht schnell genug in Betrieb gehen wird, um die unmittelbaren Gefahren der globalen Erwärmung zu bekämpfen. Tom Cochran, ehemaliger Leiter des Nuklearprogramms beim Natural Resources Defense Council, argumentierte, dass der Fortschritt eher für das Atomwaffenprogramm der Nation nützlich sei. "Was mich ärgert, ist die fortgesetzte Unterstellung, dass dies einen friedlichen Zweck hat", sagte er.

Stromversorger.

Die Stromversorger gehen vorsichtig vor, aber einige beginnen, sich auf die Möglichkeit einer Zukunft mit Fusionskraftwerken vorzubereiten. Duke Energy, zum Beispiel, zieht diese Perspektive in seinem jüngsten Klimabericht in Betracht und gehört zu den Mitgliedern eines Ausschusses, der ein Unternehmen namens General Fusion bei seinen Bemühungen um den Bau eines mit Fusionsenergie betriebenen Kraftwerks berät.

Der Weg zu einem emissionsfreien Stromnetz, so Andrew Sowder, leitender technischer Angestellter beim Electric Power Research Institute, "ist für die bestehenden Technologien eine schwere Aufgabe, selbst wenn wir mehr Kernkraft, Wind- und Solarenergie und Kohlenstoffabscheidung bauen würden".

"Jeder kann sagen, dass er gerne ein weiteres Werkzeug in seinem Werkzeugkasten hätte", so Sowder. "Die Kernfusion erfüllt alle Voraussetzungen. Sie wird nicht über Nacht kommen, und sie wird auch nicht kostenlos sein. Aber wir können nicht einfach darauf hoffen. Wenn wir jetzt nicht anfangen, mehr in sie zu investieren, wird sie nie fertig sein.

Fusion und erneuerbare Energien können Hand in Hand gehen.

Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Investitionen in die Kernfusion nicht auf Kosten anderer Formen erneuerbarer Energien und der Abkehr von fossilen Brennstoffen gehen. Wir können es uns leisten, die Nutzung der derzeitigen Technologien für erneuerbare Energien wie Solar-, Wind- und Wasserkraft auszubauen und gleichzeitig Lösungen der nächsten Generation für die Stromerzeugung zu entwickeln.

Genau diese Strategie wurde kürzlich von den Vereinigten Staaten in ihrer Net-Zero Game Changers Initiative vorgestellt. In diesem Plan werden die Investitionen in Ressourcen auf die Entwicklung eines Weges zur schnellen Dekarbonisierung parallel zur kommerziellen Entwicklung der Kernfusion ausgerichtet. Die Geschichte zeigt uns, dass unglaubliche wissenschaftliche und technische Fortschritte möglich sind, wenn wir mit den richtigen Ressourcen zusammenarbeiten - die rasche Entwicklung der COVID-19-Impfstoffe ist nur ein aktuelles Beispiel.

Es ist klar, dass viele Wissenschaftler, Ingenieure und jetzt auch Regierungen und private Investoren (und sogar Modedesigner) beschlossen haben, dass die Fusionsenergie eine Lösung ist, die es wert ist, weiterverfolgt zu werden, und nicht nur ein Wunschtraum. Im Moment ist das die beste Chance, die wir bisher hatten, um die Fusionsenergie zu einer realisierbaren Sache zu machen.

Kernfusion in großem Massstab

Vielversprechende Durchbrüche.

Wenn die Kernfusion in großem Maßstab eingesetzt werden kann, wäre sie eine Energiequelle ohne die Umweltverschmutzung und die Treibhausgase, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen, und ohne die gefährlichen langlebigen radioaktiven Abfälle, die von den derzeitigen Kernkraftwerken erzeugt werden, die die Spaltung von Uran zur Energieerzeugung nutzen. In der Sonne und in den Sternen werden durch die Kernfusion ständig Wasserstoffatome zu Helium verbunden, wodurch Sonnenlicht und Wärme erzeugt werden, die die Planeten umhüllen. In Versuchsreaktoren und Laserlabors auf der Erde macht die Fusion ihrem Ruf als sehr saubere Energiequelle alle Ehre. Es gab jedoch immer einen Vorbehalt. Bei all den Bemühungen der Wissenschaftler, die unbändige Kraft der Fusion zu kontrollieren, verbrauchten ihre Experimente mehr Energie, als die Fusionsreaktionen erzeugten.

Wann wird die Kernfusion im großen Maßstab möglich sein?

Trotz einer Reihe vielversprechender Durchbrüche in den letzten Jahren ist die Kernfusion im großen Maßstab noch einige Jahre entfernt. Ein Hinweis auf die Herausforderungen, die bei der tatsächlichen Anwendung der Technologie noch vor uns liegen, ist, dass die Ergebnisse die 300 Megajoule Energie, die zur Erzeugung der Laser benötigt wurden, nicht berücksichtigen. Dies ist nicht das einzige laufende Experiment zur Erzeugung von Kernfusion, und es gibt eine Art Wettlauf um die beste Methode. Jahrzehntelang wurde das Feld von Fusionsexperimenten mit starken Magneten und nicht mit Lasern beherrscht. "Ich bin mir nicht sicher, ob die magnetische Fusion die [Laser-]Fusion schlagen wird", sagte Steven Cowley, Direktor des Princeton Plasma Physics Laboratory des Energieministeriums, das bei seinen Fusionsexperimenten Magnete verwendet. "Ich denke, die Fusion ist so wichtig, dass wir mindestens zwei Technologien haben sollten, die um die Fertigstellung konkurrieren".