Energie 
Kernfusion: Die Sonne auf der Erde brennen lassen
Bürogebäude, Hallen, Parkplätze – nichts im Industriegebiet im Norden Darmstadts deutet darauf hin, dass ein Existenzgründer hier eine neue Art von Kraftwerk entwickelt. Im Foyer eines der Bürohäuser empfängt der Physiker Markus Roth. Oben im dritten Stock geht es zur Sache. Mitarbeiter des Start-ups „Focused Energy“ diskutieren und brüten vor ihren Rechnern. Sie wollen das Feuer der Sonne auf der Erde zünden.
Unser Zentralgestirn ist ein riesiges Kraftwerk. In seinem Innern verschmelzen Wasserstoff-Atomkerne zu Helium. Die große Bindungsenergie der neuen Atomkerne wird frei und bringt die Sonne zum Leuchten.
Könnte man auf der Erde Fusionskraftwerke bauen, hätte die Menschheit bei der Energie wohl für immer ausgesorgt, und das nahezu emissionsfrei. „Das wäre eine Gelddruckmaschine“, sagt Chefwissenschaftler Roth: „Mit wenigen Kilogramm Brennstoff ließen sich ganze Städte mit Energie versorgen.“
Lange Bauzeiten und Rückschläge
Die Kernfusion weckt schon lange Hoffnungen. Die Physikergemeinde allerdings glaubt selber nicht so recht daran – zumindest erzählt man sich den Witz von der „Fusionskonstante“: Es dauert immer exakt noch 50 Jahre, bis das Sonnenkraftwerk auf der Erde gelingt.
Lange Entwicklungs- und Bauzeiten sowie Rückschläge haben den Eindruck verstärkt, es werde noch ewig dauern – viel zu lange jedenfalls, um etwas zur Lösung der akuten Menschheitsprobleme beizutragen und die Abhängigkeit von den fossilen Brennstoffen und Machtstrukturen zu beenden.
Doch der Wind in der Fusionsszene hat sich gedreht. „Focused Energy“ will schon für das nächste Jahrzehnt ein Kraftwerk bauen. Für die Entwicklung der Technologie hat die Firma über zwei Milliarden US-Dollar eingeplant. In einer ersten Finanzierungsrunde haben die Darmstädter 15 Millionen Dollar eingeworben. Der Hauptinvestor ist die US-Risikokapitalgesellschaft Prime Movers Lab.
Der Klimawandel macht Dampf
Das Darmstädter Unternehmen konkurriert mit weltweit über 20 Existenzgründern, die möglichst schnell Fusionskraftwerke bauen wollen. Auch der große, von der EU und sechs Staaten geförderte Forschungsreaktor ITER in Südfrankreich soll etwa ab dem Jahr 2035 Energie erzeugen, wenn auch noch nicht fürs Stromnetz. Das soll mit einem Folgekraftwerk gelingen, etwa ab 2050. „Der Klimawandel lässt uns keine Zeit, so gemütlich weiterzuforschen wie bislang“, meint Roth.
Doch die Sonne zeigt, wie hoch die Latte liegt. Im ihrem Zentrum ist der Druck 200 Milliarden Mal so groß wie auf der Erdoberfläche und es ist 15 Millionen Grad heiß. Erst bei solchen extremen Bedingungen verlieren Wasserstoffatome ihre Elektronen und bilden ein sogenanntes Plasma. Darin schwirren Atomkerne sozusagen nackt herum. Wenn zwei von ihnen schnell genug aufeinander stoßen, können sie zu Helium verschmelzen.
Es gibt zwei Wege, diesen Prozess auf die Erde zu holen. Verzichtet man auf den hohen Druck, muss man das Plasma weit stärker erhitzen als in der Sonne, um eine Schmelze zu zünden. Weil das kein Material aushält, halten Physiker das Plasma in einem Magnetfeld in der Schwebe. Das ist das Magneteinschlussverfahren.
