Die Kernfusion ist der Versuch der Menschheit, die stärkste Energiequelle in unserem Universum zu kopieren: die Sonne. Die Sonne ist eine natürliche Fusionsfabrik, bestehend aus einem riesigen, brennenden Plasmaball, der jede Sekunde mehrere hundert Tonnen Wasserstoff zu Helium fusioniert und so eine konstante Wärme- und Energiequelle darstellt. Der von Menschen gemachte Kernfusionsprozess versucht, die gleiche Energie zu erzeugen, die auch die Sonne antreibt.

Eine Kernfusion findet statt, wenn zwei oder mehr Atome zu einem größeren verschmolzen werden. Dieser Prozess erzeugt eine enorme Menge an Energie in Form von Wärme, da sich die beiden Teilchen, die zusammengebracht werden, von Natur aus gegenseitig abstoßen.

Die Kernfusion verspricht eine praktisch unbegrenzte Energieform, die im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen keine Treibhausgase freisetzt. Außerdem entstehen bei der Kernfusion im Gegensatz zur heutigen Kernspaltung keine langlebigen radioaktiven Abfälle. Stellen Sie sich eine Welt vor, die mit sauberer, kohlenstofffreier Energie versorgt wird.

Während bei der Fusion zwei oder mehr Atome miteinander verschmelzen, geschieht bei der Spaltung das Gegenteil. Bei der Kernspaltung wird ein größeres Atom in zwei oder mehrere kleinere gespalten, wobei die dabei entstehende Wärme ebenfalls zur Energieerzeugung genutzt wird.

Nach Angaben des Energieministeriums ist die Kernenergie eine emissionsfreie Energiequelle, aber bei der Kernspaltung entstehen radioaktive Abfälle, die sicher gelagert werden müssen und Sicherheitsrisiken bergen, z. B. Kernschmelzen wie in den Reaktoren von Fukushima und Tschernobyl.

Die Kernfusion hingegen birgt nicht dieselben Sicherheitsrisiken wie die Kernspaltung, und die dafür verwendeten Materialien haben eine viel kürzere Halbwertszeit, berichtet CNN.

Die Ausgangselemente für die Kernfusion sind hauptsächlich Deuterium und Tritium – zwei Isotope des Wasserstoffs. Deuterium ist sowohl in Süß- als auch in Salzwasser reichlich vorhanden. Mit dem Deuterium von nur 500 ml Wasser und ein wenig Tritium könnte man ein Haus ein Jahr lang mit Strom versorgen, berichtet CNN. Tritium hingegen ist seltener und schwieriger zu beschaffen, obwohl es synthetisch hergestellt werden kann.

"Im Gegensatz zu Kohle braucht man nur eine kleine Menge Wasserstoff, der im Universum am häufigsten vorkommt", erklärte Julio Friedmann, leitender Wissenschaftler bei Carbon Direct und ehemaliger leitender Energietechniker bei Lawrence Livermore, gegenüber CNN. "Wasserstoff kommt im Wasser vor, sodass der Stoff, aus dem diese Energie erzeugt wird, praktisch unbegrenzt vorhanden und sauber ist."

Die beim Verschmelzen zweier Atome entstehende Wärme kann anschließend genutzt werden, um Wasser zu erwärmen, Dampf zu erzeugen und Turbinen zur Stromerzeugung anzutreiben.

Die Perfektionierung der Kernfusion könnte die Menschheit aus der Klimakrise retten, die wir uns durch unsere übermäßige Nutzung fossiler Brennstoffe selbst zugefügt haben. Eine Sanierung unserer Energiequellen würde hoffentlich die tödlichen Überschwemmungen, hungerverursachenden Dürren, wütenden Waldbrände, tödlichen Hitzewellen und weitere katastrophale Auswirkungen des Klimawandels, die immer mehr Menschenleben gefährden, abmildern.

Wenn wir die Kernfusion beherrschen, gibt es keinen Grund, warum sie nicht einen Großteil der Welt mit Energie versorgen könnte. Ein einziges Gramm Brennstoff als Input kann Berichten zufolge das Äquivalent von acht Tonnen Öl in Fusionsenergie erzeugen – das ist eine Ausbeute von acht Millionen zu eins!

