Wenn in Europa von der Forschung an Kernfusion die Rede ist, landet man bald bei der südfranzösischen Forschungsanlage Iter, vielleicht auch beim deutschen Wendelstein-7-X- oder dem britischen Jet-Reaktor ("Jet" steht für "Joint European Torus"). Sie alle sollen den Weg in eine emissionsfreie Energiezukunft bereiten, in der nach Vorbild der Sonne meist Wasserstoffatome zu Helium verschmelzen. Und sie alle haben gemeinsam, dass sie auf der Methode des magnetischen Plasmaeinschlusses aufbauen. Das Millionen Grad heiße Plasma wird in den Reaktortypen Tokamak und Stellarator von mächtigen und komplexen Magnetfeldern in Zaum gehalten.
Im Sommer 2021 wurde nun ein wegweisender Durchbruch in der Fusionsforschung verkündet. Doch diesmal kam die Nachricht nicht aus diesem konventionellen, bis in die 1950er-Jahre zurückreichenden Bereich der Magnetfusionstechnik. Die Erfolgsmeldung eines enormen Leistungssprungs wurde vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien verkündet, in dessen National Ignition Facility die alternative Laserfusion – auch Trägheitsfusion genannt – erprobt wird.
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Lag man hier bei Experimenten vor einem Jahr noch bei einem Leistungsoutput von 50 Kilojoule, konnte man nun plötzlich auf 1,3 Megajoule verweisen – ein Sprung um das 20-Fache. Damit konnten aus dem Fusionsprozess 70 Prozent jener Leistung geholt werden, die per Laser in sie hineingesteckt wurde. Das entspricht in etwa auch dem Rekord des Magnetverfahrens, der am britischen Jet-Reaktor erzielt wurde. Bereits 1997 konnten hier 65 Prozent der aufgewendeten Energie zurückgeholt werden. Die Leistung belief sich damals auf 14 Megajoule. Vom Ziel einer Nutzung in der Energieversorgung ist man hier wie da noch weit entfernt: Dafür sollte zumindest das Zehnfache der hineingesteckten Energie herauskommen.
Gleichstand der Techniken
Aber: "Die Laserfusion liegt dank des aktuellen Durchbruchs nun mindestens gleichauf mit den Ergebnissen, die am Jet erzielt wurden", urteilt Markus Roth vom Institut für Kernphysik der TU Darmstadt. Der Hochenergielaserexperte kennt als Visiting Professor am LLNL die Daten der Experimente dort genau. Als PhD-Forscher hat er dort für das Experiment selbst Technologien zur Laserverstärkung gebaut, einige Jahre war er hier auch beratend tätig. "Der Vorwurf, dass diese Technik, deren Erforschung erst 30 Jahre nach jener der Magnetfusion begann, nicht funktionieren könne, ist nun endgültig vom Tisch", sagt Roth. Mit seinen eigenen Forschungsarbeiten möchte er als Chefwissenschafter des Start-ups Focused Energy die Laserfusion, die im Kontext der atomaren Rüstung erforscht wird, als zivile Energiequelle nutzbar machen.
In der 2009 fertiggestellten National Ignition Facility – eine Anlage, die drei Fußballfelder aufnehmen könnte – richten sich 192 Hochleistungslaser auf ein kleines Goldröhrchen, in dem sich eine mit Wasserstoff gefüllte Kunststoffkapsel verbirgt. Die Laserstrahlen dringen durch Löcher in den Zylinder ein und verdampfen ihn zu thermischer Strahlung im Röntgenbereich. Das resultierende hochenergetische Strahlungsfeld umgibt nun die Kapsel und lässt diese – möglichst gleichmäßig – implodieren.
Extreme Bedingungen
"Der thermische Druck des Strahlungsfelds beschleunigt das Material der Kapsel von allen Seiten in Richtung ihres Zentrums", beschreibt Roth. Die Konditionen, die diese ungeheure Beschleunigung begleiten, sind extrem. "Im Zentrum wird 1000-fache Festkörperdichte erreicht. Der Wasserstoff wird 20-mal schwerer als Blei", veranschaulicht der Wissenschafter. Die kinetische Energie wird so hoch, dass schließlich im Zentrum der Implosion ein "Hotspot" von über 100 Millionen Grad Celsius erreicht und die Fusionsreaktion gestartet wird.
Der Meilenstein des LLNL ist das Ergebnis eines langen Optimierungsprozesses. "Die Oberfläche der Kapsel wurde extrem glatt gestaltet, damit das Material gleichmäßig nach innen beschleunigt wird", gibt Roth ein Beispiel. "Das Röhrchen, mit dem die Kapsel befüllt wird, hatte schon bisher nur den Durchmesser eines Menschenhaares. Nun wurde es noch einmal um den Faktor 25 verkleinert." Auch die Abfolge der Laserblitze wurde optimiert, um das Strahlungsfeld homogener zu gestalten. In all diesen Bereichen braucht es aber noch weitere substanzielle Verbesserungen, um in den nächsten Jahren einen Energieüberschuss zu erzielen.
Ersatz für Atomwaffentests
Das US-Verteidigungsministerium nutzt derartige Experimente, um Simulationen zu atomaren Explosionen zu ergänzen – ein Ersatz für Atomwaffentests. Roth und sein Team im deutsch-amerikanischen Start-up Focused Energy möchten das Prinzip allerdings so abwandeln, dass es ausschließlich als zivile Energiequelle dienen kann.
Dazu sollte die Fusion allerdings nicht indirekt, vermittelt über Röntgenstrahlung, erfolgen. Der Goldzylinder fällt weg, die Kapsel soll direkt von Lasern getroffen werden. "Wir verdichten die Materie nicht so stark, dass die Fusion selbstständig startet. Dafür wird, ähnlich einer Zündkerze, zusätzlich ein Ultrakurzpluslaser eingesetzt, der eine enorme Energiemenge in extrem kurzer Zeit überträgt und die Fusionsreaktion auslösen kann", erklärt der Wissenschafter.
Zehn Mal pro Sekunde soll so eine Wasserstoffkapsel in den Reaktor geschossen werden, die dann im freien Flug von den Lasern erfasst wird – für Roth ein Szenario, das dank enormer Fortschritte in der Lasertechnik zuletzt in greifbare Nähe gerückt ist. In drei Jahren soll der Bau einer Testanlage starten, in der zumindest im Minutentakt Laserexperimente erfolgen. In aktuellen Anlagen ist der Laser maximal alle 90 Minuten bereit.
Strukturwandel zu Start-ups
Das erst im Juli gegründete Unternehmen gesellt sich zu einer Szene von global derzeit etwa 30 Start-ups im Fusionsbereich. Roth sieht den dahintersteckenden Strukturwandel als Glücksfall: "Es wird massiv von privater Seite in die Fusion investiert. Es entstehen Public-private-Partnerships zwischen öffentlich finanzierten Forschungsprogrammen und Start-ups, die ungeheuer schnell agieren können."
Für Roth ist das der Weg, auf dem die Herausforderung der Kernfusion endlich gemeistert werden kann: eine Aufgabe, an der sich nun bereits mehrere Forschergenerationen abgearbeitet haben. (Alois Pumhösel, 8.9.2021)