Kernfusion in Greifswald: Forscher entfachen Sonnenfeuer

Eine Energiequelle für die Zukunft? Wir berichteten bereits vor einem Jahr ausführlich zum Thema Kernfusion in Star Trek. Wer sich über die Funktionsweise einer Kernfusion informieren möchte, dem sei folgender Artikel "Kernfusion in Star Trek: Was ist das?" ans Herz gelegt. Heute berichten wir über einen Meilenstein der Fusionsforschung: In Greifswald haben Physiker das erste Mal mit einem neuartigen Testreaktor, dem Stellarator Wendelstein 7-X, ein Plasma erzeugen können.

Das Plasma wurde gezündet, Wendelstein 7-X. Quelle: http://www.welt.de

Durchbruch in der Kernfusions-Forschung?

Nach zehnjährigem Bau haben es Wissenschaftler in Greifswald, Mecklenburg Vorpommern, geschafft den Stellarator Wendelstein 7-X fertigzustellen. Dabei haben sie für knapp eine Zehntelsekunde ein für die Kernfusion unabdingbares Plasma entfachen können. Ziel des Experiments ist es eine Energiequelle für die künftige Menschheit bereitzustellen. Nicht nur die Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern, sondern auch der Klimawandel spielen dabei eine sehr gewichtige Rolle. Es wird nach Wegen der Stromerzeugung gesucht die Umwelt zu entlasten und Treibhausgase zu minimieren. Die positiven Ergebnisse der Weltklimakonferenz in Paris öffnen dabei die Türen für Alternativen in Sachen Energiegewinnung. Hier die Ergebnisse von Paris in Kürze:

Ergebnisse der Klimakonferenz in Paris 2015:

• Begrenzung der globalen Erwärmung auf deutlich unter 2°C 
• Reduzierung der Treibhausgasemissionen 
• Ausstieg aus Kohle- und Gasenergie, suchen nach Alternativen Energiequellen
• Unterstützung von armen Staaten bei der Anpassung der Klimaziele

Was ist Kernfusion?

Die Wissenschaftler des Max-Plank Instituts arbeiten an einem Experiment, mit dem die Energiefrage der Zukunft möglichst klimaneutral angegangen werden soll. Die Idee hinter diesem Vorhaben ist im wahrsten Sinne des Wortes die Energie der Sonne auf die Erde zu holen. Das soll mit der Kernfusion möglich sein, das Gegenteil der Kernspaltung. Im Vergleich zu gegenwärtigen Atomkraftwerken, wären Kernfusionskraftwerke sicherer und produzieren weniger schädliche Abfallprodukte. Zudem sind die Ressourcen zur Erzeugung einer Kernfusion auf unserem Planeten nahezu unerschöpflich vorhanden: In Form von Wasser. Wie ich schon in meinem Beitrag erwähnte, besteht das Prinzip einer Kernfusion darin, zwei Wasserstoffatome unter enormen Druck und extremer Hitze, innerhalb eines Plasmas, miteinander zu Helium zu verschmelzen. Dieser Vorgang zum Entstehen eines Heliumatoms erzeugt Bindungsenergie, welche zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
Das ganz simpel und sehr allgemein erklärt. Die Physiker unter uns mögen mich da berichtigen :)

Der Wendelstein 7-X vom Typ "Stellarator". Quelle: http://www.ipp.mpg.de/

Unterschied Stellarator und Tokamak

Während ich in meinem ersten Artikel über das grundlegende Prinzip eines Tokamak Reaktors gesprochen habe, entwickeln die Physiker in Greifswald ein ähnliches, aber in einigen Bereichen seiner Zusammenstellung, unterschiedliches Modell zur Umsetzung einer Kernfusion: Sie nennen es Stellarator. Der wichtigste Unterschied besteht im Erzeugen der Magnetfelder, die auch beim Tokamak genutzt werden, um das mehrere Millionen Grad heiße Plasma einzufangen und festhalten zu können. Der Stellarator besitzt geschwungene, beinahe in sich verlaufende Magnetspulen, wohingegen der Tokamak einfache Strukturen aufweist, die kreisförmig angeordnet sind. Der Vorteil des Stellarators ist, dass mit dieser komplizierten Form ein kontinuierlicher Betrieb möglich sein soll. Die ersten Schritte zum Zünden des Plasmas im Wendelstein 7-X wurden noch mit Helium unternommen, ab 2016 ist die Inbetriebnahme mit Wasserstoffatomen geplant.

Fazit: Das Feuer wurde entfacht, das Forschen geht weiter

Jetzt, da das Plasma zum ersten Mal erfolgreich im Stellarator erzeugt wurde, können die Experimente in Richtung Kernfusion weitergehen. Ziel der Wissenschaftler ist es, in baldiger Zukunft die Kernfusion kommerziell nutzbar zu machen, und eine Alternative für bestehende Energiequellen zu bieten und gleichzeitig eine umweltschonendere Energiequelle zur Verfügung zu stellen. Im folgenden Video könnt Ihr die erste Zündung des Stellarators "miterleben".