Die größte Herausforderung bei der Nutzung der Fusionsenergie besteht darin, sie lange genug aufrechtzuerhalten, um Stromnetze und Heizungssysteme mit Hilfe von Kraftwerken betreiben zu können. Der Durchbruch in den USA ist wichtig, aber die erzeugte Energie ist immer noch viel zu gering, um auch nur ein einziges Kraftwerk zu betreiben.

"Das entspricht in etwa dem, was man braucht, um 10 Kessel Wasser zum Kochen zu bringen", erklärte Jeremy Chittenden, Co-Direktor des Zentrums für Trägheitsfusionsstudien am Imperial College in London, gegenüber CNN den Nettoenergiegewinn bei diesem bahnbrechenden Experiment. "Um das in ein Kraftwerk umzuwandeln, müssen wir einen größeren Energiegewinn erzielen – es muss wesentlich mehr sein."

In den USA, im Vereinigten Königreich und in Europa wird an mehreren Fusionsprojekte gearbeitet. In Frankreich ist das Projekt Internationaler Thermonuklearer Versuchsreaktor (ITER) angesiedelt, an dem 35 Länder im Rahmen des bisher ehrgeizigsten Energieprojekts zusammenarbeiten. Die wichtigsten ITER-Mitglieder sind China, die USA, die Europäische Union, Russland, Indien, Japan und Südkorea.

Im Vereinigten Königreich und im Rahmen des ITER-Projekts in Frankreich arbeiten Wissenschaftler mit Tokamaks, riesigen donutförmigen Maschinen, die mit riesigen Magneten ausgestattet sind. Nachdem eine kleine Menge Brennstoff in den Tokamak gegeben wurde, werden die Magneten eingeschaltet und die Temperatur im Inneren unglaublich hochgefahren, um Plasma zu erzeugen, das oft als vierter Aggregatzustand der Materie bezeichnet wird. Plasma ist eine Materie, die so heiß ist, dass die Elektronen aus den Atomen herausgerissen werden und ein ionisiertes Gas bilden, wie eine Suppe, die elektrisch geladen ist, so das Plasma Science and Fusion Center.

Durch die Erhöhung der Temperaturen im Tokamak auf unvorstellbar hohe Werte – das Plasma muss mindestens 150 Millionen Grad Celsius erreichen – werden die Teilchen des Brennstoffs zur Verschmelzung gezwungen. Bei einer so hohen Temperatur entkommen die Neutronen dem positiv geladenen Plasma und treffen auf eine "Decke", die die Wände des Tokamaks auskleidet, und geben ihre kinetische Energie als Wärme ab.

Es ist schwer zu begreifen, wie viel Hitze der Tokamak enthalten muss, aber als Anhaltspunkt: 150 Millionen Grad Celsius sind etwa 10 Mal heißer als der Kern der Sonne. Wie kann so etwas also auf der Erde existieren? Fusionsenergie-Wissenschaftler und -Ingenieure haben diese Hürde bereits auf beeindruckende Weise überwunden, indem sie riesige Magnete konstruiert haben, die ein starkes Magnetfeld erzeugen, das die Hitze in sich birgt. Jedes andere Material würde leicht schmelzen.

Im Februar 2022 gaben britische Wissenschaftler bekannt, dass sie in einem Tokamak einen Rekord von 59 Megajoule an Fusionsenergie erzeugt und fünf Sekunden lang aufrechterhalten haben – der höchste jemals erzeugte Energieimpuls. Obwohl die Energie nur ausreichte, um ein Haus einen Tag lang mit Strom zu versorgen, und mehr Energie in den Prozess hineinging als herauskam, war dies historisch, weil es bewies, dass es tatsächlich möglich war, die Kernfusion auf der Erde zu erhalten.

Im Mai 2022 berichtete CNN, dass der neue Tokamak des ITER 23.000 Tonnen wiegen wird, was drei Eiffeltürmen entspricht. Er wird aus einer Million Komponenten bestehen, die wiederum in 10 Millionen kleinere Teile unterteilt sind, und einige der größten je geschaffenen Magneten enthalten – einige mit einem Durchmesser von bis zu 24 m.

Die Suche nach Fusionsenergie begann in den 1930er-Jahren mit verschiedenen Maschinen, die im Laufe der Jahrzehnte getestet wurden, aber erst mit dem in der Sowjetunion entwickelten Tokamak gelang es 1968, die für das Plasma erforderlichen hohen Temperaturen und Einschlussverfahren zu erreichen. Der Tokamak wurde schnell zu der Maschine, die es zu kopieren galt, und sogar sein Name stammt aus dem Russischen (ein Kofferwort für "toroidaler magnetischer Einschluss").

