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Helium-3: Die Utopie im Weltraum

Durch Kernfusion mit Helium-3 vom Mond und Asteroiden sollen die Energieprobleme auf der Erde gelöst werden. Die Reaktortechnik ist dabei das kleinste Problem.

Artikel von veröffentlicht am
Konzept für eine Mondbasis
Konzept für eine Mondbasis (Bild: Nasa)

In Greifswald soll am Wendelstein 7-X die Plasmaphysik für künftige Fusionsreaktoren erforscht werden. Während diese Technik nach neun Jahren Bauzeit erst einmal getestet wurde und die praktischen Reaktoren erst noch entwickelt werden müssen, sind andere in der Planung schon viel weiter. Sie setzen ihre Hoffnungen für die Energiegewinnung auf Helium-3. Doch bevor Helium-3 alle Energieprobleme der Menschheit lösen kann, müsste die Menschheit erst einmal die Probleme mit dem Helium-3 lösen - und das dürfte unmöglich sein.

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Es wird als möglicher Brennstoff für die Kernfusion gehandelt. Bei der Fusion von Helium-3 und Deuterium entsteht genauso viel Energie wie bei der "konventionellen" Fusion von Tritium und Deuterium. Es ist aber keineswegs leichter, Helium-3 anstelle von Tritium zu benutzen. Es ist sogar viel schwerer. Die "konventionelle" Kernfusion von Deuterium und Tritium erreicht etwa die 100-fache Leistungsdichte der Kernfusion von Helium-3 mit Deuterium und braucht dabei nur ein Viertel der Temperatur.

Aber stellen wir diese Probleme einmal zur Seite. Sie sind eine reine Frage der Technik und prinzipiell lösbar. Es gibt keinerlei physikalische Probleme, die den Bau eines Fusionsreaktors unmöglich machen würden. Ganz anders sieht es mit den damit verbundenen Versprechen aus.

Helium-3 soll Kernfusion ohne Neutronen bringen...

Warum wird über Kernfusion mit Helium-3 gesprochen? Die Energie aus der Fusion von Deuterium und Tritium findet sich in einem Neutron wieder. Diese Neutronen müssen abgebremst werden und richten dabei gewisse Schäden an den Materialien der Reaktorwände an. Je nach Material der Reaktorwände werden diese noch dazu radioaktiv. Die Wahl der Materialien, in denen die Neutronen letztlich enden, ist dabei sehr frei. Es gibt auch Materialien, in denen nur radioaktive Isotope mit kurzer Halbwertszeit entstehen.

Bei der Fusion von Helium-3 und Deuterium entsteht dagegen ein Proton. Protonen sind geladene Teilchen, die mit dem Plasma interagieren und ihre Energie dort abgeben. Die gesamte Energie dieser Kernfusion könnte also direkt durch elektromagnetische Felder aus dem Plasma entnommen werden. Das Neutronen-Problem ist damit aber nur reduziert und nicht verschwunden.

... tut sie aber nicht

Bei der Fusion von Deuterium und Helium-3 ist immer Deuterium anwesend. Bei den Bedingungen im Reaktor kommt es aber auch zur direkten Fusion von Deuterium mit anderem Deuterium. Das lässt sich nicht vermeiden. Atomkernen kann nicht gesagt werden: Alles Deuterium bitte links aufstellen, alles Helium-3 bitte rechts. Jedes Helium-3 bitte nur einen Deuterium-Kern! Es ist alles wild gemischt, und sobald zwei Atomkerne mit ausreichend Energie zusammenstoßen, kommt es zur Fusion.

Bei der Fusion von Deuterium mit Deuterium entstehen entweder ein Helium-3-Atom und ein Neutron oder ein Tritium-Atom und ein Proton. Das Tritium fusioniert kurz darauf mit Deuterium zu Helium und einem Neutron. Helium-3 kann die Entstehung von Neutronen im Reaktor also nur reduzieren, aber nicht verhindern.

