Mit einem neuen gigantischen Laser wollen amerikanische Forscher der Kernfusion zum Durchbruch verhelfen – und die atomare Schlagkraft der US-Armee sichern.
Es ist kompliziert, Zutritt zu bekommen. Schon Monate vorher verlangt die Sicherheitsabteilung eine Litanei an Auskünften: Adresse, Geburtsdatum, Telefon, Reisepass, Visum. Bei der Ankunft im Empfangsbüro knipst eine Digitalkamera das Bild für einen Ausweis. Er sei, so mahnt die Dame hinterm Tresen, stets deutlich sichtbar an der Jacke zu tragen. Und: Handys und Fotoapparate müssen draußen bleiben. Außerdem dürfen sich auf dem Forschungsgelände nie zwei Ausländer im selben Raum aufhalten, ohne dass ein US-Bürger zugegen ist. Das Prozedere macht klar: Im Lawrence Livermore National Laboratory geht es um Dinge, die die nationale Sicherheit der USA berühren. Nach Los Alamos, wo die Atombombe entwickelt wurde, ist Livermore in Kalifornien mit fast 10 000 Mitarbeitern das zweitgrößte Militärforschungszentrum der Vereinigten Staaten. Es liegt anderthalb Fahrstunden östlich von San Francisco am Highway 580 zwischen Weinbergen und kargen Hügeln. Das neue Megaprojekt, an dem man in Livermore mit Hochdruck arbeitet, wird eine der größten Forschungsmaschinen der Welt sein: der stärkste Laser, den es je gegeben hat – 3,5 Milliarden Dollar teuer, eingebaut in eine Halle, die so groß ist wie ein Fußballstadion. Die NIF, die National Ignition Facility, verfolgt eine Doppelmission: Sie soll der kontrollierten Kernfusion zum Durchbruch verhelfen – eine mögliche Energiequelle der Zukunft, unerschöpflich und klimaschonend. Und die NIF soll Daten für das Nuklearwaffen-Programm der USA liefern.
Die Laserhalle befindet sich am anderen Ende des Geländes, eine Meile vom Eingang entfernt. Die Fahrt geht vorbei an zahlreichen Labors, Bürotrakts und Experimentierhallen – darunter dem „Superblock”: Stacheldraht, abgerichtete Hunde, Wachposten, in den Gewehren scharfe Munition. „Das ist unser Plutoniumlabor”, erklärt Livermore-Mitarbeiter Bob Hirschfeld. Auf der anderen Seite des Zauns untersuchen die Superblock-Experten etwa, wie lange das Plutonium in den Sprengköpfen des US-Atomwaffenarsenals hält. „1952 wurde Livermore als Waffenlabor gegründet”, erzählt Hirschfeld. „Doch mittlerweile laufen hier immer mehr zivile Projekte.”
DER SCHNELLSTE RECHNER DER WELT
So entwickeln die Forscher Strahlendetektoren, die Koffer am Flughafen nach radioaktivem Inhalt durchforsten, und Sensoren, die Krankheitskeime in der Luft aufspüren. Und sie arbeiten an einer künstlichen Netzhaut, die Blinde sehend machen soll. „ Außerdem haben wir den schnellsten Supercomputer der Welt”, sagt Hirschfeld stolz. Der IBM-Bolide namens BlueGene taktet dreimal so fix wie der zweitbeste Superrechner und dient vorrangig zur Simulation von Nuklearexplosionen. Dann das Ziel: die stadiongroße Halle, in die der größte Laser der Welt eingebaut wird. Im Foyer wartet Physiker Robert Kauffman, einer der Pioniere des NIF-Projekts. „1993 begannen wir mit der Planung”, erinnert er sich. „Zwei Jahre später wurde das Projekt bewilligt, und voraussichtlich 2009 wird der Laser fertig sein.”
Dann soll die NIF eine kontrollierte Kernfusionsreaktion zünden. Bei der Fusion verschmilzt Wasserstoff zu Helium, Energie wird frei. In der Natur läuft die Kernfusion im Inneren der Sonne und anderer Sterne ab. Auch der Wasserstoffbombe verleiht sie ihre gewaltige Explosionskraft. Seit Jahrzehnten versuchen die Physiker die Kernverschmelzung zu zügeln, um mit ihr in Kraftwerken Energie zu gewinnen. Dabei soll weder Treibhausgas freigesetzt werden noch langlebiger Atommüll entstehen. Die Rohstoffe Wasser und Lithium – woraus der Brennstoff Tritium gewonnen wird – sind praktisch unerschöpflich. Die meisten Fusionsforscher versuchen es mit der Magnetfusion: Sie sperren Wasserstoffgas in einen Magnetkäfig und erhitzen es so stark, dass es zu Helium verschmilzt.
