Die Kernfusion gilt als vielversprechende Technologie, um die Energieprobleme der Menschheit langfristig zu lösen. Forscher weltweit arbeiten daran, die Energiequelle der Sterne auf der Erde nachzubauen und so eine saubere, sichere und praktisch unerschöpfliche Energiequelle zu erschließen. In den letzten Jahren wurden dabei bedeutende Fortschritte erzielt, die Hoffnung machen, dass die Fusionsenergie eines Tages Realität werden könnte.

Doch was genau ist Kernfusion und wie funktioniert sie? Welche Herausforderungen gilt es noch zu meistern, bis die erste Fusionsanlage ans Netz gehen kann? In diesem Artikel erfährst du mehr über den aktuellen Stand der Fusionsforschung und die spannenden Entwicklungen in diesem Bereich.

Das Versprechen der Kernfusion

Die Kernfusion birgt das Potenzial, die Energieprobleme der Menschheit auf umweltfreundliche und nachhaltige Weise zu lösen. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, deren Verbrennung große Mengen an Treibhausgasen freisetzt, verspricht die Fusionsreaktion eine saubere und praktisch unerschöpfliche Energiequelle.

Saubere und praktisch unerschöpfliche Energiequelle

Die Kernfusion hat das Potenzial, die Energieversorgung der Menschheit grundlegend zu verändern. Ein Glas Meerwasser enthält bereits so viel Energie wie ein Barrel Öl. Der entscheidende Unterschied liegt jedoch darin, dass bei der Verbrennung von Öl klimaschädliches CO2 freigesetzt wird, während bei der Fusionsreaktion keinerlei Treibhausgase entstehen.

Zudem sind die Brennstoffe für die Kernfusion, nämlich Wasserstoffisotope wie Deuterium und Tritium, auf der Erde in nahezu unerschöpflichen Mengen vorhanden. Deuterium kann aus Meerwasser gewonnen werden, während Tritium aus Lithium hergestellt werden kann. Diese Ressourcen reichen aus, um die Menschheit für Millionen von Jahren mit Energie zu versorgen.

Funktionsweise der Kernfusion

Bei der Kernfusion verschmelzen leichte Atomkerne zu schwereren Kernen, wobei enorme Mengen an Energie freigesetzt werden. In der Sonne findet dieser Prozess bei Temperaturen von etwa 15 Millionen Grad Celsius statt, wobei Wasserstoffkerne zu Helium fusionieren. Auf der Erde lässt sich dieser enorme Druck jedoch nicht erreichen, weshalb in Fusionsreaktoren Temperaturen von über 100 Millionen Grad erforderlich sind.

Um die Fusionsreaktion zu erleichtern, werden in irdischen Reaktoren die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium verwendet, da deren Kerne leichter miteinander verschmelzen als die des gewöhnlichen Wasserstoffs. Bei dieser Reaktion entsteht neben einem Heliumkern auch ein energiereiches Neutron. Diese Neutronen tragen den Großteil der freigesetzten Energie und können genutzt werden, um Wärme zu erzeugen und letztendlich Strom zu gewinnen.

Aktuelle Fusionsprojekte weltweit

Derzeit laufen rund um den Globus verschiedene Projekte, die das Ziel haben, die Kernfusion als praktikable Energiequelle nutzbar zu machen. Sowohl staatliche Institutionen als auch private Unternehmen investieren Milliarden in die Erforschung und Entwicklung von Fusionsreaktoren, um das Versprechen einer sauberen und nahezu unerschöpflichen Energiequelle Wirklichkeit werden zu lassen.

ITER: Internationales Großprojekt in Südfrankreich

Das ambitionierteste und teuerste Fusionsprojekt weltweit ist zweifellos ITER, der internationale Testreaktor, der derzeit in Cadarache, Südfrankreich, gebaut wird. An diesem Mammutprojekt sind insgesamt 35 Nationen beteiligt, darunter die Europäische Union, die USA, Russland, China, Indien, Japan und Südkorea. Der Tokamak-Reaktor von ITER soll ab 2035 den Betrieb aufnehmen und erstmals das Zehnfache der investierten Leistung produzieren – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum ersten kommerziellen Fusionskraftwerk.