Die erste Demonstration der Kernfusion, die Wasserstoffbombe, wurde vom Militär durchgeführt. Die Isotope der Wasserstofffusionsreaktion wurden um eine normale Spaltbombe herum platziert, deren Explosion die für den Fusionsprozess erforderliche Energie freisetzte. Da die Bombe etwa 1.000 Mal so stark war wie eine gewöhnliche Atombombe, stieß sie in der Öffentlichkeit auf wenig Begeisterung für die Kernfusionsforschung.

Der Umgang mit den politischen, ideologischen und wirtschaftlichen Beziehungen der Mitgliedsländer war eine der größten Herausforderungen des ITER, insbesondere in Bezug auf Russland, ein Fall, der sich mit der Invasion in der Ukraine noch verschlimmert hat. Russland stellt dem ITER viele Mittel und sogar einen der großen Magneten für den neuen Tokamak zur Verfügung. Der Kommunikationschef von ITER, Laban Coblentz, erklärte: "ITER ist wirklich ein Kind des Kalten Krieges. Es ist eine bewusste Zusammenarbeit von Ländern, die ideologisch nicht miteinander verbunden sind, die aber ein gemeinsames Ziel für eine bessere Zukunft haben."

In den USA findet ein Großteil der Kernfusionsarbeiten in der National Ignition Facility statt, wo ein Verfahren namens "thermonukleare Trägheitsfusion" angewandt wird. Wie CNN berichtet, feuern die Wissenschaftler im Wesentlichen Pellets mit Wasserstoffbrennstoff in eine Reihe von 192 Lasern, die eine Reihe von schnellen, wiederholten Explosionen mit einer Geschwindigkeit von 50 Mal pro Sekunde erzeugen.

Mit Hilfe von Lasern können die Wissenschaftler das Wasserstoff-Isotopengemisch in Schwung bringen und so die notwendige Energie für die Fusion bereitstellen, wobei das Problem der Einschließung umgangen wird. Allerdings stellt dieses Verfahren ein weiteres Problem dar, wenn es darum geht, die Laser selbst vor der Fusionsreaktion zu schützen.

Obwohl es noch ein weiter Weg ist, bis die Kernfusion kommerziell verfügbar ist, konnten die Wissenschaftler mit diesem Durchbruch zum ersten Mal zeigen, dass sie mehr Energie erzeugen können als zu Beginn – eine wesentliche Voraussetzung für eine potenzielle kommerzielle Energiequelle.

Die Experten müssen nun nicht nur herausfinden, wie die Energie in größerem Maßstab erzeugt werden kann, sondern auch, wie die Kosten der Kernfusion so gesenkt werden können, dass eine kommerzielle Nutzung sinnvoll ist. Jedes Experiment kostet viel Zeit und Geld, und selbst ein einziger Tag Verspätung bei ITER kostet Berichten zufolge über 1 Million US-Dollar.

Berichten zufolge trägt die Europäische Union 45 % der Baukosten von ITER, und die anderen Mitgliedsländer tragen schätzungsweise jeweils etwas mehr als 9 % bei. Die Baukosten wurden ursprünglich auf 6,4 Mrd. USD geschätzt, haben sich aber inzwischen mehr als verdreifacht.

Es kann noch Jahrzehnte dauern, bis die Wissenschaftler es schaffen, die Energie aus einer Fusionsreaktion langsam genug freizusetzen, damit sie als Strom ins Netz eingespeist werden kann. Einige von uns werden die Fähigkeit der Kernfusion, unbegrenzte Mengen sauberer Energie zu erzeugen, vielleicht nicht mehr erleben, und die Wissenschaftler kämpfen natürlich auch gegen den Klimawandel.

Der weltweite Energieverbrauch, der zu 80 % aus fossilen Brennstoffen stammt, hat sich seit 1973 mehr als verdoppelt und könnte er sich bis zum Ende des Jahrhunderts sogar verdreifachen. Die Kernfusion könnte die rettende Gnade sein, die uns von den Fesseln fossiler Brennstoffe wie Kohle, Öl und Gas befreit, die uns in die tiefste existenzielle Krise der Menschheit gestürzt haben.

Quellen: (Dummies) (CNN) (MIT Plasma Science and Fusion Center)

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