Ein deutsches Unternehmen will das Geheimnis nutzbarer Kernfusion entschlüsselt haben – schon in wenigen Jahren soll ihr Reaktor Strom ins Netz einspeisen

Ganz so futuristisch schauen Stellatoren noch nicht aus, aber selbst die heute schon real existierenden, wie der Wendelstein 7-X wirken dennoch wie aus einem Science-Fiction-Roman. Stellaris soll das nächste Kapitel schreiben. (Bildquelle Adobe Firefly, KI-generiert)

Sind wir Zeuge eines Energie-Märchens des 21. Jahrhunderts? Die Zutaten für ein Kernfusions-Wunder wären vorhanden: Forschung an den Grenzen der Physik, ein Durchbruch dank künstlicher Intelligenz, das junge Start-up als Held, Unkrufe von etablierten Forschern und am Ende dann doch das Happy End: Anfang der 2030er geht das erste Fusionskraftwerk weltweit ans Stromnetz, sein Name: Stellaris.

Wir erläutern, was Stellaris sein soll und wie genau der, schon lang gejagte Traum »Kernfusion« zu einer Realität in unser aller Leben werden soll.

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Aus der Simulation zu Alpha und dann Stellaris

Proxima Fusion gründete sich aus dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) aus. Das ist ein typisches Vorgehen, wenn Konzepte aus der Wissenschaft kommerziell realisiert werden sollen.

Allerdings ist das Münchner Unternehmen die erste Ausgründung im Falle des IPP, deren berühmtestes Projekt der Wendelstein 7-X Testreaktor in Greifswald ist.

Stellaris basiert auf ihm, es handelt sich ebenfalls um einen Stellarator. Er ist laut Proxima jedoch über alle Typen hinweg der weltweit erste von Experten geprüfte Entwurf eines Reaktors für ein kommerzielles Fusionskraftwerk. Abseits von ehemaligen IPP-Wissenschaftlern stieß inzwischen Personal von Google, Tesla, dem McLaren-Formel-1-Team sowie von SpaceX hinzu.

Die drei grundsätzlichen Ansätze für Kernfusionskraftwerke:

Wir kennen drei große Zweige, auf denen parallel Kernfusionsforschung läuft:

• Tokamak
• Stellarator
• Trägheitsfusion

Abseits von dem, was sie voneinander trennt, haben sie eines gemeinsam: Sie erhitzen mittels gewonnener Hitze Wasser, der Dampf treibt eine Turbine an und diese erzeugt elektrischen Strom, der ins Netz fließt. Auf den letzten Metern auf ihrem Gelände machen Fusionskraftwerke nichts anderes als Kohle-, Gas oder Atomkraftwerke.
Nur ziehen sie die Hitze nicht aus der Verbrennung chemisch gebundener fossiler Energie (Kohle und Gas) oder aus der Spaltung von sehr schweren Kernen (Atomkraftwerke).

Stattdessen verschmelzen bei der Kernfusion zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren. Meistens die zweier Wasserstoffatome, woraus einmal Helium entsteht. Dabei wird vorrangig Energie in Form von Neutronen freigesetzt. Dieser Prozess geschieht in einem sogenannten Plasma.

Plasma nennt sich der vierte Grundzustand von Materie (fest, flüssig, gasförmig, Plasma). Es wird gebildet, in dem sich Gas stark aufheizt. Sobald die Kernfusion läuft, hält diese das Plasma selbst auf Temperatur, aber zum Anlaufen braucht es von außen zugeführten Strom. Die Erhitzung kann durch verschiedene Prozesse geschehen, zum Beispiel Mikrowellenstrahlung.

Tokamak: Sie stellen den ältesten und bis heute am besten erforschten Ansatz dar. Donut-förmig angeordnete Magnete umschließen eine Reaktionskammer. In der Mitte des Donut-Rings steht ein Transformator. Dieser ruft einen Strom durch das in der Kammer erzeugte Plasma hervor. Nur dank dieser zwei miteinander interagierenden Systeme (Transformator plus äußere Magnetspulen) kann die extrem heiße Masse in einem Zustand gehalten werden, der es erlaubt, Wasserstoffatome miteinander zu fusionieren.

Der ITER-Tokamak. Das Plasma umströmt in dem donut(torus)förmigen Ring den durch Schutzwände im Zentrum abgeschirmten Transformator. Bildquelle: US ITER

Das Problem: Der Transformator muss regelmäßig abgeschaltet werden. Für einen Dauerbetrieb sind Tokamaks deshalb ungeeignet – sie werden selbst im industriellen Betrieb noch zu definierende Pausen brauchen.

Stellarator: Anstatt in einer regulären Kammer fließt das Plasma, durch einen engen, ebenfalls annähernd donutförmigen Tunnel, der jedoch verdreht ist. Das Plasma windet sich quasi rasend schnell. Sein Einschluss und die Kontrolle erfolgt durch ein einzelnes Magnetfeld, das durch ringförmige Magneten gebildet wird. Im Gegensatz zum Tokamak fließt kein Strom durch das Plasma selbst, da die komplexe Anordnung der außen liegenden Magnete die Arbeit alleine verrichten können. Ein Stellarator kann ununterbrochen laufen, es gibt keine vom Design erzwungene Notwendigkeit zur zwischenzeitlichen Abschaltung. Er kann per Design dauerhaft Strom produzieren.