Zum Nachlesen: http://www.welt.de/wissenschaft/article149822520/Wendelstein-7-X-zaehmt-zum-ersten-Mal-das-Feuer-der-Sonne.html

Kernfusion in Star Trek - Was ist das?

Forscher arbeiten bereits seit 50 Jahren an einer Energiequelle, die die Antwort auf die Energiefrage der Zukunft liefern könnte. Die Rede ist von Kernfusion. Diese Art der Kernenergie ist eine mögliche Alternative zu bisherigen Energiegewinnungsformen. Doch kann diese Technik wirklich den Weg in ein neues Energiezeitalter ebenen? Star Trek meint ja...

Der ITER Forschungsreaktor in Frankreich, Quelle: ZDF NEO, Abenteuer Wissen - Kernfusion

Die Sonne macht es vor, ist sie doch das größte Kernfusionskraftwerk in unserem Sonnensystem. Warum also die natürlichste aller Energiequellen nicht auf die Erde holen?
Nachdem wir als Menschheit die Ressourcen unseres Planeten nahezu aufgebraucht, unsere Schadstoffe in die Atmosphäre geblasen und Meere verschmutzt haben, wäre es doch ein logischer Schritt neue Technologien zu ergründen, um uns von fossilen Brennstoffen unabhängiger zu machen und unsere Umwelt ein Stück weit zu entlasten, oder?

Was ist Kernfusion?

Kernfusion ist Kernenergie. Was gleich, wenn nicht sogar gleich-gefährlich klingt, ist das Gegenteil der Kernspaltung. Bei der Kernfusion werden Atomkerne miteinander verschmolzen, statt gespalten. Das entsteht dann, wenn zwei Wasserstoff-Atome aufeinander treffen und zu einem Heliumatomkern fusionieren. Beim heutigen Stand der Technik sind das die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium. Die Ressource, um eine Kernfusion in Gang zu setzen, ist also auf unserem Planeten in Form von Wasser nahe zu unendlich vorhanden. Der Knackpunkt dabei ist nur die Bedingungen für eine Kernfusion, wie wir sie auf der Sonne vorfinden, auf der Erde zu simulieren.
Um das zu schaffen, erzeugen Forscher mit Hilfe eines magnetischen Ringes ein mehrere Millionen Grad heißes Plasma, indem sie die besagten Wasserstoffatomkerne aufeinander treffen lassen. Weil Wasserstoffatome jeweils aus einem Proton bestehen, stoßen diese sich im Normalfall ab. "Presst" man diese Atomkerne zusammen, entsteht sogenannte Bindungsenergie, die zur Energieerzeugung genutzt werden kann.

Zwei Wasserstoffatome verbinden sich zu einem Heliumatom und erzeugen Energie, Quelle: Eigenes Gekritzel

Was der Kernspaltung (zurecht) nachgesagt wird, ist ihre extreme Umweltbelastung durch radioaktive Brennstoffe. Uran oder Plutonium haben ein Halbwertszeit von Jahrhunderten und belasten die Umwelt über mehrere Generationen hinweg, während Tritium nur eine Halbwertszeit von 12 Jahren hat. Trotzdem können während der Kernfusion Materialien radioaktiv werden und zwischen 50 und 100 Jahren strahlen. Trotzdem kann es bei der Kernfusion nicht zu Kernschmelzen kommen, da mehrere Komponenten nötig sind, um einen Kreislauf aufrechtzuerhalten. Fällt eine dieser Komponenten aus, erlischt der Reaktor. Katastrophen wie in Tschernobyl wären somit ausgeschlossen.

Star Trek und Kernfusion

In Star Trek ist die Energieerzeugung durch Kernfusion neben der Materie und Antimateriereaktion die zweit wichtigste Energiegewinnungsform. Fusionsreaktoren werden auf Raumschiffen für die Versorgung der Hauptsysteme, aber auch als Antriebsquelle der Impulstriebwerke verwendet. Außerdem dienen sie als Backup-Energie, so können Schiffe auch ohne aktivierten Warpkern weiterfliegen. Ein Beispiel wäre die Folge Star Trek: Voyager: "Tag der Ehre". Hier wurde nach einem missglückten Experiment der Warpkern der USS Voyager abgestoßen. Trotz dieser verlorenen Hauptenergiequelle konnte die Voyager ohne sofortigen Energieverlust mit Impulsantrieb weiter fliegen.



Da stellt sich die Frage, warum in Star Trek: Into Darkness die Enterprise über keine Energie mehr verfügt, um der Erdanziehung zu trotzen, wenn laut Story nur der Warpkern beschädigt ist? Was ist mit den Fusionsreaktoren, die für solche Situationen als Backup dienen? Schieben wir das einfach mal auf die Dramaturgie des Films, dass die Fusionsreaktoren weggelassen wurden. Komischerweise diente eine reale Fusions-Forschungsanlage für die Kulisse des Warpreaktors im letzten Star Trek Film von 2013.

Wo steht die Kernfusion heute im 21. Jahrhundert?