Allerdings kämpft auch ITER mit Verzögerungen und Kostensteigerungen. Ursprünglich sollte der Reaktor bereits 2025 in Betrieb gehen, doch technische Schwierigkeiten und politische Randbedingungen haben den Zeitplan immer wieder durcheinandergewirbelt. Dennoch bleibt ITER das Leuchtturmprojekt der internationalen Fusionsforschung, das die Machbarkeit der Kernfusion im großen Maßstab demonstrieren soll.

Weitere staatliche und private Initiativen

Neben ITER arbeiten weltweit zahlreiche Forschungseinrichtungen und Unternehmen an der Realisierung der Fusionsenergie. Insgesamt 33 Firmen haben bislang mehr als 4,7 Milliarden US-Dollar an Investitionen eingeworben, um eigene Konzepte für Fusionsreaktoren zu entwickeln. Dabei setzen sie sowohl auf klassische Tokamaks als auch auf alternative Ansätze wie Stellaratoren oder Trägheitsfusion.

Zu den Vorreitern der privatwirtschaftlichen Fusionsforschung zählen Unternehmen wie TAE Technologies, Commonwealth Fusion Systems, General Fusion und Marvel Fusion. Sie wetteifern darum, möglichst schnell einen funktionierenden Fusionsreaktor zu bauen und die ersten Fusionskraftwerke ans Netz zu bringen.

Gleichzeitig treiben staatliche Forschungseinrichtungen wie das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Deutschland die Entwicklung von Fusionsreaktoren voran. Mit dem Tokamak ASDEX Upgrade und dem Stellarator Wendelstein 7-X erforscht das Institut in Garching und Greifswald gleich zwei der ältesten Konzepte für einen Fusionsreaktor. Dieser zweigleisige Ansatz ermöglicht es den Wissenschaftlern, die Vor- und Nachteile beider Technologien objektiv zu vergleichen und voneinander zu lernen.

Herausforderungen bei der Realisierung der Kernfusion

Die Realisierung der Kernfusion als praktikable Energiequelle stellt Wissenschaftler und Ingenieure vor enorme Herausforderungen. Die komplexen technischen Voraussetzungen erfordern jahrzehntelange Forschung und Entwicklung in verschiedenen Bereichen, insbesondere in der Plasmaphysik. Die aktuellen Fusionsreaktoren dienen primär der Erforschung der technischen Grundlagen, während der Bau eines ersten kommerziellen Kraftwerks noch in weiter Ferne liegt.

Eine der größten Hürden besteht darin, die für die Fusion erforderlichen extremen Bedingungen zu schaffen und aufrechtzuerhalten. Dazu gehören Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius sowie ein stabiler Einschluss des Plasmas über längere Zeiträume. Die supraleitenden Magnete und Hochleistungsrechner, die hierfür benötigt werden, befinden sich noch in der Entwicklung und müssen weiter optimiert werden.

Ein weiteres zentrales Problem ist die Energiebilanz der Fusionsreaktion. Bisher muss noch deutlich mehr Energie in den Reaktor gesteckt werden, als durch die Fusion erzeugt wird. Für ein wirtschaftlich rentables Kraftwerk müsste dieses Verhältnis umgekehrt werden, was eine erhebliche Steigerung der Effizienz erfordert. Daran arbeiten Wissenschaftler weltweit mit Hochdruck, doch der Weg zum Durchbruch ist noch weit.

Die technischen Herausforderungen der Fusionsforschung sind gewaltig, aber nicht unüberwindbar. Mit Ausdauer, Kreativität und internationaler Zusammenarbeit können wir die Kernfusion als saubere und praktisch unerschöpfliche Energiequelle Realität werden lassen.

Trotz der Hindernisse ist die Fusionsforschung von enormer Bedeutung für eine nachhaltige Energieversorgung der Zukunft. Wenn es gelingt, die technischen Probleme zu lösen und die Kernfusion als Ergänzung zu erneuerbaren Energien zu etablieren, könnte dies einen entscheidenden Beitrag zum Klimaschutz und zur Bewältigung des wachsenden Energiebedarfs leisten.