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Doch die dreidimensionale, asymmetrische Anordnung stellte sich als ein mathematisch-physikalisches Monstrum heraus. Erst Supercomputer vermochten die nötigen Berechnungen auszuführen. Daher konnte selbst der theoretische Entwurf von Reaktoren des Typs Stellarator erst spät im 20ten Jahrhundert erfolgen. So hinken sie auf ihrer Entwicklungsachse etwas hinter den Tokamaks her – sind aber nach Meinung vieler Experten der geeignetere Kandidat für Kraftwerke.

Trägheitsfusion: Hierbei werden Geschosse oder starke Laser auf einen winzigen Punkt abgefeuert. An diesem befindet sich im Inneren einer Reaktionskammer eine winzige Menge Treibstoff (Wasserstoff) in Form eines Pellets. Die in Mikrosekunden auftreffende bzw. einschlagende Energie führt zu einer extremen Verdichtung, was wiederum die Fusion in Gang setzt. Allerdings muss dieser Vorgang oft und regelmäßig wiederholt werden, um kontrolliert über längere Zeiträume Energie zu erzeugen. Im Prinzip sammeln wir hier quasi die Energie von explodierenden Miniatur-Wasserstoffbomben ein.

Wichtige Meilensteine wurden zuletzt auch bei Tokamaks sowie im Feld der Trägheitsfusion erreicht:

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Im Zentrum des Fortschritts von Wendelstein zum neuen Stellarator von Proxima Fusion stehen folgende Facetten:

• ein Magnetfelddesign, das alle wichtigen physikalischen Optimierungsziele für die Energieerzeugung erfüllt.
  • Zum Einsatz kommen Hochenergie-supraleitende Magneten, die aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit kleiner ausfallen können. Dies komme der geringeren Größe sowie der feinst-austarierbaren Konstruktion der Magnetfeldspulen zugute.
• Stützstrukturen, die den bei voller Leistung auftretenden Kräften standhalten können

3D-Schnitt Draufsicht und Detailansicht des Plasmakanals

Der Stellaris-Entwurf: Rosa eingefärbt im Innersten liegt der Kanal für das Plasma. Seine unregelmäßige, sich windende Form ist kein Zufall, sondern bis auf den Bruchteil eines Millimeters berechnet. Außen herum sind Abschirmungen sowie die Magnetspulen installiert. (Bildquellen: Proxima Fusion)

Möglich sei dieser Entwicklungsschritt erst durch Künstliche Intelligenz, da herkömmliche Rechenmodelle selbst auf Supercomputern an ihre Grenzen stießen. Dabei setze Stellaris aber ausschließlich auf bereits vorhandene Materialien, deren Einkauf auf bereits etablierten Wegen vonstattengehen könne.

Um die Funktionsfähigkeit ihres Konzeptes zu demonstrieren, soll als Zwischenziel ein Demonstrator namens Alpha entstehen. 2031 soll er im Testbetrieb als erste Anlage der Geschichte im Dauerbetrieb mehr Strom erzeugen als für Zündung und Betrieb hineingesteckt wird.

Hierauf folge dann der Bau des ersten Kraftwerks, also dem eigentlichen Stellaris. Als Zeitraum für dessen Anschluss ans Stromnetz werden die 2030er genannt.

Zweifel an schnellen Erfolgen

Unabhängig von Stellaris, mehr generell auf das gesamte Feld der Kernfusion gemünzt, melden viele Wissenschaftler Zweifel an, was den raschen Einsatz von Kernfusion angeht. So haben wir zum Beispiel in einem umfangreichen Artikel Aussagen von Josef M. Gaßner zusammengefasst, der sich abgefunden habe, die kommerzielle Kernfusion nicht mehr mitzuerleben.

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Meinung der Redaktion: Es gehört leider seit Jahrzehnten zum Alltag der Fusionsforschung, voran-, aber bisher nie anzukommen. Das erste Kraftwerk am Netz war und ist immer nur einige Jahre entfernt. Ich halte es aber für denkbar, dass Stellaris als Auskopplung eines der fortschrittlichsten Testreaktoren der Menschheit, Wendelstein 7-X, das Potenzial hat, schneller am Netz zu sein als Tokamak-Kraftwerke. Die Gründe hierfür sind vielfältig, Josef M. Gaßner nennt im obigen Artikel die wichtigsten.

Proxima Fusion sollte als Start-up wendiger und reibungsloser arbeiten können als große Verbünde über Kontinente hinweg. Doch trifft das weltweit betrachtet auch auf Dutzende weitere und ältere Unternehmen zu. Und bisher ist keinem von ihnen der große Wurf gelungen. Sobald das Werkstück die Simulation verlässt und in echt Gestalt annimmt, zeigten sich bisher immer Herausforderungen, die eher Jahrzehnte als Jahre erfordern, um überwunden zu werden.

Gelänge es den Münchnern, ihren Zeitplan auch nur annähernd einzuhalten, erlebten wir ein deutsches Industrie-Märchen. Dies würde indes allemal unsere Rolle als Vorreiter für nachhaltige Technologien im 21. Jahrhundert untermauern – selbst wenn wir bis in die 2040er warten müssen.