Kernfusion: Focused Energy will in Deutschland Atome fusionieren
Experimental Advanced Superconducting Tokamak, Wendelstein 7-X, National Ignition Facility – an verschiedenen Orten auf der Welt wird an Kernfusion geforscht. Weitere Großanlagen wie der Iter sind im Bau. Ein deutscher Forscher hat den Ehrgeiz, das erste funktionsfähige Kernfusionskraftwerk in Deutschland zu bauen.
Es soll das erste Kraftwerk werden, das per Trägheitseinschlussfusion(öffnet im neuen Fenster) Energie produziert. Das Unternehmen, das es bauen möchte, heißt Focused Energy(öffnet im neuen Fenster) . Sein Ziel ist es, in wenigen Jahren durch die Fusion der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium Energie zu erzeugen.
Das eigentliche Kraftwerk soll dann in 10 bis 15 Jahren stehen – und zwar gern in Deutschland, wie einer der Gründer von Focused Energy, der Physiker Markus Roth, Golem.de sagte. "Wir haben hier in Deutschland eine unglaublich tolle Technologielandschaft. Wir produzieren an unseren Universitäten ein enormes Wissen in der Grundlagenforschung, da sind wir weltweit nach wie vor sehr weit vorn."
Gewinne werden anderswo gemacht
Aber auch wenn hierzulande Spitzenforschung betrieben werde: Bei der praktischen Anwendung und der Kommerzialisierung würden die Gewinne oft im Ausland gemacht. "Seit Gründung vor knapp einem Jahr haben wir die Top-Wissenschaftler weltweit rekrutiert, die mit Hochdruck an unserer Technologie arbeiten. Unser Ziel ist es, diese in Deutschland zur Marktreife zu entwickeln und zum Hotspot für Kernfusion zu werden" , sagt Roth.
Roths Spezialgebiet ist Laserfusion an der Technischen Universität (TU) Darmstadt, dessen Entwicklungslabor von Focused Energy übernommen wird. Im Gegenzug wird die TU Anteilseigner an dem deutsch-amerikanischen Unternehmen.
Focused Energy hat sich auf die Targets spezialisiert, jene Behälter, in denen der Brennstoff in den Reaktor geschossen wird. Das Target ist ein etwa ein Millimeter großes Kügelchen, das mit den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium gefüllt ist. Der Energiegehalt des Kügelchens entspricht etwa dem eines vollgeladenen Akkus eines Tesla Model S mit rund 600 Kilometern Reichweite.
Laser beschießen Kügelchen mit Brennstoff
Bei der Laserfusion, wie sie von den großen Forschungslabors bisher verfolgt wird, wird das Kügelchen mit einer Geschwindigkeit von 300 bis 400 Metern pro Sekunde in einen 10 Meter großen Reaktor geschossen und in dessen Zentrum mit Laserstrahlen beschossen. Sie heizen dieses Kügelchen in wenigen Milliardstel Sekunden auf extrem hohe Temperaturen auf. Die äußere Schicht der Kugel dampft ab, sie explodiert. Der Rückstoß treibt das Innere des Kügelchens in Richtung Zentrum.
Dabei werde der Brennstoff innerhalb von 15 Milliardstel Sekunden von null auf 450 Kilometer pro Sekunde beschleunigt und im Zentrum verdichtet und weiter aufgeheizt – bis auf eine Temperatur von 140 Millionen Grad. "Wenn das passiert, dann entstehen an irgendeiner Stelle dieses Kügelchens die Bedingungen für die Fusion. Dann fangen die Atome an, miteinander zu verschmelzen" , erläutert Roth.
Es entsteht ein Heliumkern, und ein Neutron wird freigesetzt. Weil es elektrisch nicht geladen ist, verlässt es das Plasma und schlägt von innen in die Reaktorwand ein. Es wird gebremst und gibt dabei seine Energie in Form von Wärme an ein Medium ab. Das wiederum heizt ein Kühlmittel, das verdampft und eine Dampfturbine antreibt.
Heliumkerne heizen das Plasma weiter auf
Der elektrisch geladene Heliumkern hingegen bleibt im Plasma und gibt dort lokal seine Energie ab, was dazu führt, dass der Brennstoff weiter aufgeheizt wird. Dadurch finden mehr Reaktionen statt, es entstehen mehr Heliumteilchen, die den Brennstoff weiter aufheizen. Dann frisst sich eine nukleare Brennwelle von innen durch den Treibstoff nach außen, braucht mehr Treibstoff auf und liefert immer mehr Energie.