Magnetischer Einschluss des Plasmas

Um die enormen Temperaturen für die Kernfusion zu erreichen, muss das Fusionsplasma von den Wänden des Reaktors ferngehalten werden. Dafür nutzen Wissenschaftler starke Magnetfelder, die das ionisierte Gas in ringförmigen Gefäßen einschließen. Dieser Plasmaeinschluss ist entscheidend, denn sobald das Plasma die Wände berührt, kühlt es ab und die Fusion bricht zusammen.

Tokamaks: Donutförmige Reaktoren

Tokamaks sind die am weitesten entwickelten Fusionsreaktoren. Sie haben eine donutförmige Geometrie, in der das Magnetfeld relativ einfach zu erzeugen ist. Allerdings muss in einem Tokamak Strom durch den Plasmaring fließen, was für einen effizienten Kraftwerksbetrieb problematisch sein kann. Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik erforscht mit dem Experiment ASDEX Upgrade einen solchen Tokamak.

Stellaratoren: Verdrehte Teigschlangen

Eine Alternative zu Tokamaks sind Stellaratoren. Bei ihnen ist die Geometrie des Magnetfelds komplexer und erinnert an eine verdrehte Teigschlange. Der Vorteil: In einem Stellarator muss kein Strom durch das Plasma fließen. Allerdings ist die Optimierung des Magnetfelds eine große Herausforderung. Mit Wendelstein 7-X betreibt das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik auch einen solchen Stellarator.

Ob Tokamak oder Stellarator – beide Konzepte haben das Potenzial, die Kernfusion als saubere und praktisch unerschöpfliche Energiequelle nutzbar zu machen. Doch dafür müssen Wissenschaftler den magnetischen Plasmaeinschluss noch weiter verbessern und stabilisieren.

Fortschritte am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) ist eine weltweit führende Einrichtung auf dem Gebiet der Fusionsforschung. Mit seinen innovativen Ansätzen und seinem breiten Spektrum an Fusionsexperimenten leistet das IPP einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der Kernfusion als potenzielle Energiequelle der Zukunft.

Forschung an Tokamaks und Stellaratoren

Das IPP zeichnet sich durch seine einzigartige Herangehensweise aus, sowohl Tokamaks als auch Stellaratoren parallel zu erforschen. Der Tokamak ASDEX Upgrade und der Stellarator Wendelstein 7-X ermöglichen es den Wissenschaftlern, die physikalischen Grundlagen und technischen Herausforderungen beider Konzepte umfassend zu untersuchen. Durch diese vielseitige Plasmaforschung können wertvolle Erkenntnisse gewonnen und Synergien genutzt werden.

Einzigartige Objektivität durch parallele Erforschung beider Konzepte

Die parallele Erforschung von Tokamaks und Stellaratoren am IPP bietet eine einzigartige Möglichkeit, die Vor- und Nachteile beider Konzepte objektiv zu vergleichen. Durch den offenen Austausch und die intensive Zusammenarbeit der Forschungsteams können die Stärken und Schwächen der jeweiligen Ansätze identifiziert und gegenübergestellt werden. Diese Objektivität ist von unschätzbarem Wert für die Weiterentwicklung der Fusionsforschung und trägt dazu bei, den optimalen Weg zur Realisierung der Kernfusion als nachhaltige Energiequelle zu finden.

Mit seiner wegweisenden Arbeit und seinem Engagement für die Plasmaforschung setzt das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik Maßstäbe in der internationalen Fusionsforschung. Durch die kontinuierliche Optimierung der Fusionsexperimente und die Erschließung neuer Horizonte trägt das IPP maßgeblich dazu bei, die Vision eines Fusionskraftwerks Schritt für Schritt in die Realität umzusetzen.

