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Zehn Meter Durchmesser hat die Vakuumkammer.
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Zehn Meter Durchmesser hat die Vakuumkammer.

Kernforschung

Laserblitze zünden das Sonnenfeuer

Forscher wollen mit der Kernfusion klimaneutral Energie erzeugen. Die baldige Nutzung zur Stromgewinnung liegt jedoch noch in weiter Ferne. Kritiker des Projekts glauben, dass das vordergründige Interesse ein rein militärisches ist.

Von Falk Dambowsky

Forscher wollen mit der Kernfusion klimaneutral Energie erzeugen. Die baldige Nutzung zur Stromgewinnung liegt jedoch noch in weiter Ferne. Kritiker des Projekts glauben, dass das vordergründige Interesse ein rein militärisches ist.

Konzentriert sitzen die Forscher vor den Bildschirmen. Ein letzter Blick auf die Anzeigen, dann heißt es: Zündung. Die größte Lasermaschine der Welt beginnt zu arbeiten. Ein winziger Laserpuls schaukelt sich über Verstärker zu einer gewaltigen Laserwelle auf, die von allen Seiten in das Zentrum einer zehn Meter hohen Stahlkugel einstrahlt. Dort im Vakuum trifft die gebündelte Energie auf eine winzige Kugel aus Wasserstoff und komprimiert diese auf die 20-fache Dichte von Blei. Das Ziel: Die Wasserstoffkerne sollen zu Helium verschmelzen – und dabei Energie im Überfluss abgeben.

Das gewaltige Laserexperiment, das den Petersplatz in Rom füllen würde, steht seit 2009 im beschaulichen Livermore in Kalifornien. Die National Ignition Facility (NIF), deren Bau 3,5 Milliarden US-Dollar verschlang, ist ein Mekka der Laserfusionsforschung. Hier haben die Wissenschaftler jüngst den gewaltigsten Laserschuss der Welt entfesselt. Mit einer Leistungsspitze von 500 Billionen Watt, tausendmal mehr Energie, als die USA in einer Sekunde benötigen, gelang ihnen der bisherige Höhepunkt ihrer Forschung. „Der Laser ist jetzt voll einsatzbereit, so wie es vor 20 Jahren geplant wurde“, verkündete stolz Ed Moses, der Chef der NIF.

Tiefgefrorene Wasserstoffatome, exakt zu Kügelchen mit zwei Millimetern Durchmesser geformt, werden in einer gerade mal neun Millimeter messenden Hohlraum-Brennkammer aus Gold platziert. Mithilfe des Riesen-Lasers soll der Wasserstoff in der Brennkammer soweit zusammengepresst werden, bis er bei einer Temperatur von 100 Millionen Grad zündet und zu schwereren Heliumatomen verschmilzt.

Fusion als Diät für Atome

Die Kernforscher der NIF arbeiten gerade an einer verbesserten Methode: der schnellen Zündung. Das UV-Laserlicht wird von beiden Seiten in den goldenen Hohlraumzylinder geschossen. Die Innenwand erhitzt sich dabei und wandelt Laserlicht in intensive Röntgenstrahlung. Im Innern des winzigen Zylinders presst die Röntgenstrahlung die Wasserstoffkapsel zusammen. Keine Zeitlupe genügt, um die Schnelligkeit dieses Vorgangs zu zeigen: Gerade einmal den 100-milliardsten Teil einer Sekunde, 10 Picosekunden, ist der Wasserstoff im Laserfokus zu einem heißen Plasma zusammengedrückt. „Zusätzliche Kurzpulslaser könnten den Zündfunken des Fusionsfeuers in einem komprimierten Brennstoffkügelchen in diesem Moment entfachen“, erläuterte der Physiker Andreas Kemp die schnelle Zündung in der Zeitschrift Spektrum der Wissenschaft. Er gehört zu den wenigen deutschen Wissenschaftlern am NIF-Projekt.

Gelingt die Fusion, verschmelzen die Wasserstoffatome paarweise zu Helium. Das ist für die Atome wie eine Diät. Sie verlieren Masse, die sich in Energie verwandelt, ganz nach Einsteins Formel: E=mc2. In einem Gramm Fusionsbrennstoff steckt dabei die Energie von 12,3 Tonnen Steinkohle. „Wir holen das Sternenfeuer ins Labor“, schwärmt Ed Moses. Und sein Kollege Riccardo Betti, Direktor des Fusion Science Center der Universität in Rochester (New York), meint begeistert: „Für mich ist der Laser der Star des Projekts.“ Im nächsten Jahr soll die schnelle Zündung zum ersten Mal getestet werden.