Momentan leben wir in einer Welt, in der die Energiefrage hitzig diskutiert wird. Auf der einen Seite stehen die Befürworter für eine Energiewende mithilfe von erneuerbaren Energien. Auf der anderen Seite argumentieren die Kohle- oder Atomkraft-Sympathisanten. Dabei haben die letzten Jahre gezeigt, dass die Nutzung durch Atomkraftwerke zu schwerwiegenden Katastrophen führen kann  (Fukishima, Tschernobyl). Auch die Energiegewinnung durch Kohle führt zu einer immer stärkeren Umweltbelastung, Smogwolken in China sind die wohl offensichtlichsten Anzeichen. Nicht zu vergessen das sogenannte Fracking (Faszination Wissen BR, Was ist Fracking | Video), dass bereits in den USA und mit Sicherheit auch demnächst in Deutschland kommerziell praktiziert werden wird. Beim Fracking werden Chemikalien in die Erde gepumpt, um an Erdgas zu gelangen, einer der Nebeneffekte ist, dass das Grundwasser verschmutzt wird.

Spock fast uns Menschheit logisch zusammen!
Genutzte Quellen für diese Collage: images.fotocommunity.de, www.polpix.sueddeutsche.com, www.img.welt.de und www.nationalgeographic.de

Doch was sind die Alternativen? Erneuerbare Energiequellen haben es schwer, da sie zu teuer sind oder politisch verhindert werden. Auch scheint nicht jeden Tag die Sonne oder weht der Wind. Dabei stehen wir momentan an der Schwelle eines neuen Energiezeitalters, ermöglicht durch einen effizienteren Einsatz von Hoch-Technologien. Ein Luxus, der uns erlauben sollte, neue Dinge auszuprobieren - der weltweit wachsenden wirtschaftlichen Produktivität würde es mit Sicherheit nicht schaden. Wie wäre es da mit einem Dritten Energieweg? Dieser könnte einen Kompromiss darstellen, der sowohl den Umweltschutz einbezieht, als auch die Energiefrage für die kommenden Generation lösen kann, ohne weiter an den natürlichen Ressourcen der Erde zu nagen, die unweigerlich in naher Zukunft ausgeschöpft sein werden. Ist dieser Kompromiss die Kernfusion?

Gefahren der Kernfusion

Bei allen Vorteilen, bringt die Kernfusion, wie auch jede neue Form der Technologie, Gefahren mit sich, dies soll nicht verschwiegen werden.
Wie auch bei der Kernspaltung entstehen bei der Kernfusion radioaktive Abfälle, die dem Menschen und der Umwelt schaden können. Diese entstehen durch den Neutronenbeschuss auf Reaktorwände, was diese radioaktiv werden lässt. Auch hier müssen verwendete Komponenten nach einer gewissen Zeit entsorgt und stetig erneuert werden, da Forscher bisher noch keine Materialen gefunden haben, die den Extrembedingungen der Kernfusion auf einem längern Zeitraum oder gar einer kommerziellen Anwendung standhalten können. Beim heutigen Stand der Forschung werden die Elemente Deuterium und Tritium genutzt, wobei Tritium allein schon radioaktiv ist. Aber wie bereits beschrieben, die erzeugten Abfälle für die Durchführung einer Kernfusion haben eine geringe Halbwertzeit. Trotzdem, hier besteht noch reichlich Forschungsbedarf.

In die Zukunft mit Kernfusion? Quelle: Star Trek: Der Film (1979)

Fazit

Ist Kernfusion wirklich die Energie der Zukunft? Die Antwort auf diese Frage kann an dieser Stelle nicht beantwortet werden. Mit Sicherheit kann aber gesagt werden, dass ein Wandeln folgen wird, wenn es nichts mehr zu verbrennen gibt und unsere Lebensgrundlage bröckelt.
Dann werden alle lokalen Auseinandersetzungen und Luxusprobleme nichtig und es wird eine globale Lösung nötig sein. Kernfusion steckt noch in den Kinderschuhen und alle Kritik an ihr ist berechtigt, da auf viele offene Fragen noch keine Antworten gefunden wurden.
Eins hat die Forschung an der Kernfusion aber bereits erreicht. Um das Projekt ITER zu realisieren, haben sich Nationen, wie die USA, Russland, China und die Europäische Union zusammengesetzt, um ein gemeinsames Ziel zu erreichen. Schon allein das ist ein großer Erfolg und steht dafür, dass global eine Lösung für die Energiefrage der Zukunft gefunden werden kann - wenn man es möchte.

Zum Ende noch zusammenfassende Worte von unseren geschätzten Professor Harald Lesch zum Thema Kernfusion



Artikel, die helfen können, sich ein eigenes Bild über Kernfusion zu machen:

Was ist Kernfusion?:
http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/fusion21/kernfusion/index.html

Radioaktive Abfälle, die bei Kernfusion entstehen
http://www.scinexx.de/dossier-detail-134-12.html

Fortschritte in der Forschung der Kernfusion:
http://www.zeit.de/wissen/2014-02/kernfusion-energie-erfolg-usa

Was sind die Gefahren der Kernfusion
http://ksi.jimdo.com/konzept/kernfusion-keineswegs-so-unproblematisch/