Innovative Ansätze von Start-ups

Neben etablierten Forschungseinrichtungen und Großprojekten arbeiten auch zahlreiche innovative Fusionsunternehmen an vielversprechenden Konzepten für die Kernfusion. Ein Beispiel dafür ist das US-amerikanische Start-up Commonwealth Fusion Systems, das einen neuartigen Ansatz verfolgt, um die Kernfusion schneller zur Marktreife zu bringen.

Das Unternehmen setzt auf einen kompakten Tokamak, der mit revolutionären Hochtemperatur-Supraleitern für die Magnetspulen ausgestattet ist. Diese Supraleiter ermöglichen es, stärkere Magnetfelder zu erzeugen und den Reaktor somit kleiner und effizienter zu gestalten. Der kompakte Aufbau soll schnellere und kostengünstigere Änderungen am Design ermöglichen, um letztendlich einen marktreifen Fusionsreaktor zu entwickeln.

Commonwealth Fusion Systems kündigte an, den Prototyp namens Sparc bereits in fünf Jahren funktionstüchtig zu haben. Die Erfolgsaussichten sind vielversprechend, da das grundlegende Prinzip des Tokamaks bereits seit Jahrzehnten erforscht und erprobt wird. Durch die Verwendung der neuartigen Hochtemperatur-Supraleiter könnte das Start-up dem Ziel eines kommerziellen Fusionsreaktors einen entscheidenden Schritt näherkommen.

Auch andere Fusionsunternehmen wie das kanadische General Fusion oder das britische Tokamak Energy arbeiten an innovativen Konzepten, um die Kernfusion voranzutreiben. Durch den Wettbewerb und die verschiedenen Ansätze dieser Start-ups könnte die Entwicklung eines funktionierenden Fusionsreaktors deutlich beschleunigt werden.

Rekorde und Meilensteine in der Fusionsforschung

Die Fusionsforschung hat in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte gemacht und neue Rekorde aufgestellt. Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten unermüdlich daran, die Kernfusion als praktikable Energiequelle zu erschließen. Zwei Meilensteine stechen dabei besonders hervor: der Durchbruch am Lawrence Livermore National Laboratory in den USA und die Rekordergebnisse am Joint European Torus (JET) in Großbritannien.

Durchbruch in den USA: Mehr Energie erzeugt als verbraucht

Im November 2022 gelang Forschern am Lawrence Livermore National Laboratory ein historischer Durchbruch. Bei einem Fusionsexperiment wurde zum ersten Mal mehr Energie erzeugt als für die Zündung des Plasmas benötigt wurde. Mithilfe von 192 Hochleistungslasern wurde eine winzige Menge gefrorenen Wasserstoffs für Sekundenbruchteile auf über 100 Millionen Grad Celsius erhitzt. Dadurch verschmolzen die Wasserstoffkerne zu Helium und setzten Energie frei. Obwohl der Energieüberschuss nur minimal war und die Effizienz der Laser nicht berücksichtigt wurde, markiert dieses Experiment einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung der Fusionsenergie.

JET-Reaktor in Großbritannien: Neuer Energierekord vor Stilllegung

Auch in Europa wurden bedeutende Fortschritte erzielt. Im Oktober 2023 stellte der JET-Reaktor in Culham, Großbritannien, einen neuen Energierekord auf. Bei Fusionsexperimenten mit einem Deuterium-Tritium-Plasma wurden 69 Megajoule Energie freigesetzt – genug, um etwa 60 Haushalte für eine Sekunde mit Strom zu versorgen. Dieses Ergebnis übertraf den bisherigen Rekord von 59 Megajoule, der 1997 ebenfalls am JET aufgestellt wurde. Nach über 40 Jahren erfolgreichen Betriebs wurde die europäische Forschungsanlage nun stillgelegt. Sie bereitete den Weg für den leistungsstärkeren ITER-Reaktor, der derzeit in Südfrankreich gebaut wird und die Machbarkeit der Fusionsenergie im industriellen Maßstab demonstrieren soll.

