Ein Unternehmen tweaked Kernfusions-Reaktoren – aber nicht für Strom, sondern um nebenher tonnenweise Gold zu erzeugen

Kernfusionsreaktoren versprechen aus Sicht vieler Forscher und Ingenieure die Welt zu verändern – ein Unternehmen plant sie dabei auch, um etliche Tonnen Gold zu bereichern. (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI).

Sie könnte ohnehin zur ultimativen Goldgruben des 21. Jahrhunderts werden: Kernfusion als unerschöpfliche und nachhaltige Energiequelle der Zukunft. Nicht nur würde sie viele Probleme lösen, sondern könnte auch den Betreibern von Anlagen dank relativ günstiger Ausgangsstoffe (in der Regel Wasserstoff) ein üppiges Vermögen bescheren.

Ein Start-up nimmt die Idee von sagenhaftem Reichtum durch Kernfusion nun wörtlich: Es will in Zukunft in Fusionsreaktoren Gold herstellen – etliche Tonnen pro Jahr und das ohne den Stromertrag zu schmälern.

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Mittelalterliche Alchemie dank Hightech der Zukunft

Im Mittelalter träumten Alchemisten davon, aus minderwertigen Metallen Gold zu erzeugen – damals als Transmutation bezeichnet. Den Begriff Transmutation gibt es heute noch, er bezeichnet aber die Umwandlung von Elementen, insbesondere in der Kernphysik.

Die Umwandlung zu Gold gelang damals – wenig überraschend – nie. Denn um Gold aus etwas anderem zu erzeugen, müssen wir die Atomkerne verändern. Das überstieg für Jahrtausende jede Möglichkeit der Physik, Chemie oder Ingenieurswissenschaften – bis zur Kernspaltung oder seit Neuestem der Kernfusion.

Am Large Hadron Collider (CERN) verwandelten Wissenschaftler aus Versehen Blei in Gold. Auch hier bewiesen Maschinen eine Kraft, die im 19. Jahrhundert noch als Zauberei gegolten hätte: Sie ließen mit immenser Wucht Bleiatome in einem 27 Kilometer langen Teilchenbeschleuniger miteinander kollidieren, das Ergebnis war kurzlebiges Gold.

Das Start-up Marathon Fusion beschreibt jetzt in einem Paper, wie es weltweit und mit voller Absicht Transmutation in Fusionsreaktoren betreiben möchte. Der Trick diesmal: Aus Quecksilber wird Gold.

Quecksilber kam jahrzehntelang in Thermometern und unterschiedlichsten anderen Bereichen zum Einsatz. Heute befindet es sich jedoch wegen seiner Giftigkeit in den meisten Staaten auf dem erzwungenen Rückzug. Dennoch ist es nach wie vor relativ oft anzutreffen, etwa in Energiesparlampen.

Seine Umwandlung in Gold, die wie Magie oder Alchemie anmuten mag, basiert auf handfester Kernphysik. Das funktioniert, stark vereinfacht, so:

• Bei der Kernfusion von Wasserstoff-Isotopen werden Neutronen frei.
• Die werden genutzt, um aus dem Quecksilber-Atomkern zwei spezielle Teilchen herauszuschlagen und so seine Masse zu reduzieren.
• Was übrigbleibt, kann seine Form nicht halten und zerfällt nach eine Weile.
• Zurück bleiben dann schließlich etwas leichtere Goldatome.

Die Methode könnte laut dem Paper vor allem in Tokamaks sowie Stellaratoren zur Anwendung kommen.

Grundlagen und Arten der Kernfusion

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Die drei wichtigsten Ansätze für Kernfusionskraftwerke sind:

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

• Tokamak
• Stellarator
• Trägheitsfusion
• Hinzu kommen Nebenpfade, wie Reaktoren, die Umgekehrte Feld-Einstellung nutzen.

Abseits ihrer Unterschiede haben sie alle eines gemeinsam: Mit der erzeugten Energie erhitzen sie Wasser. Der entstehende Dampf treibt eine Turbine an, die elektrischen Strom erzeugt.
In den letzten Schritten des Prozesses unterscheiden sich Fusionskraftwerke nicht von Kohle-, Gas- oder Atomkraftwerken. Nur erzeugen sie die Wärmeenergie 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 Helium entsteht. Dabei wird vorrangig Energie in Form von Neutronen freigesetzt. Dieser Prozess geschieht in einem sogenannten Plasma.