Nebenbei gesagt: Jeder Reaktor, der effektiv Helium-3 mit Deuterium fusionieren kann, kann genauso gut auch Deuterium mit Deuterium fusionieren, ganz ohne Helium-3. Es hat den Vorteil, dass es auf der Erde vorkommt: In einer Million Tonnen Wasser auf der Erde gibt es etwa 17 Tonnen Deuterium. In den Ozeanen gibt es damit 23 Billionen Tonnen Deuterium.

Helium-3 hingegen müsste vom Mond geholt werden. Und auch dort ist es selten. In den Bodenproben von Apollo 11 fand sich im besten Fall eine Konzentration von 100 ppb. Und zwar nur in Staubkörnern unter 10 Mikrometern Größe. Das sind also bestenfalls 100 Kilogramm Helium-3 in einer Million Tonnen feinstem Mondstaub. Schlimmer noch: Helium-3 entsteht bei der Kollision von Sonnenwind mit der Oberfläche. Nur in den obersten Schichten der Mondoberfläche finden sich überhaupt so hohe Konzentrationen.

Wie viel Energie entsteht bei der Helium-3-Fusion?

Natürlich kann mit Helium-3 bei einer Fusion sehr viel Energie frei werden. Aber wie viel genau? Bei der Fusion von einem Helium-3-Atom mit Deuterium werden etwa 18,6 MeV Energie frei. Zum Vergleich: Bei der Spaltung von U-235 sind es 200 MeV, davon werden 185 MeV unmittelbar im Reaktor nutzbar. Aus einem etwa 80-mal so schweren Atom wird die zehnfache Menge Energie frei. Das natürlich auch nur, weil das Deuterium hier auf der Erde ist und nicht vom Mond hergebracht werden muss.

Zur groben Abschätzung gilt, dass ein Kernkraftwerk mit einer Leistung von 1 GW etwa eine Tonne Uran pro Jahr spaltet - bei einer Effizienz von etwa 40 Prozent; in der Praxis liegt sie meistens niedriger. Jedes Fusionskraftwerk mit der gleichen Leistung bräuchte etwa 125 kg He-3 pro Jahr. Allein um die etwa 400 GW Leistung der Kernkraftwerke auf der Welt zu ersetzen, müssten jedes Jahr 50 Tonnen Helium-3 vom Mond zur Erde gebracht werden. Um die 5.000 GW der gesamten Stromversorgung der Welt sicherzustellen, müssten es 600 Tonnen He-3 pro Jahr sein.

Um 600 Tonnen Helium-3 zu produzieren, müssten jedes Jahr wenigstens 5 Milliarden Tonnen Mondstaub verarbeitet werden. Natürlich nur, wenn der Staub die äußerst hohe Konzentration von 100 ppb He-3 hat. Wieviel sind 5 Milliarden Tonnen? Die weltweite Produktion von Kohle auf der Erde beträgt derzeit etwa 8 Milliarden Tonnen.

Und das ist das Ende der Helium-3 Utopie. Sie scheitert am Fehlen jeder Größenvorstellung dessen, was dort vorgeschlagen wird. Mit diesem Problem ist die Utopie bei der Energieerzeugung allerdings in bester Gesellschaft. Für die Kernfusion als Ganzes gilt das hingegen nicht. Mit der ohnehin nötigen Reaktortechnik könnten die 5.000 GW des weltweiten Stromverbrauchs auch mit 1.100 Tonnen reinem Deuterium pro Jahr erzeugt werden, ganz ohne Bergbau auf dem Mond. Die vorhandenen Mengen in den Ozeanen würden dann noch für die nächsten 20 Milliarden Jahre reichen.



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Eheran 16. Dez 2015

Ich zitiere mich nur ungern, aber: Denkt eure Idee doch mal bis zum Ende.

ichbinsmalwieder 16. Dez 2015

Und stattdessen Strombetriebene nimmt, weil wir ja Strom im Überfluß haben o_O

m9898 15. Dez 2015

Sorry, ich hatte den falschen Zusammenhang. Das Problem liegt darin, dass es aktuell...

Eheran 14. Dez 2015

D-T ist einfacher (bzw. die Einfachste?!). Drum entwickelt man auch erst mal diese...

Dwalinn 14. Dez 2015

Der Artikel geht doch darum das es sich wohl nie lohen wird


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