"Wenn das passiert, wird dabei ungefähr 100- bis 200-mal mehr Energie frei, als die Lasersysteme gebraucht haben, um dieses Kügelchen zu komprimieren" , sagt Roth. "Man schießt zehn Mal pro Sekunde so ein Kügelchen in diesen Reaktor, feuert mit den Lasern und kriegt zehn Mal pro Sekunde ungefähr 200 Mal mehr Energie raus, als man reinsteckt."
Das ist auch schon gelungen.
Laserfusion funktioniert
Am 8. August 2021 wurde an der National Ignition Facility(öffnet im neuen Fenster) (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) erstmals gezeigt, dass diese Form der Kernfusion funktioniert : "Wir haben das erste Mal so ein Kügelchen komprimiert. Die Zündung hat funktioniert, und man hat beobachtet, wie sich diese nukleare Brennwelle von innen nach außen frisst" , erzählt Roth, der selbst einige Jahre am LLNL gearbeitet hat.
Hundertprozentig erfolgreich sei der Versuch nicht gewesen, weil nicht deutlich mehr Energie herauskam, als aufgewendet wurde. "Aber die Physik hat funktioniert. Alle Physiker, die in dem Gebiet arbeiten, sind sich einig: Das Zünden und Brennen ist damit demonstriert."
Focused Energy verfolgt laut Roth einen anderen Ansatz in der Laserfusion: die lasergetriebene Ionenbeschleunigung. Dabei wird der Brennstoff weniger stark verdichtet, was Laserenergie und damit Kosten spart. Um den Brennstoff zu zünden, setzt das Unternehmen Ultrakurzpulslaser ein, dessen Entwickler 2018 den Physik-Nobelpreis erhielt .
Ionen werden beschleunigt
Mit einem solchen Laser wird eine dünne Folie beschossen und so durch Ladungstrennung ein gigantisches elektrisches Feld erzeugt. Das beschleunigt Ionen in der Folie auf ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit auf einer Beschleunigungsstrecke von der Dicke eines Blatts Papier. Die lasergetriebenen Ionenstrahlen werden dazu genutzt, um die Energie ins Zentrum dieser dichten Materie zu bringen, um die Brennwelle auszulösen.
Proton Fast Ignition heißt das Verfahren. "Es ist robuster, die Lasersysteme sind kleiner, und bei der Zündung gibt es eine höhere Verstärkung. Also pro Puls kriegt man mehr Energie dabei heraus" , zählt Roth die Vorteile auf.
Um zehn Mal pro Sekunde ein Kügelchen in den Reaktor zu schießen, ist eine hochpräzise Platzierung der Kügelchen notwendig. Die exakte Target-Positionierung ist daher robotergestützt. Der Target-Roboter, mit künstlicher Intelligenz unterstützt, ist bei Focused Energy schon einsatzbereit.
Bis zum Ende des Jahrzehnts will Focused Energy in Deutschland oder den USA eine Anlage bauen, an der es das Verfahren demonstrieren will. Das ist zwar serienreife Technik, sie wird aber noch keinen Strom liefern. Mitte der 2030er Jahre soll das erste Kraftwerk fertig sein, das Strom ins Netz speist.
Der Zeitplan ist aggressiv
Das sei sicher ein extrem aggressiver Zeitplan, gibt Roth zu. "Aber ohne extrem aggressive Pläne kriegen wir heute weder die Investitionen noch den Enthusiasmus der Leute. Wenn uns die Randbedingungen keinen Strich durch die Rechnung machen, dann, denken wir, sind die Pläne aggressiv, aber nicht unrealistisch."
Einen Standort für das Kraftwerk gibt es noch nicht. Focused Energy ist auf beiden Seiten des Atlantiks beheimatet, was laut Roth praktisch ist: In der Grundlagenforschung zur Laserfusion sind die USA führend. Wichtige Zulieferer hingegen sind deutsche Unternehmen: Dazu gehören Schott, Weltmarktführer für Laserglas, Zeiss, weltweit führend für Hochleistungsoptiken, oder Trumpf, das beispielsweise Chiphersteller in Asien mit Lasern beliefert.
Insofern könnte Focused Energys erstes Fusionskraftwerk in Europa, vielleicht sogar im Raum Darmstadt entstehen. Die Entscheidung dafür muss schon Anfang des kommenden Jahres fallen, unter anderem, damit die nötigen Komponenten verfügbar sind, wenn sie gebraucht werden.