Die Hülle explodiert
Bei der Laserfusion dagegen wird ein extremer Druck erzeugt. Dazu füllen Forscher eine stecknadelkopfgroße Kapsel mit Wasserstoff und erhitzen die Hülle schlagartig mit einem starken Laser. Die Hülle explodiert. Nach dem Rückstoßprinzip implodiert der enthaltene Wasserstoff so heftig, dass er sich im Kugelmittelpunkt enorm verdichtet. Dort herrschen für Sekundenbruchteile Bedingungen wie im Sonneninnern, sodass es zur Kernfusion kommt.
Die meisten Existenzgründer arbeiten mit dem Magneteinschlussverfahren, wie auch die staatlichen Projekte ITER oder „Wendelstein 7-X“ im norddeutschen Greifswald. „Diese Methode ist am weitesten entwickelt und am nächsten dran am Kraftwerk“, betont Thomas Klinger vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald.
Schon 1958 bauten sowjetische Physiker den ersten Testreaktor dieses Typs. Die Brennkammer hat die Form eines Fahrradschlauches. Magnetfelder, etwa 300.000-mal stärker als das Erdmagnetfeld, halten das Plasma innerhalb des Rings im Zaum. Mikrowellen heizen es auf rund 200 Millionen Grad auf.
Fünf Sekunden Laufzeit
Einen solchen Sonnenofen zu bauen, ist sehr komplex. „Doch zuletzt gab es viele Fortschritte“, sagt Ursel Fantz, Leiterin für ITER-Technologie am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching. „ITER wird greifbarer“, ist die Physikerin überzeugt.
Einen Meilenstein erreichte die weltgrößte Fusionsanlage „Jet“ nahe Oxford im Februar 2022. Der Reaktor hielt die Fusion für immerhin 5 Sekunden am Laufen. Dabei wurde so viel Energie frei wie beim Verbrennen von 2 Kilogramm Kohle – mit nur 0,2 Milligramm fusioniertem Wasserstoff. So viel Energie hatte noch kein Sonnenofen produziert.
Allerdings musste man zuvor das Zweifache an Energie hineinstecken, um das Plasma aufzuheizen. Um ein Plus gewinnen, muss die Fusion deutlich länger laufen. Das begrenzende Element sind derzeit die Magnetfeldspulen aus Kupfer, die schnell überhitzen und deshalb abgeschaltet werden müssen. Mit den supraleitenden Magnetspulen im neuen Reaktor ITER wollen die Wissenschaftler dieses Problem überwinden.
Ab 2035 sollen dort auch jene zwei Formen von Wasserstoff fusionieren, die besonders viel Energie liefern: Deuterium und Tritium. Deren Atomkerne haben neben einem elektrisch positiv geladenen Proton noch ein oder zwei Neutronen.
2030 ein Kraftwerk am Netz
Noch ehrgeiziger als der europäische ITER-Verbund ist die Gründerfirma „Commonwealth Fusion“ aus Boston. Bis 2025 will sie den weltweit ersten Fusionsreaktor bauen, der mehr Energie liefert, als er braucht. Anfang der 2030er will die Firma ein Fusionskraftwerk am Netz haben.
Die Strategie dahinter: Relativ kleine und dennoch sehr starke Magnete. Mit ihnen lässt sich der Reaktor viel kleiner und mit weniger Aufwand bauen. Möglich machen das sogenannte Hochtemperatursupraleiter, die große Stromstärken verlustfrei transportieren. Sie müssen weniger stark gekühlt werden als herkömmliche Supraleiter, wie ITER sie verwendet. Dadurch kann die Kühltechnik wesentlich kleiner ausfallen. Die Firma demonstrierte einen solchen Magneten im September 2021.
Dass der Marsch durch die von der Natur geschaffenen Institutionen planmäßig gelingt, ist alles andere als sicher. Denn die Forscher betreten jeden Tag Neuland. Als große Hürde gilt die Reaktorwand. „Kritiker behaupten, an der Wand könnte alles scheitern“, sagt Max-Planck-Forscher Thomas Klinger.
