Wissenschaftler sind der Reproduktion der Kraft der Sonne verlockend nahe gekommen – wenn auch nur in einem Wasserstofffleck für den Bruchteil einer Sekunde.
Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory berichteten am Dienstag, dass sie durch den Einsatz von 192 gigantischen Lasern zur Vernichtung eines Wasserstoffpellets eine Explosion von mehr als 10 Billiarden Watt Fusionsleistung zünden konnten – Energie, die freigesetzt wird, wenn Wasserstoffatome zu Helium verschmolzen werden derselbe Prozess, der innerhalb von Sternen abläuft.
Tatsächlich verglich Mark Herrmann, stellvertretender Programmdirektor für grundlegende Waffenphysik bei Livermore, die Fusionsreaktion mit den 170 Billiarden Watt Sonnenschein, die die Erdoberfläche umspülen.
„Das sind etwa 10 Prozent davon“, sagte Dr. Herrmann. Und die gesamte Fusionsenergie strömte von einem Hotspot aus, der ungefähr so breit wie ein menschliches Haar war, sagte er.
Aber die Explosion – im Wesentlichen eine Miniatur-Wasserstoffbombe – dauerte nur 100-Billionstelsekunden.
Dennoch weckte dies einen Ausbruch von Optimismus bei Fusionswissenschaftlern, die lange hofften, dass die Fusion eines Tages eine grenzenlose, saubere Energiequelle für die Menschheit darstellen könnte.
„Ich freue mich sehr darüber“, sagte Siegfried Glenzer, ein Wissenschaftler am SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Kalifornien, der vor Jahren die ersten Fusionsexperimente in der Livermore-Anlage geleitet hatte, aber derzeit nicht an der Forschung. „Das ist für uns sehr vielversprechend, um eine Energiequelle auf dem Planeten zu erreichen, die kein CO2 ausstößt.“
Der Erfolg bedeutete auch einen Moment der Erlösung für Livermores Lasergerät in Fußballstadiongröße, das als National Ignition Facility oder NIF bezeichnet wird kaum eine Fusion. Im Jahr 2014 berichteten Livermore-Wissenschaftler schließlich über einen Erfolg, aber die damals erzeugte Energie war winzig – das Äquivalent dessen, was eine 60-Watt-Glühbirne in fünf Minuten verbraucht.
Am 8. August war der Energiestoß viel größer – 70 Prozent so viel wie die Energie des Laserlichts, das auf das Wasserstoffziel trifft. Das ist immer noch ein Verlustgeschäft als Energiequelle, die mehr Strom verbraucht als sie produziert. Die Wissenschaftler sind jedoch zuversichtlich, dass mit der Feinabstimmung des Experiments weitere Sprünge in der Energieabgabe möglich waren.
Dr. Herrmann sagte, dass die Wissenschaftler von Livermore normalerweise nicht sprechen würden, bis eine wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht wurde, in der die Ergebnisse beschrieben wurden. Aber diese Ergebnisse “haben sich wie ein Lauffeuer verbreitet”, sagte er, “und deshalb dachten wir, es wäre besser, jetzt einige Fakten zu veröffentlichen.”
Stephen Bodner, ein Plasmaphysiker im Ruhestand und seit langem ein Kritiker von NIF, gratulierte. „Ich bin überrascht“, sagte er. “Sie sind ihrem Ziel der Zündung und der Gewinnschwelle nahe genug gekommen, um es als Erfolg zu bezeichnen.”
Vielversprechender schienen die Fusionsreaktionen zum ersten Mal selbsterhaltend zu sein, was bedeutet, dass der Strom von Partikeln, der vom heißen Punkt im Zentrum des Pellets nach außen strömte, die umgebenden Wasserstoffatome erhitzte und ebenfalls zum Verschmelzen brachte.
Riccardo Betti, leitender Wissenschaftler am Labor für Laserenergetik der University of Rochester, gab eine Analogie zur Funktionsweise eines Automotors. „Sie liefern Energie in einem sehr kleinen Bruchteil des Kraftstoffs durch einen Funken in der Zündkerze, und diese Energie wird dann durch die Verbrennung des Kraftstoffs verstärkt“, sagte er. “Dasselbe passierte also beim Livermore-Experiment.”
Dr. Herrmann war umsichtiger und stellte fest, dass die Ergebnisse hinter der Definition eines Berichts der National Academy of Sciences aus dem Jahr 1997 zurückblieben, dass die erzeugte Fusionsenergie die von den Lasern an den Wasserstoff abgegebene Energiemenge überschreiten musste. „Wir stehen an der Schwelle“, sagte er.
Die Livermore-Wissenschaftler sagten, sie müssten ihre Ergebnisse sorgfältiger analysieren, bevor sie detailliertere Behauptungen aufstellen könnten.
Dr. Glenzer sagte jedoch, er sei sicher, dass sich die Fusion ausgebreitet habe. Die Fusionsreaktionen erzeugten eine Flut von subatomaren Teilchen, die als Neutronen bekannt sind – mehr als Instrumente zählen können.
“Die Daten sind ziemlich offensichtlich”, sagte Dr. Glenzer.
