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Energie der Zukunft: Kommt die Kernfusion früher als gedacht?

  • Veröffentlicht: 11.12.2021
  • 17:45 Uhr
  • Peter Schneider

Kernfusion bedeutet Energie im Überfluss. Problem: Es braucht mehr als 100 Millionen Grad und gigantische Magnetfelder, um das Sonnenfeuer auf der Erde zu entfachen. Doch Forscher:innen haben nun womöglich einen Durchbruch erzielt. Wie eine künstliche Sonne funktioniert, erklären wir im Clip.

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Das Wichtigste zum Thema Kernfusion

  • In der Sonne verschmilzt Wasserstoff zu Helium. Forscher versuchen das Prinzip der Kernfusion auch auf der Erde zu nutzen.

  • US-Wissenschaftler:innen haben nun das stärkste Magnetfeld erzeugt, das jemals in der Fusionsforschung gemessen wurde (siehe unten).

  • Anfang 2021 hatten Forscher in Südkorea bereits ein 100 Millionen Grad heißes Sonnenfeuer für 20 Sekunden entfacht - mehr als doppelt so lange wie bisher. Ein chinesischer Experimentalreaktor soll im Juni sogar 160 Millionen Grad erreicht haben.

  • Das Kernfusion genannte Prinzip setzt riesige Energien frei. In einem Kraftwerk würde 1 Gramm Wasserstoff so viel Energie erzeugen wie 11 Tonnen Steinkohle.

  • Das bedeutet: Ein Gramm Wasserstoff-Brennstoff würde 30 Tonnen Kohlendioxid sparen, die sonst beim Verbrennen von Kohle in die Atmosphäre gelangen.

  • Die Technik ist klimaneutral, aber kompliziert. Experten glauben daher, dass Fusions-Kraftwerke erst in 50 Jahren ans Netz gehen - wenn überhaupt. Denn noch ist unklar, ob Kernfusion zum Beispiel mit Windenergie wirtschaftlich konkurrieren kann.

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Der Rekord-Reaktor in Südkorea

Das Innere des südkoreanischen Reaktors KSTAR. Forscher heizten darin Wasserstoff auf 100 Millionen Grad Celsius auf. Das ist heißer als im Inneren der Sonne. Dort sind es "nur" 15 Millionen Grad.
Das Innere des südkoreanischen Reaktors KSTAR. Forscher heizten darin Wasserstoff auf 100 Millionen Grad Celsius auf. Das ist heißer als im Inneren der Sonne. Dort sind es "nur" 15 Millionen Grad. © KFE

So schüren wir das Sonnenfeuer auf der Erde

  • Schon 1 Gramm Wasserstoff reicht aus, um die ringförmige Reaktorkammer zu befüllen. Darin herrscht ein Vakuum.

  • Damit 2 Wasserstoff-Atome auf der Erde verschmelzen können, müssen sie auf mehr als unglaubliche 100 Millionen Grad Celsius erhitzt werden.

  • Der heiße Brennstoff darf mit nichts in Kontakt kommen. Sonst würde er sofort kalt werden. Forscher halten ihn mit haushohen Elektromagneten in einem Magnetfeld gefangen.

  • Bei der Kernfusion entstehen elektrisch neutrale Teilchen. Diese Neutronen können das Magnetfeld verlassen und die Reaktorwand durchdringen. Wenn sie dahinter auf eine Prallwand treffen, geben sie ihre Energie als Wärme ab. Daraus lässt sich schließlich Strom erzeugen.

  • Weltweit gibt es weniger als 20 Anlagen, in denen das Sonnenfeuer erforscht wird. Es kostet Milliarden, einen Testreaktor zu bauen.

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Das unheimliche Leuchten der Fusions-Reaktoren

Das Wasserstoffgas in den ringförmigen Fusionsreaktoren ist so heiß, dass sich die Elektronen von den Atomkernen trennen. Das leuchtende Gemisch nennt sich Plasma.
Das Wasserstoffgas in den ringförmigen Fusionsreaktoren ist so heiß, dass sich die Elektronen von den Atomkernen trennen. Das leuchtende Gemisch nennt sich Plasma.© IPP

Der Magnetfeld-Rekord

🧲 Mit einem neuartigen Magneten haben Forscher:innen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein rekordverdächtiges Magnetfeld von 20 Tesla erzeugt - 8 Tesla mehr als bisher der Magnet des europäischen Vorzeigeprojekts ITER. "Tesla" ist die Einheit für die "magnetische Flussdichte", also die Stärke eines Magnetfelds.