So euphorisch momentan die Stimmung unter den Wissenschaftlern ist, so gedämpft sind die Aussichten auf eine baldige Nutzung zur Stromgewinnung. Zu groß sind noch die Hürden, das Konzept eines auf winzige Kügelchen schießenden Riesenlasers auf einen kontinuierlichen Routinebetrieb zu übertragen. Dabei klingt das angestrebte Kraftwerksprinzip eigentlich wenig revolutionär: Die Kernfusion gibt Wärme frei, die mit Hilfe von Turbinen in Strom umgewandelt werden soll.

„Die größte Herausforderung für einen Laserfusionsreaktor stellt die hohe Wiederholungsrate von Implosionen dar, die für eine kommerzielle Nutzung erforderlich wäre“, so Kemp. „Zehn Brennstoffkapseln pro Sekunde, also eine Million am Tag, wären nötig.“ Zum Vergleich: Die NIF braucht heute noch rund sechs Stunden Anlaufzeit für einen einzigen Laserschuss. Zudem ist bisher noch nicht ausreichend geklärt, wie die als Produkt der Kernfusion auftretenden extrem hochenergetischen Neutronen wirkungsvoll aufgefangen werden sollen. Und auch die Frage der ausreichenden Brennstoffproduktion ist ein Problem.

„Das vordergründige Interesse der Laserfusionsforschung ist rein militärisch“, sagen denn auch Kritiker des Projekts wie der Physiker Wolfgang Liebert, Sprecher der Interdisziplinären Arbeitsgruppe Naturwissenschaft, Technik und Sicherheit (Ianus) an der TU-Darmstadt. „Ein Laserschuss zur Kompression und Verschmelzung eines zwei Millimeter Wasserstoffkügelchens ist wie eine Minibombe im Labor.“

Heißes Wasserstoffplasma als Konkurrenz

In der Tat ist der Bau der NIF militärisch finanziert und motiviert. Gesteuert wird das Projekt von der Nationalen Atomsicherheitsbehörde der USA. Man untersucht nicht nur die zivile Nutzung der Kernfusion. „Die Forscher der NIF wollen ebenfalls die physikalischen Vorgänge bei der Explosion einer Wasserstoffbombe besser verstehen“, so Liebert. Seit dem 5. August 1963 gibt es ein internationales Abkommen zum Stopp von Atomwaffentests. In der Folge suchten US-Forscher Alternativen für die Weiterentwicklung ihrer Kernwaffentechnik. Da passte es gut, dass der US-Physiker Theodore Maiman bereits 1960 den ersten Laser erfand. Seitdem tüftelten Wissenschaftler des Kalifornischen Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), zu dem heute auch die NIF zählt, an der Idee, Atombombentests mit Hilfe von Lasern zu miniaturisieren. 1972 machten der US-Physiker John Nuckolls und seine Kollegen erstmals ihre Ideen zur Laser-Kernfusion öffentlich, wobei sie auf die Perspektive der zivilen Nutzung hinwiesen. Die Paarung aus militärischer Forschung und ziviler Motivation ist bis heute erhalten.

Derzeit wird in Frankreich nahe Bordeaux mit dem Laser Mégajoule (LMJ) eine ähnlich leistungsstarke Anlage wie die amerikanische NIF aufgebaut. Die größte Konkurrenz für die US-Laserfusion kommt indes von Forschungskollegen mit einem anderen Konzept. Die alternative und von den meisten Wissenschaftlern bevorzugte Fusionsmethode schließt heißes Wasserstoffplasma in starke Magnetfelder ein.

Mit dem Joint European Torus (JET) gelang bereits 1991 die erste Kernfusion im Labor. Die nächste Generation der sogenannten Tokamak-Technik, der Internationale Thermonukleare Experimental Reaktor (Iter), wird derzeit im südfranzösischen Cadarache aufgebaut. Das Mammut-Projekt, dessen Kosten auf rund 15 Milliarden Euro geschätzt werden, soll ab 2026 erstmals so viel Fusionsenergie erzeugen, wie zur Plasma-Aufheizung verbraucht wird. Bereits 2014 soll in Greifswald der kleinere Versuchsreaktor Wendelstein 7-X in Betrieb gehen.

Trotz der Hindernisse und der engagierten Konkurrenz der wissenschaftlichen Kollegen bleiben die NIF-Forscher in Livermore an der malerischen San Francisco Bay zuversichtlich: „Innerhalb von zwölf Jahren, nachdem die Fusion im Laser zum ersten Mal zündet, könnte ein Pilotkraftwerk betriebsbereit sein“, so eine Studie des LNLL. Im nächsten Jahr soll die Zündung gelingen.

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