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Die „Fridays for Future“ Demonstrationen erreichen immer neue Höhepunkte, die Grosse Koalition in Deutschland beschliesst ein Multi-Milliarden-Klimapaket, und auf dem globalen Klimagipfel in New York profilieren sich Regierungsvertreter und Vorstandschefs multinationaler Konzerne mit ihren PR-Strategen neuerdings als wohlmeinende Klimaschützer. Es scheint, dass die Frage unserer zukünftigen Energieerzeugung und ihre schädlichen Ausstösse endlich auch im Zentrum der öffentlichen Aufmerksamkeit und Auseinandersetzung angekommen sind.

Und just zu dieser Zeit, noch ohne, dass dies eine grosse öffentliche Aufmerksamkeit erhält, machen die Wissenschaftler auf einem Gebiet Fortschritte, das die Probleme der globalen Energieversorgung ein für alle Mal lösen könnte: die friedliche Nutzung der Kernfusion. Dabei geht es um nichts weniger als den Traum unbegrenzte, saubere und sichere Energie aus der thermonuklearen Fusion von Atomkernen einzulösen, dieselbe, die unsere Sonne und die Sterne antreibt.

Die Geschichte der Kernfusionsforschung ist bereits 80 Jahre alt. Seit den 1930er Jahren wissen Physiker, dass unter sehr hohem Druck und hoher Temperatur Wasserstoffkerne zu Helium-Atomkernen verschmelzen – und, dass es dieser Mechanismus (sowie die Fusion grössere Atomkerne) ist, der es der Sonne ermöglicht, ihre enormen Mengen an Energie zu erzeugen. Die bei diesem Prozess freiwerdenden Energiemengen sind weitaus höher als beim bereits seit mehr als 60 Jahren in Kernkraftwerken verwendeten umgekehrten Vorgang, bei dem schwere Atomkerne gespalten werden. Der Grund für den Energiegewinn liegt darin, dass bei der Fusion von leichten Atomkernen ein klein wenig Masse verloren geht. Dieser Massendefekt manifestiert sich direkt in der (kinetischen) Energie der erzeugten Teilchen. Nach Einsteins berühmter Formel E=mc² ist diese Energie selbst bei der geringen Menge an verloren gegangener Masse enorm: Denn diese Masse (m) wird mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit (c²) multipliziert.

Bereits in den frühen 1940er Jahren entwickelten der amerikanische Forscher (und spätere Vater der Wasserstoffbombe) Edward Teller und der Italiener Enrico Fermi (der 1941 auch die erste kontrolliere Kernspaltung durchgeführt hat) erste Ideen zur Stromerzeugung durch kontrollierte Kernfusion. Ihr Grundkonzept ist bis heute die Basis für die Kernfusionsforscher: Ein Deuterium-Tritium-Plasma (Deuterium und Tritium sind Isotope des Wasserstoff, d.h. ein Proton zusammen mit einem bzw. zwei Neutronen) wird in einer Art Mikrowelle auf mehrere Millionen Grad erhitzt und dann mithilfe eines Magnetfelds eingeschlossen und kontrolliert (ein solches Plasma besteht aus geladenen Teilchen und lässt sich daher über Magnetfelder steuern). Ab einer Temperatur von ca. 100 Millionen Grad zündet das Gemisch und setzt die Fusionsenergie frei (wobei die konkrete Zündungstemperatur von der Teilchendichte des Plasmas abhängig ist).