Im Lichthagel von 192 Blitzen
Den Durchbruch soll im nächsten Jahrzehnt das internationale Experiment ITER bringen: ein 30 Meter hoher und 5 Milliarden Euro teuer Reaktor, der bald in Südfrankreich gebaut wird (bdw 9/2005, „Kernfusion – Europa macht den Stich”). Er soll ein loderndes Fusionsfeuer entfachen und beweisen, dass die Kernfusion als Energiequelle für die Menschheit taugt. In Livermore setzt man auf den konkurrierenden Weg: die Trägheitsfusion. Ein Laser schießt dazu 192 ultrastarke Blitze von allen Seiten auf ein millimeterkleines Wasserstoff-Kügelchen. Die Strahlen sollen das Deuterium-Tritium-Gemisch erhitzen und so stark zusammenpressen, dass die Wasserstoff-Kerne zu Helium verschmelzen und dabei Energie liefern. Das wäre eine Art Wasserstoffbombe im Miniformat. Damit sie funktioniert, müssen die Laserblitze unvorstellbar stark sein. So gewaltige Laser gibt es noch nicht, weshalb man in Livermore die NIF baut. Der Laser in Zahlen: Für den Wimpernschlag von wenigen Milliardstel Sekunden soll er bis zu 500 Terawatt leisten – 1000 Mal so viel wie der gesamte Kraftwerkspark der USA. Der Fahrstuhl fährt nach oben, dann geht es weiter durch einen schmalen Gang. Eine der Türen führt zum sogenannten Master Oscillator Room. „Hier entsteht der Laserblitz” , sagt Bob Kauffman. „Seine Frequenz liegt im Infraroten, erzeugt wird er durch einen kleinen Halbleiterchip.” Dieser Chip arbeitet äußerst genau und kann den Blitz sehr präzise formen – das ist wichtig, um das Wasserstoff-Kügelchen überhaupt gezielt zünden zu können.
Doch mit einer Energie von wenigen Nanojoule ist der Lichtpuls sehr schwach. Die Forscher müssen ihn deshalb, nachdem sie ihn in 192 Einzelblitze gespalten haben, gewaltig verstärken. Das passiert in zwei Laserhallen, je 100 Meter lang und hoch wie ein Kirchenschiff. Eine Halle ist fast fertig. Um keinen Schmutz hinein zu tragen, streift sich Kauffman Überschuhe aus Plastik über die Füße und legt ein Haarnetz an. Dann setzt er eine klobige Sicherheitsbrille auf – als Schutz vor den Schweißfunken, die bei den Bauarbeiten in der Halle herumfliegen. Aber: „Wenn wir einen Laserschuss abgeben, darf hier keiner drin sein”, erklärt Kauffman und steckt seine Codekarte in den Schlitz neben der Hallentür. „Sonst könnten Leute durch den Laserstrahl oder durch Hochspannungsfunken verletzt werden.”
In der Halle wird geschweißt und gehämmert, hinten schleicht ein Roboter von der Größe eines Kleinlasters den Gang entlang. An Bord hat er eine Spezialoptik, die er gleich in den Laser einsetzen wird. Die Strahlen laufen auf wuchtigen, haushohen Betonsockeln durch lange Metallröhren, eine für jeden der 96 Laserstrahlen in dieser Halle. An manchen Stellen führen die Röhren durch massive Klötze. In ihnen stecken die Lichtverstärker – Glasscheiben, groß wie Kellerfenster, sorgfältig poliert und in einem hellen Violett getönt. Sie sind mit Neodym-Atomen gespickt. Kurz bevor die schwachen Laserpulse aus dem Halbleiterchip in die Halle kommen, leuchten Hunderte von Blitzlampen auf. „Ihr Licht pumpt Energie ins Neodymglas”, erklärt Siegfried Glenzer, ein deutscher Physiker, der seit zwölf Jahren in Livermore arbeitet. „ Läuft der Laserblitz dann durchs Glas, überträgt das Neodym seine Energie auf ihn und vervielfacht seine Intensität.” 44 Mal tritt jeder Laserblitz durch eine solche Verstärkerscheibe.
Die ganze Halle rappelt
Am Ende ist er drei Billiarden Mal so stark wie am Anfang, wenn er aus dem Halbleiterchip kommt. Um die Neodym-Scheiben nicht zu zerstören, sind die Strahlen auf einen Querschnitt von 1600 Quadratzentimeter aufgeweitet. Erst kurz vor dem Ziel bündeln große Quarzlinsen sie auf einen winzigen Fleck von Mikrometer-Dimension. Die ersten 4 der 192 Laser waren 2004 fertig. Mit ihnen haben die Forscher schon Probeschüsse abgegeben. „Im Bruchteil einer Sekunde ist der Schuss vorbei”, sagt Glenzer. „Wenn die Kondensatoren entladen werden und die Blitzlampen aufleuchten, hört man es im gesamten Gebäude rappeln.”