Diese Rekorde und Meilensteine zeigen, dass die Fusionsforschung auf einem vielversprechenden Weg ist. Dennoch bleiben viele Herausforderungen zu meistern, bevor Fusionskraftwerke unseren Energiebedarf decken können. Neben technologischen Hürden müssen auch Fragen der Wirtschaftlichkeit und Sicherheit geklärt werden. Doch die jüngsten Erfolge machen Hoffnung, dass die Menschheit eines Tages die nahezu unerschöpfliche Energiequelle der Sterne nutzen kann.

Technische Voraussetzungen für Fusionsreaktoren

Um die Kernfusion auf der Erde nachzuahmen, müssen in Fusionsreaktoren extreme Bedingungen geschaffen werden. Da der immense Druck, der im Inneren der Sonne herrscht, auf unserem Planeten nicht erreicht werden kann, muss das Plasma auf Temperaturen von über 100 Millionen Grad erhitzt werden. Nur so können die Wasserstoffkerne die abstoßenden Kräfte überwinden und miteinander verschmelzen.

Extreme Temperaturen und Drücke

Die Erzeugung und Aufrechterhaltung derart hoher Temperaturen stellt eine enorme Herausforderung dar. Das heiße Plasma muss von den Wänden des Reaktors ferngehalten werden, um eine Beschädigung zu vermeiden. Hierfür kommen Magnetfelder zum Einsatz, die das Plasma einschließen und stabilisieren. Diese Magnetfelder müssen äußerst stark und präzise kontrollierbar sein, um das Plasma effektiv zu bändigen.

Supraleitende Magnete und Hochleistungsrechner

Für die Erzeugung der benötigten Magnetfelder werden supraleitende Spulen eingesetzt. Supraleiter ermöglichen es, Stromstärken zu erreichen, die mit herkömmlichen Leitern nicht möglich wären. Dadurch lassen sich die extrem starken Magnetfelder erzeugen, die für den Einschluss des Plasmas erforderlich sind. Im Tokamak-Design ist zusätzlich ein Plasmastrom nötig, der jedoch Abschaltphasen erfordert. Der Stellarator hingegen kommt ohne diesen Plasmastrom aus, stellt dafür aber höhere Anforderungen an die Berechnung der komplexen Magnetfeldgeometrien.

Dank moderner Hochleistungsrechner ist es inzwischen möglich, auch die komplizierten Geometrien des Stellarators präzise zu berechnen. Computergestützte Simulationen und Optimierungen spielen eine entscheidende Rolle bei der Auslegung und Weiterentwicklung von Fusionsreaktoren. Nur so können die technischen Voraussetzungen für eine kontrollierte Kernfusion auf der Erde geschaffen werden.

Kernfusion als Ergänzung zu erneuerbaren Energien

Die Kernfusion hat das Potenzial, eine entscheidende Rolle im zukünftigen Energiemix zu spielen und erneuerbare Energien wie Wind- und Sonnenenergie perfekt zu ergänzen. Im Gegensatz zu wetterabhängigen erneuerbaren Energiequellen könnte die Fusion rund um die Uhr grundlastfähigen, sauberen Strom liefern.

Fusionskraftwerke würden die Schwankungen in der Stromerzeugung aus Wind und Sonne ausgleichen und so zu einem stabilen, klimafreundlichen Energiesystem beitragen. Während tagsüber die Solarenergie die Hauptlast trägt und in windreichen Zeiten die Windräder den Löwenanteil übernehmen, könnte nachts oder bei Flaute die Kernfusion zuverlässig einspringen.

Auf diese Weise ließe sich ein ausgewogener, robuster Energiemix realisieren, der sowohl den Anforderungen des Klimaschutzes als auch der Versorgungssicherheit gerecht wird. Die Kernfusion wäre ein starker Partner der erneuerbaren Energien auf dem Weg in eine nachhaltige Zukunft.

Die Symbiose aus Kernfusion und erneuerbaren Energien könnte der Schlüssel zu einer sauberen, sicheren und bezahlbaren Energieversorgung sein.

Um dieses Ziel zu erreichen, müssen jedoch noch viele technologische Hürden überwunden werden. Parallel zum Ausbau von Wind- und Solarkraft gilt es daher, die Fusionsforschung weiter voranzutreiben und die Entwicklung praxistauglicher Fusionskraftwerke zu beschleunigen.