Die verbesserten Fusionsergebnisse helfen auch der National Ignition Facility, ihren Hauptzweck zu erfüllen – um zu überprüfen, ob Kernwaffen funktionieren. Nachdem die Vereinigten Staaten 1992 die unterirdischen Atomtests ausgesetzt hatten, argumentierten Laborbeamte, dass eine Methode erforderlich sei, um die Computermodelle zu überprüfen, die die Tests ersetzten.
Dr. Herrmann sagte, dass innerhalb von 24 Stunden nach dem jüngsten Experiment jemand, der an dem Programm zur Modernisierung von Atomwaffen arbeitet, das NIF-Team kontaktiert hat. “Sie sind daran interessiert, dies auf wichtige Fragen anzuwenden, die sie haben”, sagte er.
Das Zentrum der National Ignition Facility ist die Zielkammer, eine 10 Meter breite Metallkugel mit nach außen strahlenden Diagnosegeräten.
Der Laserkomplex füllt ein Gebäude mit einer Grundfläche von drei Fußballfeldern. Jede Explosion beginnt mit einem kleinen Laserpuls, der über teilreflektierende Spiegel in 192 Strahlen aufgespalten und dann durch Laserverstärker hin und her reflektiert wird, bevor er auf einen Goldzylinder von etwa der Größe und Form eines Radiergummis konvergiert.
Die Laserstrahlen treten oben und unten in den Zylinder ein und verdampfen ihn. Das erzeugt einen nach innen gerichteten Ansturm von Röntgenstrahlen, der ein BB-großes Brennstoffpellet aus sorgfältig gefrorenem Deuterium und Tritium, den schwereren Formen von Wasserstoff, komprimiert. In einem kurzen Moment verschmelzen die implodierenden Atome miteinander.
Seit den ersten vielversprechenden Ergebnissen aus dem Jahr 2014 haben die NIF-Wissenschaftler am Aufbau des Experiments herumgebastelt. Die den Wasserstoff enthaltenden Kapseln bestehen nun aus Diamant statt aus Kunststoff – nicht weil Diamant stärker ist, sondern weil er Röntgenstrahlen besser absorbiert. Die Wissenschaftler passten das Design des Goldzylinders und des Laserpulses an, um Instabilitäten zu minimieren.
Die Wissenschaftler verfügen nun auch über bessere Diagnosewerkzeuge.
Nach Jahren nur bescheidener Verbesserungen begannen sich die Kombinationen von Modifikationen auszuzahlen, und die Berechnungen deuteten darauf hin, dass der Schuss vom 8. August das verdreifachen könnte, was NIF im Frühjahr produziert hatte. Stattdessen betrug der Gewinn einen Faktor von acht, weit mehr als vorhergesagt.
„Ich glaube, alle waren überrascht“, sagte Dr. Herrmann. Ein Teil der aktuellen Analyse besteht darin, herauszufinden, welche Änderungen so gut funktioniert haben.
NIF selbst kann nicht als Blaupause für ein zukünftiges Kraftwerk dienen. Seine Laser sind ineffizient und er kann nur etwa einmal am Tag feuern. Ein Laserfusionskraftwerk müsste Wasserstoffpellets mit einer Geschwindigkeit von mehreren pro Sekunde verdampfen.
Dr. Glenzer sagte, SLAC arbeite an einem Lasersystem, das mit geringerer Leistung arbeiten, aber viel schneller feuern würde. Er hoffe, dass die Fusion, die in den letzten Jahren von Solarenergie und anderen Energietechnologien überschattet wurde, bei den Bemühungen, fossile Brennstoffe zu ersetzen, wieder an Bedeutung gewinnen würde.
Die Bundesfinanzierung für die Fusionsforschung ist gering, auch wenn die Biden-Regierung Wert auf die Reduzierung des Klimawandels gelegt hat.
„Manchmal kommt es vor, dass Sie im schlechtesten Jahr Ihrer Finanzierung die besten Ergebnisse erzielen“, sagte Dr. Glenzer.
Obwohl Dr. Bodner einen alternativen Ansatz zu dem im aktuellen Experiment bevorzugt, sagte er, dass das NIF-Ergebnis einen Weg nach vorne zeige.
„Es zeigt dem Skeptiker, dass an dem Konzept der Laserfusion grundsätzlich nichts auszusetzen ist“, sagte er. „Es ist an der Zeit, dass die USA mit einem großen Laserfusions-Energieprogramm vorankommen.“
Laser sind nicht der einzige Ansatz, um die Fusion für zukünftige Kraftwerke nutzbar zu machen.
Wissenschaftler haben auch Donut-förmige Reaktoren namens Tokamaks verwendet, die Magnetfelder verwenden, um den Wasserstoffbrennstoff einzuschließen und zu komprimieren. Ende der 1990er-Jahre konnte das Joint European Torus-Experiment in England für einen kurzen Moment 16 Millionen Watt Fusionsenergie erzeugen und damit etwa 70 Prozent des Energiebedarfs erzeugen. Ein internationales Projekt namens ITER baut derzeit in Frankreich einen größeren Tokamak-Reaktor, der 2025 in Betrieb gehen soll.