Nach jedem Schuss heißt es erst einmal Warten. Die Verstärkergläser erhitzen sich durch das intensive Blitzlicht so stark, dass sie vor dem nächsten Schuss drei Stunden lang abkühlen müssen. Bob Kauffman steuert eine andere Halle an, die rund ist wie ein Zirkuszelt, umgeben von meterdicken Wänden aus Beton. In der Mitte das Ziel der Laserstrahlen: eine riesige Kugel aus Metall, blau lackiert, von etwa zehn Meter Durchmesser. Die Kugelwand hat Dutzende von Löchern, groß wie Gullydeckel. Hier schießen die Laserblitze herein. „In der Kugel herrscht fast überall Vakuum”, sagt Glenzer. „In der Mitte sitzt das Ziel, das kaum größer ist als eine Medikamentenkapsel.” Ein komplexes Lichtverteilersystem sorgt dafür, dass die 192 Laserstrahlen von allen Seiten gleichmäßig in die Kugel eindringen. Zuvor verwandeln 300 Kilogramm schwere Spezialkristalle das Laserlicht durch Ändern der Frequenz von Infrarot-Pulsen in UV-Blitze.
Massive Quarzlinsen fokussieren sie auf den Mittelpunkt der Kugel. Hier, am Ziel, bringen es die Laserstrahlen zusammen auf eine Energie von 1,8 Megajoule – so viel, als würde man einen 18-Tonnen-Lkw aus zehn Meter Höhe fallen lassen. Für ein paar Nanosekunden konzentriert sich diese Energie auf einen zentimetergroßen Zylinder aus purem Gold, gehalten von einem Teleskoparm. Im Goldzylinder steckt das eigentliche Ziel – ein zwei Millimeter kleines Brennstoff-Kügelchen aus einem gefrorenem Gemisch der Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium. „Der Goldzylinder besitzt zwei Löcher, durch die die Laserstrahlen dringen”, erklärt Bob Hirschfeld. „Die UV-Strahlen werden an der Innenwand des Zylinders hin und her geworfen und erzeugen extrem intensives Röntgenlicht.” Das Röntgenlicht verdampft die Außenschicht des Brennstoff-Kügelchens zu einem Plasma. Dieses Plasma dehnt sich schlagartig aus und lässt das Kügelchen implodieren – mit dem Resultat, dass in seinem Zentrum ein Druck von 100 Millionen Bar und eine Temperatur von 100 Millionen Grad Celsius herrschen.
Sprengkraft einer Granate
Unter diesen Extrembedingungen können die Wasserstoff-Kerne zu Helium-Kernen verschmelzen. Die Fusionsreaktion zündet. Das Entscheidende: Bei der Fusion wird deutlich mehr Energie frei, als man mit dem Laser hineingeschossen hat. „Bei den ersten Experimenten wollen wir das Zehnfache der Laserenergie gewinnen”, sagt Siegfried Glenzer. „1,8 Megajoule werden beim Beschuss auf die Kapsel übertragen, 10 bis 20 Megajoule wollen wir herausbekommen.” Später sollen es 100 Megajoule sein. Das entspricht der Sprengkraft einer Geschossgranate.
Noch aber ist das graue Theorie. Denn bisher ist die NIF nicht fertig. Doch die Forscher sind zuversichtlich. „Wir haben die Ergebnisse früherer Laserversuche in Simulationen extrapoliert”, sagt Bob Kauffman. „Wir sind sicher, dass die Zündung gelingt.” Andere Experten sind skeptisch. „Mit der Laserfusion lässt sich wahrscheinlich nie ein Weg zu einer wirtschaftlichen Anwendung finden”, glaubt Wolfgang Liebert, Leiter der Interdisziplinären Arbeitsgruppe Naturwissenschaft, Technik und Sicherheit an der TU Darmstadt. „Um zu einer wirtschaftlichen Energiequelle zu kommen, bräuchte man statt weniger Schüsse pro Tag viele Schüsse pro Sekunde. Ob das jemals gelingen wird, ist zweifelhaft.” In der Tat: Selbst wenn die NIF die Fusion schaffen sollte – der Weg zu einem Kraftwerk wäre trotzdem noch weit. Auch die Forscher in Livermore wissen um diese Hürden – doch sie sehen Auswege. „Man könnte mit zwei Lasern schießen statt mit einem”, schlägt Glenzer vor. „Der erste würde zum Vorkomprimieren dienen, der zweite als eine Art Zündkerze.”
