Warum das Max-Planck-Institut in seinem Fusionsreaktor Plasma aufkochen wollte

Nichts ist vergleichbar mit einem Fusionsreaktor, der Aufregung erzeugt. Nach neun Jahren Bauzeit und einer Milliarde Euro haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik am 10. Dezember den ersten Hitzetest des Fusionsgeräts Wendelstein 7-X in Betrieb genommen und ein Heliumplasma erzeugt, das eine Zehntelsekunde dauerte und erreichte eine Million Grad Celsius. Aber sei jetzt noch nicht zu hochgespielt. Dies war nur ein Schritt in Richtung Vorbereitung des Geräts für seinen wahren Zweck: Untersuchung der Kernfusion mit Wasserstoffgas.

Okay, jetzt bist du gepumpt.

Die Fusion ist seit langem das goldene Kalb der Atomenergieforschung und zeigt die Kernspaltung in allen Kategorien außer der Machbarkeit. Fusion erzeugt eine enorme Menge an Energie - es ist schließlich derselbe Vorgang, der die Sonne antreibt. Aber seine Kraft macht es zu einem Schmerz im Umgang. Jeder bisher gebaute Fusionsreaktor verbrauchte mehr Energie als er produzierte. Der Rekord für Fusionsenergie wurde 1997 aufgestellt: 16 Megawatt wurden mit einer Eingangsleistung von 24 Megawatt produziert. Aber wenn es jemandem gelingt, diese Gleichung umzudrehen? Können Sie billige, kohlenstofffreie Energie sagen?

Im Gegensatz zu seinem weniger hoch entwickelten Cousin erzeugt die Fusion keinen radioaktiven Abfall. Der Wasserstoffversorgungszyklus ist weniger problematisch als der Uranversorgungszyklus. Fairerweise sind Kohle und Erdgas heute die gebräuchlichsten Wasserstoffquellen, Wasserstoff könnte jedoch stattdessen durch Elektrolyse erzeugt werden.

Spaltung und Fusion sind in zweierlei Hinsicht gleich. Beide nutzen die Umwandlung von Atomen eines Elements in Atome eines anderen Elements aus, und beide wurden zuerst als Waffen verwendet. Fat Man und Little Boy, die 1945 auf Hiroshima und Nagasaki abgeworfenen Spaltbomben, gaben 1952 Fusionsgeräten wie Ivy Mike nach. (Obwohl Ivy Mike nicht als Bombe gebaut wurde, folgten bald darauf thermonukleare Sprengköpfe, die viele Megatonnen im Ertrag abgaben, die alle mit interkontinentalen Raketen geliefert werden konnten.)

Die Fusionsbombe war aus einem Grund als H-Bombe bekannt: Die beispiellose Freisetzung von Energie kam aus der Fusion von Wasserstoffatomen. Fusionsforscher wollen diesen Effekt für die zivile Stromerzeugung nutzen. Es stellt sich heraus, dass dies eine Herausforderung ist. Die Wasserstofffusion an der Erdoberfläche würde Temperaturen von über einer Million Grad Celsius erfordern. Bei diesen Temperaturen werden Wasserstoff und Helium zu einem Plasma, der vierten Form der Materie.

Aber was ist eigentlich ein Plasma?

Kurz gesagt, ein Plasma ist ein ionisiertes Gas. In einem Plasma lösen sich alle molekularen Bindungen auf und Elektronen verlassen ihre Wirtsatome. Plasmen sind hochleitfähig, weil sie eine hohe Ladungsträgerdichte haben, d. H. Die Elektronen und Ionen können sich in Reaktion auf ein elektrisches Feld unabhängig voneinander bewegen.

Obwohl dies alles exotisch klingt, erscheinen Plasmen regelmäßig in unserem Leben. Das Licht von Blitzen und Neonlichtern kommt von Elektronen, die sich mit Ionen rekombinieren und in niedrigere Quantenzustände sinken, ein Vorgang, der als spontane Emission bezeichnet wird. Einige Flammen sind heiß genug, um Abgase zu ionisieren, und Plasmabrenner, Plasmabildschirme und Lichtbogenschweißgeräte verwenden alle Plasmen.

Aber alle haben nichts in einem Fusionsreaktor auf dem Plasma. Bei einer Million Grad Celsius sind die Atome in der Fusionssuppe äußerst energiegeladen. Wenn sie nicht eingeschlossen sind, werden sie abfließen, das Gerät beschädigen und nicht miteinander verschmelzen. Ohne Eindämmung würden Sie wahrscheinlich niemals eine Million Grad erreichen.

Containment ist das große Herausforderung in der Fusionsforschung. Das Plasma muss auf engstem Raum aufbewahrt werden und darf die Wände des Fusionsgefäßes nicht berühren. Es muss nicht erwähnt werden, dass das Gefäß auf Hochvakuum gehalten werden muss. Wendelstein 7-X verwendet 65 Vakuumpumpen, um den Druck bei 0,000000001 Millibar zu halten. (Das sind 0,000001 Pascal für Sie SI-Liebhaber.) Das einzig realistische Mittel, ein ionisiertes Gas bei höllischen Temperaturen einzuschließen, besteht darin, es in einem Magnetfeld zu halten. Und hier wird es richtig knifflig.

Das bekannteste Fusionsreaktordesign war jahrelang der Tokamak. Vor Jahren, als Supercomputer Schach spielten, Menschen bei Jeopardy verwüsteten und Proteine ​​falteten, fanden die Wissenschaftler kluge Wege, das korrekt geformte Magnetfeld zu erzeugen. In einem Tokamak wird ein elektrischer Strom, der durch das Plasma fließt, mit externen Elektromagneten gepaart, um das notwendige Magnetfeld zu erzeugen.

Nicht so bei Wendelstein 7-X. Hier kommt das Eindämmungsfeld ausschließlich von externen supraleitenden Elektromagneten. Das Forschungsteam verwendete einen Supercomputer, um die Form dieser Magnete zu optimieren und einen Plasmastrom zu vermeiden. Diese Art von Fusionsreaktor ist als Stellarator bekannt.

Bisher hat niemand einen Fusionsreaktor gebaut, der mehr Energie erzeugt, als er verbraucht. Sogar der Wendelstein 7-X, der größte Reaktor des Stellarator-Typs der Welt, wurde zu Forschungszwecken gebaut, nicht um Energie zu erzeugen. Wenn Sie jedoch Ihre Hoffnungen in ein Fusionsprojekt investieren möchten, ist Wendelstein 7-X ein guter Ausgangspunkt. Achten Sie auch auf ITER, der größte Tokamak der Welt.