In Anbetracht der praktisch unbegrenzten Möglichkeiten der Kernfusion ist es schwer, nicht ins Schwärmen zu geraten. Die aus der thermonuklearen Fusion abgegebene Energie ist sicher, kohlenstofffrei und ihre Ausgangsprodukte sind reichlich vorhanden. Der Primärbrennstoff – in der einfachsten Version Wasserstoffisotope – befindet sich im normalen Meerwasser. Ein Kilogramm davon reicht aus, um eine ganze Stadt sehr lange mit Energie zu versorgen. Ein funktionierender Reaktor würde nur fünf Kilogramm Wasserstoff benötigen, um das Energieäquivalent von 18.750 Tonnen Kohle, 56.000 Barrel Öl oder die jährliche Energiemenge von 755 Hektar Sonnenkollektoren zu erzeugen. Leider ist ein 100 Millionen Grad heisses Gemisch von Wasserstoffkernen derart schwierig zu kontrollieren, dass ein altbekannter Witz unter Physikern lautet, dass Kernfusion die meistversprechende Technologie der Zukunft ist – und dies auch ewig bleiben werde. Denn das ultra-heisse Plasma muss in Schach gehalten werden, da es bei Berührung mit der „äusseren Welt“ (z.B. den Behälterwänden) sofort wieder abkühlt, womit im gleichen Moment die Fusion unterbrochen wird. Dazu entwickeln Forscher und Ingenieure enorm starke Magnetfelder. Doch diese sowohl in hoher Leistung als auch grosser Präzision aufrecht zu erhalten, ist die technologische Herausforderung, die gemeistert werden muss und an der Top-Wissenschaftler in aller Welt bereits seit Jahrzehnten arbeiten. Bisher tun sie das mit mässigem Erfolg – dafür mit aber umso höheren Kosten. Mit projizierten Gesamtkosten von über 20 Milliarden Euro und von einigen Experten sogar geschätzten 60 Milliarden Euro soll der von einem internationalen Konsortium finanzierte Versuchsreaktor ITER im französischen Cadarache ab 2030 mit ersten Ergebnissen aufwarten (es ist das mit Abstand teuerste Experiment der Wissenschaftsgeschichte). Frühestens ab 2040 wird mit einem nennenswerten Netto-Strom-Output gerechnet.

Dabei haben die Plasma- und Kernfusionsforscher bei all den Kosten und dem langen Zeitraum, die ihr Experiment veranschlagt, ein Problem noch überhaupt nicht auf ihrem Schirm. Die Deuterium-Tritium-Fusionsreaktion produziert Neutronen mit der sehr hohen Energie von 14.1 MeV. Da sie elektrisch neutral sind und daher nicht von Magnetfeldern beeinflusst werden, treffen diese Neutronen in grosser Zahl und hoher Geschwindigkeit frontal auf das Mantelmaterial des Reaktors, was enorme Schäden an diesem verursacht. Bereits nach ein bis zwei Jahren muss der Mantel daher ausgetauscht werden, was die Betriebskosten eines Fusionsreaktors schnell in nicht-akzeptable Höhen treiben würde. Zudem werden durch die Neutronen-Bombardierung im Mantelmaterial radioaktive Nuklide gebildet, was radioaktive Abfälle entstehen lässt und damit die Entsorgung des Mantels noch einmal teuer macht. So wird längst der Ruf nach einer Alternative für die Deuterium-Tritium Reaktion laut, die dieses Problem nicht hat. Der nächstmögliche Kandidat ist die Bor-Proton Reaktion. Sie ist „sauber“, denn aus ihr entstehen drei Heliumkerne, die keine grösseren Einflüsse auf ihre Umgebung haben. Ihr Problem: Sie benötigt ca. 30-mal höhere Plasmatemperaturen, um zu zünden!

Neben dem mit massiven öffentlichen Geldern geförderten Mammutprojekt haben sich unterdessen auch einige privat finanzierte Unternehmen der Fusionsforschung verschrieben. Sie gehen dabei allerdings andere Wege als die ITER-Forscher. Mit alternativen und sehr viel kleineren Reaktortechnologien wollen sie bereits in den nächsten Jahren Strom aus Fusion gewinnen, und damit weit früher als ITER. Hier bahnt sich ein öffentlich-privater Wettlauf um die beste Lösung für die Fusionstechnologie an. Wie fruchtbar ein solcher Wettlauf sein kann und wie beschleunigend er wirken kann, hat uns vor fast 20 Jahren das Beispiel des Human-Genom-Projekts gezeigt.

Statt wie mittelalterliche Scholastiker auf den einen einzig wahren (und sehr teuren) Weg zu setzen (grossräumiges Plasma, das mit gigantischen supraleitenden Magneten zusammengehalten wird), zeigen sich diese Unternehmen sehr viel flexibler auf ihrem Weg, den Jackpot eines funktionsfähigen Reaktors zu gewinnen. Sie gehen dabei einer ganzen Vielzahl verschiedener Ideen nach, um daraus einen funktionierenden Weg zu finden. Sie setzen darauf, dass sich die Fehler und unüberwindlichen Hindernisse in diesen Ideen sehr viel schneller finden lassen als in ein paar Jahrzehnten und bevor Milliarden von Dollar verbrannt worden sind. So könnte sich im Dickicht der Probleme, ein ultraheisses Plasma zusammenzuhalten, vielleicht schon bald ein gangbarer Weg aufzeigen. Und tatsächlich haben diese privaten Unternehmen mit ein paar zahlungskräftigen Investoren im Rücken in den letzten Monaten und Jahren beachtliche Fortschritte gemacht, die in der Öffentlichkeit weitestgehend unbemerkt blieben.

