Ich habe schon oft für euch über Fusionsreaktoren geschrieben. Gleichgültig, ob frische Rekorde, vollständig neuartige Konzepte, gigantische Magnete als Einpeitscher für das Plasma oder Gold als Nebenprodukt im Zentrum standen, immer waren Technik, Fakten oder gar Zahlen die Stars. Dieses Mal ist das anders.
Denn auch wenn der ST40-Reaktor von Tokamak Energy als ingenieurwissenschaftliches Kunstwerk beeindruckt, möchte ich euch heute eine seltener beachtete Seite der Fusionsforschung zeigen: welch Schönheit Fusionsreaktoren der Natur dank fortschrittlichster Technologie entlocken können.
Seltener Einblick ins Herz einer künstlichen Sonne
Obschon wir bereits seit Jahrzehnten an Kernfusion forschen, gelten längere Videoaufnahmen aus dem Inneren der Reaktoren als Rarität. Animationen sind zahlreich, egal ob von ITER aus Frankreich oder vom Wendelstein 7-X von der Ostseeküste.
Echtes Videomaterial, live aufgezeichnet und dann noch in Farbe, das sehen wir relativ selten. Ist es doch ein Kunststück für sich, einen Blick ins Innere eines abgeschlossenen Gefäßes zu werfen, in dem Magnetfelder mit ultra-hocherhitzter Materie (mehr als 100 Millionen Grad heiß) um die Vorherrschaft ringen.
Link zum YouTube-Inhalt
Vor wenigen Tagen aber erschien eine beeindruckende Aufnahme auf YouTube. Tokamak Energy postete dort und auf ihrer Homepage ein Video, das nach eigener Aussage eine selbst entwickelte Kamera aufgezeichnet hat. Es zeigt das Fusionsfeuer, das Plasma, also quasi den heiligen Gral der Physiker, die nach der praktisch umsetzbar effizientesten Energiequelle fahnden: Kernfusion. In kurz: Verschmelzung zweier Atomkerne, um daraus letztendlich elektrische Energie zu gewinnen.
Für Details zur Fusionsforschung und zu den verschiedenen Varianten von Reaktoren schaut gerne in den folgenden Klappkasten:
Bitte klicken zum Aufklappen
Wir kennen drei große Zweige, auf denen parallel Kernfusionsforschung läuft:
- Tokamak (Mehr dazu im Haupttext)
- 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.
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 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 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 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:
Was ist in dem Video zu sehen und wo entstand es?
Die Aufnahmen entstanden in einem Forschungsreaktor in Oxfordshire (Großbritannien), dem ST40 spherical tokamak
von Tokamak Energy.
Der Einblick in die Plasmakammer entstand durch eine von dem britischen Unternehmen selbst entwickelte Hochgeschwindigkeits-Farbkamera: 16.000 Farbbilder pro Sekunde bei gleichzeitig extremer Widerstandsfähigkeit in Anbetracht der hohen Temperatur und harschen Magnetfeldern.
Der ST40-Forschungsreaktor
Die Form ihres Reaktors hebt ihn selbst von außen sichtbar von Anlagen wie ITER ab. Die 2017 in Betrieb genommene und seitdem kontinuierlich weiter aufgerüstete Anlage hat grob die Form eines Apfelkerns.
Normale Tokamaks sehen aus wie ein Donut, also ein runder Schlauchring, der ein großes Loch umschließt. Der ST40 weist ein deutlich kompakteres Design auf, wobei die Öffnung in der Mitte nur klein ausfällt.
Dabei fällt der ST40 um ein Vielfaches kleiner aus als ITER, was aber für ein Experiment zur Erforschung kommerziell tauglicher Kernfusion nicht ungewöhnlich ist: Durchmesser etwa ein Meter, ITER kommt als weltweit größter Tokamak auf etwa 20 Meter. Als Brennstoff dient jeweils Deuterium sowie Tritium (beides Wasserstoff-Isotope).
Von der Architektur verspricht sich das private Unternehmen eine einfachere Skalierbarkeit als bei älteren Konzepten wie ITER (via iopscience).
Das seht ihr in dem Video: In der Mitte steht der Solenoid-Magnet (siehe Klappkasten oben für Details), drumherum bewegt sich der Plasmastrom. Dabei handelt es sich um Atome, denen größtenteils alle Elektronen entrissen worden - sie sind schlicht zu heiß (vierter Aggregatzustand, neben gasförmig, flüssig und fest). Wir erleben hier den pulsierenden Tanz von Materie in seiner wahrscheinlich extremsten Ausprägung.
Vor uns rotiert also eine rund 100 Millionen Grad heiße Suppe aus Atomkernen und freien Elektronen, eingesperrt in einen unsichtbaren Käfig. Einzig Magnetfelder halten sie in ihrer schwebenden Beschränkung in der Kammer.