Mehr LEISTUNG durch grünes Licht
Außerdem könnte man die Zielkapsel künftig mit grünem statt mit ultraviolettem Licht beschießen. Damit ließe sich mehr Leistung in den Strahl packen, wodurch sich größere Fusionskapseln zünden ließen – und die Energieausbeute besser würde. Langfristig sei denkbar, statt mit Lasern mit Teilchenbeschleunigern zu arbeiten. Die hätten wenig Probleme, energiereiche Ionensalven im Zehntelsekunden-Takt abzufeuern. Die NIF-Physiker sind von ihrer Mission überzeugt. „Ich kann mir vorstellen, dass wir in 15 bis 20 Jahren ein erstes Demonstrationskraftwerk haben”, sagt Bob Kauffman optimistisch.
Und was steckt hinter der militärischen Mission des größten Lasers der Welt? Siegfried Glenzer zeigt auf eine große Öffnung in der blauen Riesenkugel. „Durch die lassen sich Objekte in die Zielkammer hineinfahren und mit dem starken Röntgenlicht bestrahlen, das die Fusion erzeugt.” Damit wollen die US-Militärs herausfinden, ob ihre Systeme auch bei extremer Strahlung funktionieren – Strahlung, wie sie bei der Explosion einer Wasserstoffbombe frei wird. Vor allem die Zündung selbst ist für die Militärs interessant. Denn im Kleinen passiert hier dasselbe wie bei der Explosion einer H-Bombe. „Indem man die Zündprozesse analysiert, lässt sich die Waffenphysik besser verstehen”, erläutert Kauffman, „und zwar ohne Nuklearwaffentests.” Um sich von Kernwaffentests unabhängig zu machen, sollen die Ergebnisse der NIF mit Daten aus anderen Nuklearlabors und Simulationen von Supercomputern kombiniert werden.
Zurück bei den Vorbereitungen für die Kernfusion: Bislang funktionieren erst 96 der 192 Laserstrahlen – zu wenig, um die Verschmelzung zu zünden. Doch der Fahrplan bis zur Fusion steht: Im Sommer 2009 sollen alle Laser laufen. Dann ist die NIF komplett und operationsfähig. „Die erste Zündung einer Kernfusion ist für September 2010 vorgesehen”, sagt Kauffman. Das wäre eine Erfolgsmeldung, auf die nicht nur die Fusionsforscher warten, sondern auch die Militärstrategen im Pentagon. ■
FRANK GROTELÜSCHEN arbeitet als Wissenschaftsjournalist in Hamburg. In bdw 9/05 berichtete er bereits über die Kernfusionsanlage ITER.
von Frank Grotelüschen
Kompakt
· Im September 2010 soll erstmals eine Kernfusion in einer neuen US-Anlage zünden.
· Ultraviolette Blitze erhitzen und komprimieren dort Wasserstoff, bis die Kerne zu Helium verschmelzen – und Energie liefern.
· Militärs planen, die Explosion einer Mini-Wasserstoffbombe zu untersuchen.
Mit brachialen Blitzen zur Laserfusion
Die Anlage der National Ignition Facility (NIF) in Livermore hat die Dimension einer großen Fabrik (links oben). Das von einem Oszillator generierte Laserlicht wird zunächst in 192 Strahlen aufgeteilt und in zwei Hallen – jede davon so groß wie ein Kirchenschiff – auf ein Vielfaches der Leistung verstärkt. Ein komplexes System von Weichen lenkt die Strahlen in Lichtverteilern in die kugelförmige Target-Kammer (großes Bild, Mitte) hinein. In deren Zentrum ist das Target angebracht: die Probe mit dem Brennstoff aus den Wasserstoff-Isotopen Deuterium und Tritium. Die Probe wird präzise positioniert und gekühlt. Durch eine Schleuse am Boden der Target-Kammer lässt sich das Equipment für andere Experimente einbringen – etwa Waffen, die auf ihre Widerstandsfähigkeit gegen energiereiche Strahlung getestet werden sollen. Die Probe selbst hat die Form einer kleinen Hohlkugel, an deren Innenwand sich das gefrorene Deuterium-Tritium-Gemisch befindet. Sie ist in einem hohlen Zylinder aufgehängt,in dem die entscheidenden Prozesse zur Zündung der Fusion von Wasserstoff- zu Helium-Kernen ablaufen (unten).
Mehr zum Thema
Internet
Homepage der National Ignition Facility am Lawrence Livermore National Laboratory: lasers.llnl.gov
Ausführliche Infos zur Fusionsforschung: www.weltderphysik.de/de/1658.php