Keine langlebige Radioaktivität
Die Hülle hat mehrere Funktionen: Zum einen wandelt sie die Energie von Neutronen, die bei der Fusion frei werden, in Hitze um und gibt sie an einen Wasserkreislauf ab. Der treibt eine Turbine an. Doch beim Neutronenbeschuss in der Wand sollen keine langlebigen radioaktiven Elemente entstehen. „Bei ITER sollen dafür eigens entwickelte Stahllegierungen getestet werden“, erklärt die Garchinger Projektleiterin Fantz.
Zum anderen soll die Wand den Brennstoff Tritium produzieren, den es sonst kaum auf der Erde gibt. Deswegen enthält die Hülle Lithium, das sich mit den Neutronen aus der Fusionsreaktion in Helium und eben Tritium umwandelt. „Es müssen hinreichend viele Neutronen für diese Umwandlung genutzt werden“, betont Klinger. Denn sonst entstehe weniger Tritium, als verbrannt werde und der Tritium-Kreislauf könne sich nicht schließen.
Dazu mischen die Forscher Beryllium in das Wandmaterial, das ein Neutron einfängt und in zwei Heliumatome plus zwei Neutronen zerfällt, die Neutronen also verdoppelt. Eine weitere Herausforderung: Das radioaktive Tritium muss vollständig aus der Hülle herausgeholt werden. „Die Wandelemente sind eine Kunst für sich“, resümiert Klinger.
Kinderkrankheit und Atomwaffen
Auch die Laserfusion ist noch nicht am Ziel, obwohl sie Fortschritte gemacht hat. An der „National Ignition Facility“ im kalifornischen Livermore gelang es 2021 zum ersten Mal, ein Plasma zu entzünden. Das heißt, es brannte für einen Moment von alleine, also ohne weitere Energiezufuhr von außen. Dabei entstand fast so viel Fusionsenergie, wie dem Brennstoff zuvor per Laser zugeführt wurde.
Doch die kalifornische Anlage ist kein Modell für ein Kraftwerk, wie die Wissenschaftler einräumen. Hauptzweck der Anlage ist eigentlich die Kernwaffenforschung. Mit welcher Effizienz das Plasma erhitzt wird, spielt dafür keine Rolle. Die 13 Jahre alte Laseranlage verbraucht ein Vielfaches der Energie, die im Laserlicht steckt. Das liegt auch daran, dass die Laserenergie in Röntgenstrahlung umgewandelt wird, die die Kapsel mit dem Plasma von allen Seiten gleichmäßig trifft. Diese umständliche Umleitung frisst viel zu viel Strom.
Solche Kinderkrankheiten wollen die Darmstädter Existenzgründer von „Focused Energie“ beseitigen. In ihrer Anlage sollen 200 Laserstrahlen die Brennstoff-Kapsel von allen Seiten direkt treffen. „Die Strahlen verdichten und erhitzen das Plasma weniger stark als in Livermore“, erklärt Roth, was Energie spare. Die zur Zündung fehlende Hitze liefert ein kurz angeworfener Teilchenstrahl.
Einfach mal was ausprobieren
Die Effizienz steigern sollen außerdem neue Lasersysteme. Seit den 2000er Jahren sind Laser wegen ihres breiten Einsatzes in der Industrie immer besser geworden. Insgesamt sollen alle technischen Maßnahmen zusammen für ein Kraftwerk reichen, das Energie liefert und nicht frisst. Ob das Darmstädter Konzept gegen die Konkurrenz reicht, muss sich zeigen.
Ursel Fantz lobt indessen die Start-up-Szene. „Sie bringt Vielfalt in das Forschungsfeld“, sagt die Physikerin. Das habe lange unter der Fixierung auf einige Maschinen gelitten. Die Existenzgründer dagegen probieren neue Designs aus. Die Szene als Ganzes ist wie ein Experimentierfeld. „Wir lernen voneinander“, meint Fantz. Das erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass noch vor Mitte des Jahrhunderts das Feuer der Sonne auf der Erde brennt.