Es gibt für die Physiker und Ingenieure eine ganze Reihe verschiedener Möglichkeiten, um zum Ziel einer kontrollierten Kernfusion zu gelangen. Im Wesentlichen kommt es dabei auf drei Variablen an: die Temperatur (bzw. Geschwindigkeit oder Energie der Teilchen im Plasma), die Dichte des Plasmas (Anzahl der Teilchen pro Volumen) und die Einschlusszeit (wie lange das Plasma zusammen bleibt). Ab einer kritischen Temperatur, die notwendig ist, damit die positiv geladenen Atomkerne die elektrische Abstossungskraft überwinden können (bei der Deuterium-Tritium Reaktion die erwähnten 100 Millionen Grad), ist dann nur noch das Produkt von Dichte und Einschlusszeit wichtig. Nach einer Daumenregel muss ihr Produkt grösser als 1014 Sekunden pro Kubikzentimeter sein. Dabei ist es unwesentlich, ob die Dichte niedrig ist und die Einschlusszeit hoch (wie bei ITER, wo die langen Einschlusszeiten viel Aufwand – und damit Kosten – bedeuten) oder die Einschlusszeit sehr kurz und dafür die Dichte sehr hoch (wie bei LIFE – Laser Inertial Fusion Energy – einem anderen mit öffentlichen Geldsummen finanzierten Projekt, das unterdessen erfolglos beendet wurde: hier sollten die sehr hohen Dichten mit starken Laserpulsen erreicht werden). Tatsächlich liegt in der Mitte zwischen diesen beiden Extremen, d.h. im Bereich mittlerer Einschlusszeiten und mittlerer Dichten, eine sehr grosse Spielwiese, die von den öffentlich finanzierten Projekten bisher weitestgehend leergelassen wurde. Doch nach Ansichten vieler Plasmaphysiker bieten sich gerade hier die aussichtsreichsten Möglichkeiten für eine kontrollierte Kernfusionsreaktion.

Klar ist allen Beteiligten: Der Weg zu einem funktionsfähigen Fusionsreaktor führt nicht über grundlegend unbekannte Physik. Vielmehr ist er primär eine Frage guter ingenieurtechnischer Arbeit. Und gerade hier haben die privaten Firmen in den letzten paar Jahren bedeutende, ja vielleicht sogar entscheidende Fortschritte gemacht. Davon konnte sich der Autor dieser Zeilen kürzlich bei einem Besuch bei einer dieser Firmen persönlich überzeugen. Zunächst lesen sich diese Fortschritte als eher unspektakulär: Die Eigenschaften des Plasmas, die die Einschlusszeiten bestimmen (die so genannten „containment-Parameter“) erweisen sich bei höheren Temperaturen als günstiger als bei niedrigen Temperaturen! Genau diese Erkenntnis könnte sich jedoch als entscheidend auf dem Weg zu einem funktionsfähigen – und kommerziell realisierbaren – Fusionsreaktor erweisen. Denn klar ist: Aufgrund der beschriebenen Probleme mit den dabei entstehenden schnellen Neutronen wird die Deuterium-Tritium Reaktion höchstwahrscheinlich nie kommerziell nutzbare Fusionsenergie liefern. So brauchen wir zuletzt die viel höheren Temperaturen beispielsweise der Bor-Proton-Reaktion. Dass die privaten Formen auf ihrem Weg auf renditehungriges Risikokapital angewiesen sind, könnte sich als ein entscheidender Vorteil erweisen. Denn diese Firmen können es sich schlicht nicht leisten, sich grossen (d.h. teuren), langfristigen und komplett ungetesteten Projektplänen hinzuwenden (bei denen dazu noch ein wesentliches Problem ausgeklammert bleibt). Vielmehr müssen sie immer wieder neu entscheiden und vor ihren Aktionären rechtfertigen, welche nächsten Schritte sie unternehmen. In Anbetracht der beschriebenen Natur der Probleme bei der Fusionstechnologie könnte sich eine solch pragmatische Vorgehensweise als weitaus angemessener erweisen, als das Wetten auf eine einzige grandiose Idee.

Kommerziell verfügbare Fusionstechnologie, stände sie uns eines Tages tatsächlich zur Verfügung, würde einen gesellschaftlichen Paradigmenwechsel bedeuten. Wären wir tatsächlich in der Lage, Energie wie die Sonne zu produzieren und uns damit Zugang zur effizientesten, sichersten und umweltfreundlichsten Energieform, die die Natur bietet zu verschaffen, so wäre dies sicher nicht nur ein weiterer grosser technologischer Fortschritt, sondern vielmehr ein zivilisatorischer Sprung, der gleichzusetzen wäre mit der Erfindung der Dampfmaschine, die uns vor 250 Jahren die Energie gab, unsere Gesellschaft komplett umzukrempeln.


