auf Erden
Fusionsforscher wollen in den nächsten beiden Jahrzehnten den Durchbruch für die Fusionsenergie auf der Erde schaffen. Das Ziel: eine nahezu unbegrenzte Energiequelle ohne CO2-Emissionen. Dabei entwickeln sie in Kooperation mit Siemens auch Technologien, die andere Industriebereiche stark voranbringen.
Wo steht die Fusionsenergie heute?
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Kernfusion ist Sonnenenergie. Im Innern des Sterns verschmelzen Atomkerne leichter Elemente und erzeugen so ungeheure Mengen Energie. Seit langem schon wollen Wissenschaftler diese Fusion auch auf der Erde nutzbar machen, denn sie verspricht eine fast unendliche, saubere Energiequelle. Die nötigen Rohstoffe Wasser und Lithium sind quasi unbegrenzt vorhanden. Fusionsenergie belastet die Atmosphäre nicht mit CO2 und produziert – anders als Kernkraftwerke, die schwere Atomkerne spalten – keinen hochverstrahlten, für Jahrtausende gefährlichen Müll. Die Innenwände des Reaktors werden durch den Beschuss von schnellen Teilchen nur leicht radioaktiv. Nach etwa 100 Jahren ist ihre Strahlung soweit abgeklungen, dass alles Material entsorgt oder wieder verwendet werden kann.
Alle Konzepte für Fusionskraftwerke basieren auf der Verschmelzung der schweren Wasserstoffkerne Deuterium und Tritium. Das seltene Tritium wird dabei mit Hilfe der schnellen Neutronen, die bei der Fusionsreaktion entstehen, aus dem breit verfügbaren Lithium gewonnen, Deuterium aus Wasser. Doch der Plan hat seine Tücken. Da Atomkerne positiv geladen sind und sich gegenseitig abstoßen, müssen sie für eine Fusion schnell genug aufeinander treffen.
Der Knackpunkt besteht darin, das Gas auf über 100 Millionen Grad Celsius aufzuheizen und das heiße Plasma über einen genügend langen Zeitraum dicht genug beieinander zu halten. Waren die Forscher in den 1970er-Jahren noch optimistisch, so mussten sie mit der Zeit erkennen, dass sich das Plasma höchst instabil verhält und auf kleinste Störungen reagiert. Für Prof. Dr. Günther Hasinger, den Direktor des Max Planck Instituts für Plasmaphysik (IPP) in Garching bei München ist diese Phase überwunden: „In der Plasmaphysik hat es in den letzten Jahrzehnten dramatische Fortschritte gegeben – zum einen durch größere Experimente, zum anderen durch die Möglichkeit, Plasmaprozesse auf Supercomputern zu simulieren. Meiner Meinung nach sind die Probleme heute weitgehend gelöst, und es geht jetzt darum, optimale Reaktorkonfigurationen und Betriebsszenarien zu finden.“
Zwei große Anlagen sollen nun erstmals netto mehr Energie erzeugen als in sie hineingesteckt wird (siehe Kasten). Sind sie erfolgreich, werden bis 2050 aus diesen wissenschaftlichen Experimenten kommerzielle Kraftwerke entstehen. Kommt die Fusion dann aber nicht zu spät, um den globalen CO2-Ausstoß zu reduzieren? Für Günther Hasinger nicht: „Die Umstellung unserer Energiesysteme ist eine Jahrhundertaufgabe. Alle Szenarien für die Entwicklung des Energieverbrauches, die Verfügbarkeit fossiler Energiequellen und die notwendige Reduktion der schädlichen Treibhausgase machen in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts noch erheblich größere Anstrengungen notwendig als bis 2050. Wenn es gelingt, die Fusionskraft bis zur Mitte des Jahrhunderts zu erschließen, kommt sie gerade rechtzeitig, um einen deutlichen Beitrag zu leisten.“
Heiße Synergien. Die Industrie verfolgt die Forscher mit Interesse, denn sie tüfteln an Technologien, die anderen Bereichen ebenfalls große Fortschritte bringen. Da ist zum Beispiel die Suche nach geeigneten Materialien für die Wand des Fusionsreaktors. Zwar hält ein Magnetfeld das heiße Plasma auf Abstand, aber seine „kühleren“ Randschichten werden gezielt auf den Reaktorboden geleitet, um sie zu reinigen. An der Wandinnenseite könnte es dort bei bestimmten Plasmazuständen nach Schätzungen der Forscher durchaus über 2000 Grad heiß werden, was nur wenige Stoffe aushalten. Außerdem darf die mechanische Stabilität des Reaktormantels trotz der riesigen Wärmemengen, die beim Abbremsen der Neutronenaus der Fusionsreaktion entstehen, nicht leiden.
Derart hitzebeständige Werkstoffe sucht zum Beispiel auch Siemens Energy für seine Turbinenschaufeln. Die sind mit keramischen Wärmedämmschichten versehen, damit sie selbst bei 1.300 Grad Celsius zuverlässig laufen. Da sind die Schaufeln zwar noch nicht an ihrem Schmelzpunkt, aber die Fliehkräfte greifen das Material bei der schnellen Rotation umso stärker an, je heißeres ist. Sie würden die Schaufeln quasi mit den Jahren in die Länge ziehen.