📦 Vorteil: Je stärker das Magnetfeld, umso besser lässt sich das Brennstoff-Plasma im Reaktorgefäß einschließen - und umso kleiner lässt sich der Reaktor bauen. Laut Plan soll der Reaktor 40-mal weniger Volumen aufweisen als ITER. Das macht ihn handlicher und billiger.

🥶 Die Forscher nutzen Yttrium-Barium-Kupferoxid für ihren Supermagneten. Der exotische Stoff ist ein Supraleiter: Er leitet Strom bei extremer Kälte fast ohne Widerstand.

🥧 Nachteil: Bei Forschern war das Material als spröde berüchtigt. Nach Angaben des MIT konnten sie das Problem aber in den Griff bekommen und zu Spulen walzen.

😵 Das MIT entwickelt mit der Firma Commonwealth Test-Fusion Systems den Testreaktor "Sparc". Mithilfe der starken Magnete soll er schon 2025 fertig sein und bis zu 100 Megawatt Leistung bringen. Dabei soll er zehnmal mehr Energie erzeugen als verbrauchen - das wäre eine Sensation!

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So funktioniert der Supermagnet

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Warum es so schwierig ist, das Sonnenfeuer auf der Erde zu zünden

Energie der Zukunft: Kommt die Kernfusion früher als gedacht?

In der Sonne ist es 15 Millionen Grad heiß. Der Druck ist 200 Milliarden Mal höher als auf der Erde. Ideal, um Atome miteinander zu verschmelzen.
In der Sonne ist es 15 Millionen Grad heiß. Der Druck ist 200 Milliarden Mal höher als auf der Erde. Ideal, um Atome miteinander zu verschmelzen. © NASA
Auch in Deutschland wird versucht, diese Bedingungen zu simulieren. In der Fusions-Anlage "Wendelstein 7-X" in Greifswald wird an heißem Wasserstoffplasma geforscht. Der 725 Tonnen-Koloss hat es bereits auf 40 Millionen Grad Celsius gebracht.
Auch in Deutschland wird versucht, diese Bedingungen zu simulieren. In der Fusions-Anlage "Wendelstein 7-X" in Greifswald wird an heißem Wasserstoffplasma geforscht. Der 725 Tonnen-Koloss hat es bereits auf 40 Millionen Grad Celsius gebracht.© IPP, Anja Ullmann
So sieht es im Inneren der Wendelstein-Anlage aus.
So sieht es im Inneren der Wendelstein-Anlage aus.© IPP, Jan Michael Hosa
Teilstück der Reaktorwand des Wendelstein-Reaktors. Hier fließt später das Plasma durch - ohne sie zu berühren.
Teilstück der Reaktorwand des Wendelstein-Reaktors. Hier fließt später das Plasma durch - ohne sie zu berühren.© IPP, Wolfgang Filser
Um die ringförmige Reaktorröhre werden riesige Magneten montiert. Sie erzeugen ein Magnetfeld, das das Plasma einschließt.
Um die ringförmige Reaktorröhre werden riesige Magneten montiert. Sie erzeugen ein Magnetfeld, das das Plasma einschließt.© IPP
Das Magnetfeld in einem Fusionsreaktor beträgt etwa 10 Tesla. Das ist kein Elektro-Sportwagen, sondern die Einheit für magnetische Kräfte. 10 Tesla ist etwa 1.000-mal stärker als ein handelsüblicher Hufeisenmagnet.
Das Magnetfeld in einem Fusionsreaktor beträgt etwa 10 Tesla. Das ist kein Elektro-Sportwagen, sondern die Einheit für magnetische Kräfte. 10 Tesla ist etwa 1.000-mal stärker als ein handelsüblicher Hufeisenmagnet.© IPP, Beate Kemnitz
In Südfrankreich wird der Fusionsreaktor ITER gebaut. Hier soll eines Tages schon ein richtiges Sonnenfeuer brennen.
In Südfrankreich wird der Fusionsreaktor ITER gebaut. Hier soll eines Tages schon ein richtiges Sonnenfeuer brennen.© ITER
Mit der Z-Maschine schießen US-Forscher den größten Röntgenblitz der Erde auf Wasserstoffkügelchen. Der Wasserstoff erreicht dabei eine Temperatur von über 2 Milliarden Grad Celsius. Für eine Milliardstel-Sekunde fließt in der Anlage 80-mal mehr Energie, als auf dem gesamten Planeten verbraucht wird.
Mit der Z-Maschine schießen US-Forscher den größten Röntgenblitz der Erde auf Wasserstoffkügelchen. Der Wasserstoff erreicht dabei eine Temperatur von über 2 Milliarden Grad Celsius. Für eine Milliardstel-Sekunde fließt in der Anlage 80-mal mehr Energie, als auf dem gesamten Planeten verbraucht wird.
In der Sonne ist es 15 Millionen Grad heiß. Der Druck ist 200 Milliarden Mal höher als auf der Erde. Ideal, um Atome miteinander zu verschmelzen.
Auch in Deutschland wird versucht, diese Bedingungen zu simulieren. In der Fusions-Anlage "Wendelstein 7-X" in Greifswald wird an heißem Wasserstoffplasma geforscht. Der 725 Tonnen-Koloss hat es bereits auf 40 Millionen Grad Celsius gebracht.
So sieht es im Inneren der Wendelstein-Anlage aus.
Teilstück der Reaktorwand des Wendelstein-Reaktors. Hier fließt später das Plasma durch - ohne sie zu berühren.
Um die ringförmige Reaktorröhre werden riesige Magneten montiert. Sie erzeugen ein Magnetfeld, das das Plasma einschließt.
Das Magnetfeld in einem Fusionsreaktor beträgt etwa 10 Tesla. Das ist kein Elektro-Sportwagen, sondern die Einheit für magnetische Kräfte. 10 Tesla ist etwa 1.000-mal stärker als ein handelsüblicher Hufeisenmagnet.
In Südfrankreich wird der Fusionsreaktor ITER gebaut. Hier soll eines Tages schon ein richtiges Sonnenfeuer brennen.
Mit der Z-Maschine schießen US-Forscher den größten Röntgenblitz der Erde auf Wasserstoffkügelchen. Der Wasserstoff erreicht dabei eine Temperatur von über 2 Milliarden Grad Celsius. Für eine Milliardstel-Sekunde fließt in der Anlage 80-mal mehr Energie, als auf dem gesamten Planeten verbraucht wird.
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Willst Du noch mehr über die Superenergie-Quelle erfahren?