The „Fridays for Future“ demonstrations are reaching new climaxes, the coalition in Germany decides on a multi-billion climate package, and at the global climate summit in New York government representatives and CEOs of multinational corporations and their PR strategists are trying to make a name for themselves as well-meaning climate protectors. It appears that the question of our future energy production and its harmful waste has finally reached the center of public attention and debate.

And it is precisely at this time, without this receiving much public attention, that scientists are making progress in an area that could solve the problems of global energy supply once and for all: the peaceful use of nuclear fusion. This is about nothing less than finally fulfilling the dream of unlimited, clean and safe energy from the thermonuclear fusion of atom nuclei, the very same that supplies our sun and stars with seemingly endless amounts of energy.

The history of nuclear fusion research is already 80 years old. Since the 1930s, physicists have known that under very high pressure and high temperature, hydrogen nuclei fuse into helium nuclei – and that it is this mechanism (as well as the fusion of higher nuclei) that enables the sun to generate its energy. The energies that are thus released are much higher than in the reverse process, in which heavy atomic nuclei are split, which nuclear power plants have used for more than 60 years. The reason for the energy gain is that during the fusion of light atomic nuclei leads to a loss of a small amount of mass. This mass defect manifests itself directly in the (kinetic) energy of the particles produced. According to Einstein’s famous formula E=mc² even with the low amounts of lost mass this energy is enormous: Because this mass (m) is multiplied by the square of the speed of light (c²).

As early as in the early 1940s, the American researcher (and later father of the hydrogen bomb) Edward Teller and the Italian Enrico Fermi (who was the first to perform controlled nuclear fission) developed first ideas for power generation on the basis of controlled nuclear fusion. Their basic concept remains the basis for nuclear fusion researchers today: a deuterium-tritium plasma (deuterium and tritium are isotopes of hydrogen, i.e. a proton is joined by one, respectively two neutrons) is heated to several million degrees in a kind of microwave and then enclosed and controlled by means of a magnetic field (such a plasma consists of charged particles and can therefore be controlled by such fields). As of a temperature of about 100 million degrees the mixture ignites and releases the fusion energy (in fact, the precise ignition temperature depends on the particle density of the plasma).

It is difficult not to fall into ecstatic excitement in view of the practically unlimited possibilities of nuclear fusion. The energy thus released is safe, carbon-free and its required initial materials are abundantly available. The primary fuel – hydrogen isotopes – can be found in normal ocean water. One kilogram of the deuterium-tritium mix is enough to supply an entire city with energy for a very long period. A functioning reactor would only need five kilograms of hydrogen to produce the energy equivalent of 18,750 tons of coal, 56,000 barrels of oil or the amount of energy 755 hectares of solar collectors produce in one year. Unfortunately, a 100 million degree hot mixture of hydrogen nuclei is so difficult to control that a well-known joke among physicists is that nuclear fusion is the most promising technology of the future – and will remain so forever. The reason for that is that the ultra-hot plasma must be kept under control, since it immediately cools down upon contact with the „outer world“ (e.g. the container walls), which interrupts the fusion instantly. To this end, researchers and engineers are developing enormous magnetic fields. But to maintain these fields with high performance and at the same time great precision is the technological challenge that must be mastered and on which top scientists all over the world have been working for decades. So far, they have done so with only moderate success – and this at very higher costs. The total projected costs of them main thermonuclear experiment today stands at over 20 billion euros to date and will go as high as 60 billion euros according to some experts (it is already the by far most expensive experiment in the history of science). The ITER experimental reactor is being financed by an international consortium and built in the French town of Cadarache. It is expected to produce its first results from 2030 onwards. However, nobody expects a net electricity output before 2040 at the earliest.

However, despite all these tremendous costs and the long time horizon their experiments entails the nuclear fusion researchers at ITER do not yet have a particular problem on their screens. The deuterium-tritium fusion reaction produces neutrons of very high energy (14.1 MeV). Since they are electrically neutral and are therefore not influenced by magnetic fields, these neutrons collide in large numbers at very high speeds with the material of the reactor’s container, causing enormous damage to it. After only one or two years, the container will thus have to be replaced, which would pushes the operating costs of a fusion reactor to unacceptable heights. In addition, the neutron bombardment in the container material creates radioactive nuclides, which generates radioactive waste and thus makes the disposal of the material yet more costly. The call for an alternative for the deuterium-tritium reaction, which does not have this problem, has been made by experts years ago. The next possible candidate is the boron-proton reaction. It is „clean“ as it produces three helium nuclei that have no major influence on their environment. Its problem: It requires about 30 times higher plasma temperatures to ignite!