So muss beispielsweise Schott eine neue Fabrik bauen, in der das Glas im Float-Prozess hergestellt wird, um den Bedarf an Laserglas zu decken. Da die Bauzeit drei Jahre beträgt, braucht das Unternehmen eine schnelle Entscheidung, ob es das neue Werk in Europa oder Nordamerika baut.
Die US-Regierung fördert Kernfusion
Aktuell stehen die Chancen besser für einen Standort in den USA. "60:40" , schätzt Roth. Das liegt unter anderem daran, dass die Regierung von US-Präsident Joe Biden gerade ein mehrere Milliarden US-Dollar schweres Förderprogramm für Fusionsenergie aufgelegt hat. Im Zuge dessen wurde Focused Energy kürzlich ins Weiße Haus eingeladen.
Das wiederum war ein Weckruf für die deutsche und die europäische Politik, mit der das Unternehmen aktuell Gespräche über Förderungen und politische Rahmenbedingungen führt. Er hoffe, dass Deutschland die Chance nutze, eine hierzulande entwickelte Technologie auch selbst zu vermarkten, statt sie, wie das oft geschieht, ins Ausland abzugeben, sagt Roth. "Aber wir können unseren Investoren auch nicht sagen, wir lehnen beispielsweise eine großzügige Förderung im Rahmen einer Public-Private-Partnerhship in den USA ab, weil uns der Äppelwoi in Frankfurt so gut schmeckt." Entschieden sei noch nichts. "Wir vier Gründer sehen die Sache momentan noch extrem offen."
Aber selbst wenn es mit der Kernfusion nicht sofort klappen sollte, macht sich Roth keine Sorgen um das Unternehmen.
Die Zeit drängt
Denn die Laser, die Focused Energy zusammen mit Partnern entwickelt, können nicht nur Wasserstoffisotope zum Fusionieren bringen. Mit einem anderen Target lässt sich damit zum Beispiel in einer extrem kleinen Quelle sehr harte Röntgenstrahlung erzeugen, die auch Stahlbeton von einem halben Meter Dicke durchdringt.
Damit ist es möglich, Bauwerke wie Brücken besser als heute zu inspizieren. Allein hier sieht Roth einen weltweiten Markt von über 100 Millionen US-Dollar in den nächsten Jahren. Mit einer solchen Sekundärstrahlungsquelle lassen sich auch Container durchleuchten. Ein Kampfmittelräumdienst interessiert sich dafür, weil er mit einem solchen Gerät erkennen könnte, ob das Metall, das das Bodenradar im Erdreich geortet hat, ein Stück Rohr oder eine Bombe ist. Angesichts des aktuellen Kriegs in der Ukraine dürfte diese Anwendung in Zukunft auch ein großer Markt sein.
"Dieses Konzept der Sekundärstrahlungsquellen ist ein zusätzliches Standbein und hat den Charme, dass es auf unserer Technologie basiert" , sagt Roth. "Es wird zurzeit von uns mit einer Reihe von Industriepartnern vorangetrieben. Dort wollen wir schon in zwei Jahren die ersten Produkte auf dem Markt haben."
Mehr Kraftwerke werden benötigt
Von den Einnahmen wiederum kann die Fusionsforschung weiter betrieben werden. Die Zeit drängt nämlich: "Wir haben keine 50 Jahre mehr, um die Kernfusion an den Start zu bekommen" , sagt Roth. "Um den weltweiten Energiebedarf zu decken, brauchen wir bis zum Jahr 2050 weltweit 41.000 Gigawatt-Kraftwerke – und die bitte alle CO2-frei" , rechnet er vor. "Um das zu schaffen, müssten wir jedes Jahr 1.300 Kraftwerke bauen. Wir bauen zurzeit aber nur 260 weltweit pro Jahr."
Deshalb sieht er auch Magnetfusionskraftwerke wie den Iter, der in Cadarache in Südfrankreich gebaut wird, oder das Startup Commonwealth Fusion nicht als Konkurrenten. Mit Trägheitseinschlussfusion allein lässt sich der Energiebedarf nicht decken.
Da müssen alle Fusionsinitiativen ebenso beitragen wie Windräder, Wasserkraftwerke und Solaranlagen. "Es wird nur mit einem diversifizierten Ansatz gehen, zu dem alle beitragen" , sagt Roth. "Wir werden es nur schaffen, wenn wir alle diese sinnvollen grünen Technologien zusammennehmen, um dem Klimawandel zu begegnen. Wir allein werden die Welt nicht retten, auch wenn wir immer spaßeshalber sagen: 'Das haben wir vor.'"