Unkontrolliert berühren soll das Plasma die Umwandung nicht, das würde Schäden nach sich ziehen oder zumindest zu einer Störung des Betriebs führen. Damit solche Reaktoren die Extrema in ihrem Inneren aufrechterhalten, braucht es genau eingehaltene Bedingungen.
Nur bestimmte Punkte, die sogenannten Divertor-Platten, dürfen exakt dosiert mit der wirbelnden Materie in Kontakt kommen. Darüber wird später Hitze abgeleitet, um damit wiederum durch Wasserverdampfung Turbinen antreiben zu können. Aktuell fließt diese Wärmeenergie noch in bloßes Kühlwasser ab.
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Farbe führt zur Kälte
Das ganze Ausmaß des Plasmafeldes könnt ihr nur kurz zu Beginn erahnen, die meiste Zeit erkennen wir nur die Kanten.
Der Grund dafür ist simpel. Außen ist das Plasma kalt - also relativ zum Rest (ein bis zehn Millionen Grad) - nur hier wird die meiste Zeit überhaupt sichtbares Licht (rotes und blaues, deshalb pink) abgestrahlt.
Denn grundsätzlich gilt auf dieser Aufnahme: Wo ihr nichts erkennt, herrschen die höchsten Temperaturen - heißer als das Innere der Sonne. Sie braucht keine derart hohe Temperatur. In ihrem Kern verschmelzen Atomkerne dank Druck, wir können diesen auf Erden aber nicht anhaltend erzeugen.
Oben rechts glimmen bei etwa sechs Sekunden im Video rote Funken auf. Das sind winzige, sandkorngroße Kügelchen aus Lithium, die ins Plasma fallen. Kurz nach ihrem Erscheinen leuchtet das Plasma ringförmig grünlich auf: ein Schwall von opalfarbenen Schlieren fließt um den Reaktorkern. Dabei folgt es wie jegliche Materie den Magnetfeldern - sie lassen sich deshalb sogar durchgehend als Linien erahnen.
Das Grün entsteht durch Anregung von nicht vollständig ionisiertem Lithium. Er verlor zuvor ein Elektron, besitzt aber noch mindestens eines. Hiernach wird es durch die Zustände in der Kammer angeregt. Sobald es nun wieder Energie in Form Photonen abgibt, leuchtet es grünlich.
Das Lithium dient jedoch nicht nur als effektvoller Hightech-Feuerwerkskörper, sondern soll in Zukunft auch das Leistungspotenzial des Plasmas zur Kernfusion steigern. Gleiches gilt auch für die Videoaufnahme selbst. Sie nützt laut den Forschern auch als Studie des Plasmas.
Helfer auf dem Weg zum Durchbruch
Tokamak Energy will ihr Konzept auch dank jener Experimente mit Lithium während der Aufnahmen in den kommenden Jahren verfeinern, das Ziel: ein bis zum echten Kraftwerk skalierbarer Reaktor, der ganze Städte mit Energie versorgen kann – Zielleistung 500 Megawatt, was etwa der Hälfte eines modernen Kernkraftwerk-Blocks entspricht.
Ähnlich wie zum Beispiel Proxima Fusion aus München oder TAE Technologies aus Kalifornien gehören sie zu der wachsenden Zahl von Unternehmen, die sich abseits der staatlich finanzierten Projekte daran machen, eine neue Ära der Stromgewinnung einzuläuten.
Wann wird es so weit sein? Jenseits der Versprechungen des selbstverständlich dazugehörenden Marketings von privatwirtschaftlichen Akteuren bleibt Vorsicht geboten: Wenn es uns in den 2030ern gelingen sollte, ein erstes Fusionskraftwerk ans Netz zu bekommen, wäre das eine epochale Leistung, auf die die Menschheit extrem stolz sein dürfte.
Meinung der Redaktion
Gerald Weßel
1. Brief des Paulus an die Korinther, 2:10 Uns aber hat es Gott offenbart durch seinen Geist; denn der Geist erforscht alle Dinge, auch die Tiefen der Gottheit.
Ich bin Atheist. Religion und der Glaube an einen übernatürlichen Gott sind mir daher fremd.
Doch Aufnahmen wie die oben zeigen mir etwas Göttliches. Es ist nicht das Werk von Menschen oder Maschinen, sondern die Replikation eines Leben-zeugenden Zustandes. Nichts im Universum bringt uns aus meiner Sicht wahrer Göttlichkeit näher, als wenn wir Plasma bändigen und Atomkerne verschmelzen.
Ist es doch Energie als sichtbares Licht, welche durch Fusion im Innersten der Sonne frei wird, die uns erschuf und am Leben erhält.
Für mich versteckt sich unter der faszinierenden, wenn auch fremdartigen Schönheit des Inneren eines Fusionsreaktors weit mehr als die elementarste Aufgabe der Wissenschaft. Wir erforschen mithilfe unseres Geistes die Tiefen einer gleichgültigen wie allgegenwärtigen Gottheit, der wir alles zu verdanken haben: dem innersten Wirken der Natur.
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