Herausforderungen auf dem Weg zum ersten Fusionskraftwerk

Trotz bedeutender Fortschritte in der Fusionsforschung sind noch zahlreiche Hürden zu überwinden, bevor das erste kommerzielle Fusionskraftwerk Realität werden kann. Die technischen Herausforderungen sind immens und erfordern jahrzehntelange, kontinuierliche Anstrengungen von Wissenschaftlern und Ingenieuren weltweit.

Politische und finanzielle Hürden

Ein entscheidender Faktor für den Erfolg der Kernfusion ist die langfristige politische und finanzielle Unterstützung. Die Entwicklung eines Fusionskraftwerks erfordert enorme Investitionen über einen langen Zeitraum hinweg. Regierungen und internationale Organisationen müssen bereit sein, die Fusionsforschung nachhaltig zu fördern und die notwendigen Mittel bereitzustellen.

Angesichts wechselnder politischer Prioritäten und begrenzter Budgets ist dies keine leichte Aufgabe. Es gilt, Entscheidungsträger und die Öffentlichkeit von der Bedeutung der Kernfusion als potenziell unerschöpfliche und saubere Energiequelle zu überzeugen. Nur mit starkem politischem Willen und langfristiger Finanzierung kann der Traum vom Fusionskraftwerk Wirklichkeit werden.

Notwendigkeit jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung

Nach den Experimenten am internationalen Versuchsreaktor ITER ist der Bau eines Demonstrationskraftwerks namens DEMO geplant. Dieses soll erstmals die Machbarkeit der kommerziellen Stromerzeugung durch Fusion beweisen. Doch bis dahin ist noch ein weiter Weg zu gehen.

Selbst optimistische Schätzungen gehen davon aus, dass die Entwicklung eines einsatzfähigen Fusionskraftwerks noch mehrere Jahrzehnte in Anspruch nehmen wird. Die Komplexität der Technologie erfordert kontinuierliche Forschung und Weiterentwicklung in zahlreichen Bereichen, von Materialwissenschaften über Plasmaphysik bis hin zu Steuerungs- und Regelungstechnik.

Der Zeitplan für die Realisierung der Fusionsenergie ist mit vielen Unsicherheiten behaftet. Ursprünglich sollte ITER bereits 2016 in Betrieb gehen, doch nun wird ein Start der Fusionsexperimente nicht vor 2035 erwartet.

Trotz dieser Herausforderungen ist die Fusionsforschung auf einem vielversprechenden Weg. Mit Durchhaltevermögen, internationaler Zusammenarbeit und ausreichender Unterstützung können die Hürden überwunden werden – für eine saubere und praktisch unerschöpfliche Energiequelle der Zukunft.

Fazit

Die Kernfusion hat das Potenzial, unsere Energiezukunft grundlegend zu verändern. Als saubere Energiequelle könnte sie einen entscheidenden Beitrag zur Bewältigung der Klimakrise leisten. Doch der Weg dorthin ist noch weit und erfordert intensive Fusionsforschung. Die technischen Herausforderungen sind enorm, um die Fusion kontrolliert und effizient auf der Erde zu realisieren.

Trotz der Hürden gibt es immer wieder Erfolge und Fortschritte in der Forschung. Staatliche Großprojekte wie ITER und auch innovative Ansätze privater Unternehmen treiben die Entwicklung stetig voran. Neue Rekorde in der Energieausbeute und ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse zeigen, dass wir auf dem richtigen Weg sind.

Dennoch werden noch Jahrzehnte an Forschung und erhebliche Investitionen nötig sein, bis das erste kommerzielle Fusionskraftwerk Realität wird. Doch die Anstrengungen lohnen sich, denn gelingt der Durchbruch, könnte die Kernfusion einen unverzichtbaren Beitrag zu einer nachhaltigen und sicheren Energiezukunft leisten. Sie wäre eine ideale Ergänzung zu den erneuerbaren Energien und würde uns einer Welt mit sauberer, quasi unerschöpflicher Energie einen großen Schritt näherbringen.