ITER - das Höllenfeuer in Greifswald

Wie gefährlich ist die Kernfusion?

💣 Kernfusion ist das Gegenteil von dem, was in Atomkraftwerken passiert. Bei der Kernspaltung zerfallen große Uran-Atome und setzen dabei Energie frei. Bei der Fusion verschmelzen kleine Wasserstoff-Atome - wodurch Energie freigesetzt wird.

💥 Der Vorteil vom Sonnenfeuer: Fusionskraftwerke können nicht explodieren. Der Brennstoff reicht dafür nicht aus. Und sobald das Magnetfeld zusammenbricht, geht das Fusionsfeuer sowieso aus.

⚛️ Kritiker:innen befürchten: Mit der Neutronen-Strahlung, die in Fusionskraftwerken entsteht, ließe sich Atomwaffen-fähiges Plutonium herstellen.

☢️ Auch in einem Fusionskraftwerk werden Bauteile verstrahlt, die aufwendig entsorgt werden müssen. Die Strahlung hält aber längst nicht so lange an wie bei herkömmlichen Atomkraftwerken.

Die Super-Bombe

Die Technik der Kernfusion an sich ist nichts Neues. Als Bombe gibt es sie schon seit 1952. Damals zündeten die US-Amerikaner ihre erste Wasserstoffbombe "Castle Bravo"". Es war die stärkste US-Bombe überhaupt. Die Sprengkraft entsprach etwa 15.000.000 Tonen TNT, umgerechnet 1.150 Hiroshima-Atombomben.

Der Knackpunkt: Um Energie zu gewinnen, muss Kernfusion kontrolliert ablaufen. Das ist viel schwieriger, als alles in die Luft zu jagen.

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