Next to the government sponsored gigantic project a number of private companies have dedicated themselves to nuclear fusion research and are thereby taking a quite different route than the scientists at ITER. With alternative and much smaller reactor technologies, they want to generate electricity from fusion already in the next few years, thus much faster than ITER. A public-private race for the best fusion technology solution has developed. The example of the Human Genome Project showed us almost 20 years ago how fruitful such a race can be.

Instead of walking along the one and only one true (and very expensive) path like medieval scholastics (large-scale plasma held together by gigantic superconducting magnets), these companies are much more flexible in trying to pick up the jackpot of a functioning fusion reactor. They follow a whole variety of different ideas in order to possibly out of those find one functioning path. They are counting on that possible mistakes and insurmountable obstacles in any of these ideas are found much faster than in a few decades time and before billions of dollars have been burned. Thus in the thicket of problems of holding an ultra-hot plasma together, a viable path might soon emerge. And indeed, these private companies, backed by a few financially strong investors, have in recent months and years made considerable progress, without the public having noticed too much about it.

There are a number of different ways for physicists and electrical engineers to reach their goal of controlled nuclear fusion. Essentially, the problem involves three essential variables: The temperature (or velocity/energy of the particles in the plasma), the density of the plasma (number of particles per volume) and the inclusion time (how long the plasma is held together). As of a critical temperature, which is necessary for the positively charged atomic nuclei to overcome the electrical repulsion force (in the deuterium-tritium reaction the mentioned 100 million degrees) only the product of density and inclusion time is important. According to a rule of thumb, their product must be greater than 1014 seconds per cubic centimeter. Thereby it does not matter whether the density is low and the inclusion time high (as with ITER, where the long inclusion times mean a lot of effort – and therefore costs) or the inclusion time very short and the density very high (as with LIFE – Laser Inertial Fusion Energy – another project financed with public money, which has been halted in the meantime: here the high densities were to be achieved with strong laser pulses). In fact, in the middle between these two extremes, in the range of medium range inclusion times and medium range densities, lies a very large playground, which has so far been largely left untouched by the publicly financed projects. But in the opinion of many plasma physicists, this is where the most promising opportunities for a controlled nuclear fusion reaction lie.

It is clear to everyone involved: The path towards a functioning fusion reactor does not lead via unknown physics. Rather, it is primarily a question of good engineering work. And it is precisely here where the private companies have made significant, perhaps even decisive, progress in the last few years. During a recent visit to one of these companies the author of these lines was able to see this for himself. At first sight the progress made might not sound that spectacular. The properties of the plasma that determine inclusion times (the so-called “containment parameters”) prove to be more favorable at higher temperatures than at lower temperatures! It is precisely this insight, however, that could prove decisive on the way towards a functional – and commercially viable – fusion reactor. Because one thing is clear: Due to the problems with the resulting fast neutrons described, the deuterium-tritium reaction will most likely never deliver commercially usable fusion energy. We would need the much higher temperatures of for example the boron-proton reaction. The fact that the private companies depend on risk capital that is hungry for returns could in the end prove to be a decisive advantage. These companies simply cannot afford to turn to large (i.e. expensive), long-term and completely untested projects (which on top of that leave one important problem completely unconsidered). Rather, they must always decide step by step which next move to take and justify these in front of their shareholders. In light of the nature of the described problems around thermonuclear fusion technology such a pragmatic approach might prove far more appropriate than betting on a single grandiose idea.

Commercially available fusion technology, if one day it were actually available to us, would represent a social paradigm shift. Were we really able to produce energy like the sun does and thus have access to the most efficient, safest and most environmentally friendly form of energy nature provides, we would certainly experience not only another major technological advance, but rather a leap forward in civilization itself, comparable to the invention of the steam engine that provided the energy for turning the human society upside down 250 years ago.

1 Comments


dr. norbert göke Oktober 19, 2019 5:57 pm

Danke für den realistischen Blick in die Zukunft der Energiegewinnung.
Übrigens auch für den Artikel über die neuen Neuro-Technologien. Als Mediziner war der für mich sehr interessant.

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