Plasma ist der vierte Aggregatzustand von Materie (neben fest, flüssig und gasförmig). Es entsteht, wenn Gas stark aufgeheizt wird. Sobald die Kernfusion läuft, hält sie das Plasma selbst auf Temperatur. Zum Anlaufen wird jedoch von außen Strom zugeführt. Die Erhitzung kann durch verschiedene Prozesse erfolgen, zum Beispiel durch Mikrowellenstrahlung. Das Plasma schwebt magnetisch gehalten in einem Vakuumbehälter – also frei von anderen Gasen.

Tokamak: Sie stellen den ältesten und bis heute am besten erforschten Ansatz für Kernfusionsreaktoren dar. Ringförmig angeordnete Magnete umschließen eine Reaktionskammer, in der Mitte des Rings steht eine Art Transformator, in Form des sogenannten Solenoids. Er schickt einen starken elektrischen Impuls durch das Plasma, der hilft, es in der richtigen Form zu halten und es auch mit aufheizt. Nur so kann die extrem heiße Masse in einem Zustand gehalten werden, der die Fusion von Wasserstoffatomen ermöglicht.

Das Problem: Der Transformator muss regelmäßig abgeschaltet werden. Tokamaks sind deshalb für einen Dauerbetrieb ungeeignet – sie werden selbst im industriellen Betrieb noch definierte Pausen benötigen.

Stellarator: Anstatt in einer regulären Kammer fließt das Plasma durch einen engen, ebenfalls annähernd ringförmigen Tunnel, der zusätzlich verdreht ist. In ihm windet sich das Plasma quasi rasend schnell. Hierfür ist nur ein einzelnes Magnetfeld nötig, das durch ringförmige Magnete erzeugt wird.
Im Gegensatz zum Tokamak fließt kein Strom durch das Plasma selbst, da die komplexe Anordnung der äußeren Magnete die Aufgabe alleine erfüllen kann. Ein Stellarator kann im Gegensatz zum Tokamak ununterbrochen laufen und so durchgehend Strom erzeugen.
Allerdings: Die dreidimensionale, asymmetrische Anordnung erwies sich als ein mathematisch-physikalisches Monstrum. Erst Supercomputer waren in der Lage, die nötigen Berechnungen durchzuführen. Daher konnte der theoretische Entwurf von Stellarator-Reaktoren erst spät im 20. Jahrhundert erfolgen. So hinken sie in ihrer Entwicklung etwas hinter den Tokamaks zurück – 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 Energie der Laser oder Geschosse trifft innerhalb von Mikrosekunden auf das Pellet und drückt es extrem stark zusammen.
Durch diese enorme Verdichtung und Hitze wird eine Kernfusion ausgelöst. Um jedoch über längere Zeiträume Energie zu gewinnen, muss dieser Vorgang immer wieder und sehr schnell hintereinander ablaufen. 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, zudem gibt es über Fortschritte bei einem neuen Typ von Reaktor zu berichten:

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Die Ingenieure wollen aber nicht einfach nur den ultimativen Alchimistentraum erfüllen: Die Goldproduktion soll nur als ein Nebeneinkommen abseits der Erträge durch die Stromproduktion fungieren.

Mit dem Gold sollen die enormen Kosten bis zur Markteinführung gedeckt und damit die finanziellen Risiken abgemildert werden. Hierbei soll es auch nicht nur um ein wenig Goldstaub, sondern gehörige Mengen gehen: Marathon Fusion beziffert den Ausstoß an Gold mit etwa 2 Tonnen pro Gigawatt thermischer Leistung pro Jahr.

Zur Einordnung: Moderne Atomreaktoren kommen locker auf mehr als 4 Gigawatt bei der thermischen Leistung.

Und das Beste: Die eigentliche Stromproduktion werde nicht beeinträchtigt. Eine Art Schichtenaufbau (innen und außen) im Inneren des donutförmigen Reaktors ermögliche es laut den Daten, die Neutronenreaktionen aufrechtzuerhalten. So läuft die Kernfusion ungestört weiter – und somit auch die Erzeugung von nutzbarer Wärmeenergie.

