Die Suche nach dem Heiligen Gral der Energie
Okay, lassen Sie uns das Ganze einmal in Relation setzen. Fusionsenergie ist im Grunde der Heilige Gral der sauberen Energie. Sie ist das, was die Sonne antreibt, null CO2-Emissionen verursacht, nur minimale radioaktive Abfälle erzeugt und einen Brennstoff nutzt, der praktisch unbegrenzt verfügbar ist (Wasserstoff, den man aus Wasser gewinnen kann). Wenn wir es schaffen würden, die Fusion auf der Erde zu beherrschen, hätten wir im Wesentlichen eine unbegrenzte, saubere Energiequelle, die die Zivilisation über Jahrtausende hinweg versorgen könnte.
Warum haben wir also noch keine Fusionskraftwerke? Weil es, Leute, verdammt schwer umzusetzen ist.
Seit über 70 Jahren arbeiten Wissenschaftler am sogenannten Lawson-Kriterium – einer mathematischen Regel, die ihnen sagt, ob ein Plasma (der superheiße Materiezustand, in dem die Fusion stattfindet) heiß und dicht genug bleiben kann, und zwar lange genug, um Fusionsreaktionen aufrechtzuerhalten, ohne dass eine ständige externe Heizung nötig ist. Stellen Sie sich das so vor, als ob man versucht, ein Lagerfeuer unter unglaublich schwierigen Bedingungen brennen zu lassen. Das Ziel ist es, das Feuer so heiß zu machen, dass es sich selbst nährt.
Aber hier liegt der Haken: Dieses Kriterium sagte den Wissenschaftlern zwar, welche Bedingungen sie brauchten, aber nicht, wie sie diese am effizientesten erreichen.
Die Berg-Analogie, die tatsächlich hilft
Jetzt wird es interessant. Die Wissenschaftler des Princeton Plasma Physics Lab – von denen ich finde, dass sie viel mehr Aufmerksamkeit verdienen, als sie bekommen – haben beschlossen, dieses Problem anders anzugehen.
Stellen Sie sich den Weg zur Fusionszündung wie ein Gebirge vor. Das Ziel (die nachhaltige Fusion) liegt auf der anderen Seite. Der traditionelle Ansatz bestand im Wesentlichen darin, direkt über den höchsten Gipfel zu klettern: Zuerst das Plasma extrem verdichten und dann enorme Mengen an Hitze hineinpumpen, bis die Zündung erfolgt.
Doch diese Forscher sagten: „Was wäre, wenn es einen Gebirgspass gibt? Einen Weg drumherum?“
Ihre neuen Berechnungen deuten darauf hin, dass es ihn definitiv gibt. Anstatt zuerst die Dichte zu erhöhen: Was wäre, wenn wir das Plasma erhitzen, bevor wir es komprimieren? Es ist so, als würde man sich entscheiden, über einen Pass zu fahren, anstatt über den Gipfel zu klettern. Man erreicht zwar dasselbe Ziel, verbraucht aber viel weniger Energie auf dem Weg dorthin.
Dr. Luis Delgado-Aparicio hat es treffend formuliert: „Viele Unternehmen wollen den Berg frontal erklimmen und enorme Energie aufwenden, um dort anzukommen. Gehen Sie stattdessen um den Gipfel herum. Sie erreichen denselben Ort auf eine viel intelligentere Weise und verbrauchen viel weniger Energie.“
Was zum Teufel ist der „Cordey-Sattel“?
Jetzt muss ich darüber sprechen, denn es ist wirklich cool. Die Forscher haben in ihrer mathematischen Landschaft etwas identifiziert, das sie „Cordey-Sattel“ nennen.
In der Geografie ist ein Sattel ein tiefer Punkt zwischen zwei Berggipfeln – im Grunde ein natürlicher Durchgang durch die Berge. In der Fusionsphysik stellt der Cordey-Sattel den effizientesten Pfad über die Grenze zwischen einem Plasma, das externe Heizung benötigt, und einem Plasma, das sich durch die Fusion selbst erhält, dar.
Hier ist eine hilfreiche Art, es sich vorzustellen: Wissenschaftler messen die Fusionseffizienz mit einer Größe namens „Q“. Ein Q-Wert von 5 bedeutet, dass die Fusionsreaktionen fünfmal mehr Energie erzeugen, als man hineinsteckt. Der Cordey-Sattel liegt in einem idealisierten System bei etwa Q=5 – was nach viel klingt, aber eigentlich der einfache Weg über die Grenze ist. Das Problem ist, dass reale Fusionssysteme Komplikationen haben (Verunreinigungen, intensive Magnetfelder), die die Position dieses Sattels verschieben.
Zu verstehen, wo dieser Sattel bei einem bestimmten Reaktordesign tatsächlich liegt, ist entscheidend für die Frage, ob das Ganze überhaupt machbar ist.
Warum das für die Zukunft wichtig ist
Diese Forschung könnte massive Auswirkungen auf den Entwurf zukünftiger Fusionsreaktoren haben, insbesondere auf Tokamaks und Stellaratoren – die donutförmigen Geräte, die starke Magnetfelder nutzen, um Plasma bei Temperaturen einzuschließen, die heißer sind als der Kern der Sonne.
Was mich begeistert: Wir leben in einer wirklich bemerkenswerten Zeit für die Fusionsforschung. Zwischen dieser Entdeckung in Princeton, dem historischen Laser-Fusions-Durchbruch des National Ignition Facility und den Milliarden, die in private Fusionsunternehmen fließen, sind wir näher an der praktischen Fusionsenergie als je zuvor.
Wird die Fusion uns morgen vor dem Klimawandel retten? Nein. Es sind immer noch komplexe, teure Technologien, die noch Jahre entfernt sind. Aber Entdeckungen wie dieser Princeton-Abkürzung könnten den letzten Abschnitt der Reise viel kürzer und billiger machen.
Nach sieben Jahrzehnten des Versuchs, den Berg zu erklimmen, stellt sich heraus, dass es die ganze Zeit über eine malerische Route gegeben haben könnte. Und persönlich? Ich bin dabei.
Quelle: ScienceDaily