Als Ausgangsmaterial dient ein relativ häufiges Quecksilber-Isotop, das etwa 10 Prozent aller Vorkommen auf der Erde ausmacht. Da pro Jahr und pro Gigawatt an thermischer Leistung rund 1.500 Tonnen an Quecksilber benötigt werden würden, wäre das überschaubar.

Allerdings steht aufgrund rückläufiger Kapazitäten nur ein relativ geringer Vorrat zur Verfügung, unter 100.000 Tonnen. Hier käme aber eine nicht näher bezifferbare Menge an recyceltem Quecksilber auch noch obendrauf (via institut-seltene-erden).

Die Goldherstellung läuft dabei folgendermaßen ab:

• Schnelle Neutronen aus der eigentlichen Kernfusion von Deuterium und Tritium (Wasserstoff-Isotope) zu Helium treffen auf das Quecksilber (HG198-Isotop).
• Hierbei schlägt das energiereiche Teilchen zwei energieärmere Neutronen aus dem Quecksilber-Kern und wird selbst absorbiert. Die zwei neuen unterstützen die Kettenreaktion im Fusionsreaktor und verstetigen den Fusionsprozess sowie die nebenherlaufende Gold-Transmutation.
• So entsteht außerdem ein anderes Quecksilber-Isotop (HG-197), das aber instabil ist.
  Das bedeutet: Die Menge an HG-197 halbiert sich alle 64 Stunden (Halbwertszeit) durch Elektroneneinfang zu stabilem Gold (Au197). Ein Proton wandelt sich in ein Neutron um, wodurch das Element von Quecksilber (80 Protonen) zu Gold (79 Protonen) transmutiert.

Finger weg vom Gold – für 18 Jahre!

Das entstandene Gold muss allerdings eine Weile in einem Tresor ruhen – buchstäblich. Denn Barren aus dem Gold direkt mit nach Hause in den Keller zu nehmen, wäre lebensgefährlich.

Während der Reaktionskette können nämlich auch radioaktive Isotope von Quecksilber und Gold entstehen, die eben nicht stabil, aber tendenziell schädlich durch ihre Strahlung sind. Allerdings ist hier von einer geringen Menge für einen absehbaren Zeitraum auszugehen.

Minimal 7, aber maximal 18 Jahre dauere es laut den Simulationen, bis sich die Strahlung auf das Niveau der allgegenwärtigen Hintergrundstrahlung abgeschwächt habe.

Zudem lässt sich die Menge an strahlendem Material reduzieren, indem Betreiber von Anlagen den Anteil des gewünschten Quecksilber-Isotops durch Zentrifugen im Vorfeld maximieren.

Der Grund: Kernzerfall ist vorhersagbar. Welche Isotope radioaktiv zerfallen, ist bekannt, sodass die im Vorfeld aussortiert werden können. Das ist in etwa die umgekehrte Herangehensweise zum Bau von Kernwaffen mit Uran. Das Aussortieren kostet allerdings Zeit und Geld.

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Zukunftsmusik und dann noch Alchemie-Märchen

Bis wir allerdings Gold und Strom aus einem Fusionsreaktor fließen sehen, werden wohl noch Jahrzehnte vergehen. So hören wir zwar zuletzt gefühlt häufiger als früher von Erfolgen namhafter internationaler Forscher sowie sogar aus direkt aus Deutschland.

Aber seit jeher gehört die Kernfusion zu den verheißungsvollsten Branchen für Fortschritt – und Reichtum. Die eigene Forschung hier als besonders spektakulär zu präsentieren ist folglich auch Teil des Spiels.

Schon die klassischen Energie-Hürden auf dem Weg hin zum ersten kommerziell nutzbaren Fusionsreaktor sorgen allerdings schon für genügend Kopfzerbrechen, wie etwa der Astrophysiker Josef M. Gaßner erläutert.

Aber Ansätze wie der des Start-Ups Marathon Fusion zeigen: Auch wenn die Entwicklung der Kernfusion noch bis zum 22. Jahrhunderts dauern sollte, sie könnte zur echten Goldgrube werden.