Verschmelzung im Laserlicht

Ein Experiment am NIF läuft ähnlich ab wie ein Raketenstart. Sämtliche Personen haben die Versuchshalle zu verlassen. Der Kontrollraum mit den vielen Monitoren ist durch meterdicke Betonwände vom Laser und von der „Target Chamber“ – dem Raum mit dem Zielobjekt –, wo die Laserstrahlen zusammenkommen, getrennt. Die Kondensatorbänke werden geladen, die Diagnosesysteme gecheckt, und der Countdown beginnt.

„Three, two, one – shot!“- nach diesem Kommando geben die Kondensatoren die Energie in die Blitzlampen, die damit die gigantischen Verstärker „pumpen“. Die Laserpulse laufen über eine Stecke von insgesamt 1.500 Metern durch die Verstärker und verschiedene Optiken. Schließlich wird ihre Wellenlänge noch in den ultravioletten Spektralbereich verschoben und sie werden präzise auf das winzige Target fokussiert. Die geballte Energie presst dieses auf die hundertfache Dichte von Blei zusammen. Es herrscht eine Temperatur von rund 100 Millionen Grad Celsius bei einem Druck von ungefähr 100 Milliarden Bar. Die so geschaffene „Minisonne“ leuchtet grell im Zentrum der winzigen Targetkugel.

Hunderte Sensoren zeichnen den Laserstrahl und die Fusion auf. 150 Gigabyte Daten pro Schuss kommen dabei zusammen. Danach beginnt der zweite Teil der Forschungsarbeit: die Datenauswertung und der Vergleich mit den Simulationen.

Der entscheidende Winzling: das Target

Nach Jahrzehnten der Fusionsforschung am NIF zeigt sich, dass für den Erfolg zwei Dinge von sehr unterschiedlichen Dimensionen entscheidend sind: der Laser und das Target. Das Target ist eine Kugel von zwei Millimeter Durchmesser. Sie steckt in einem kleinen Zylinder, der auf einer gekühlten Spitze in den Laserfokus ragt. Vor der Zündung ist das Target auf 18 Kelvin gekühlt – das entspricht minus 255 Grad Celsius.

Die 192 Laserstrahlen sind auf unter 50 Mikrometer genau auf die zwei Enden des Zylinders ausgerichtet. Der Zylinder wird von den US-Physikern „Hohlraum“ genannt, ein Erbe aus den Frühzeiten der Strahlungsforschung. Der Hohlraum hat einen Durchmesser von fünf Millimetern und ist neun Millimeter lang. Er besteht aus Gold oder abgereichertem Uran. Ähnlich wie in einer Wasserstoff-Bombe soll er nach der Zündung durch den Laserpuls einen gewaltigen Strahlungsdruck durch Röntgenlicht auf das Fusionstarget entwickeln. Dann implodiert die Targetkugel schlagartig und Atomkerne darin verschmelzen miteinander.

Das Target ist eine Kugel aus Beryllium, Plastik oder Diamant. Sie wird mit dem Fusionsmaterial aus Deuterium und Tritium über eine winzige Röhre befüllt. Das Material wird als Gas eingefüllt und setzt sich beim Abkühlen als gleichmäßige Schicht auf der Innenseite der Kugel ab. Nach dem Beschichten darf die Gestalt des Targets nicht mehr als zehn Nanometer von einer idealen Kugelform abweichen. Hergestellt werden diese Kügelchen bislang in monatelanger Feinarbeit. In einem möglichen künftigen Laserfusionskraftwerk wird der Bedarf groß sein: In jeder Sekunde sollen dann etliche Dutzend der kleinen Kugeln verbraucht werden.

Direkte oder indirekte Zündung

Beim Zünden der Fusion wird zwischen einer indirekten und einer direkten Zündung unterschieden. Indirekt bedeutet, dass der Laser zuerst den Hohlraum trifft und dessen Strahlung das eigentliche Target erhitzt und komprimiert. Bei der direkten Methode übernimmt das der Laser selbst. Das Problem dabei ist offensichtlich: Damit die Fusion von Atomkernen bestmöglich gelingt, muss das Fusionsmaterial in der Targetkugel symmetrisch kollabieren. Winzige Abweichungen davon haben weitreichende Folgen. Ist der Laserpuls nicht exakt symmetrisch oder nicht exakt ausgerichtet, kann das Verfahren nicht optimal funktionieren, Ähnliches gilt auch für eine indirekte Zündung. Das zeigt, warum die Targetgeometrie bis in den Nanometerbereich eine ebenso entscheidende Rolle für den experimentellen Erfolg spielt wie der perfekt justierte Laserpuls.

Im Verlauf physikalischer Experimente gibt es manchmal einen „Gänsehautmoment“ – dann, wenn bei dem Versuch die Zeiger immer weiter ausschlagen und schließlich den Anschlag erreichen. So einen Moment gab es am NIF bei „shot N210808“ im August 2021. Die Neutronenenergie des Fusionsversuchs lag beim 25-Fachen des besten vorherigen Versuchs. Allen Beteiligten war sofort klar: Die „Ignition“ – die Zündung eines echten Fusionsprozesses – war soeben geschehen. Es flossen Freudentränen und Champagner.

70 Prozent der Energie umgewandelt

Die komplette wissenschaftliche Auswertung offenbarte, dass nach dem Laserpuls mit 1,9 Megajoule Energie eine Fusionsreaktion stattfand, bei der 1,35 Megajoule Energie freigesetzt wurden. Das bedeutet eine Energieumwandlung von 70 Prozent – 25-mal so viel wie beim besten der vorherigen Experimente. Allerdings: Es floss immer noch mehr Energie in das Experiment hinein als wieder herauskam. Als Ignition oder Zündung wird der Punkt gesehen, wo sich dieses Verhältnis umkehrt.

Der interessanteste Punkt war die Energiebilanz im Hohlraum. Die Berechnungen ergaben, dass aus dem Laserpuls Röntgenstrahlung mit 230 Kilojoule Energie entstanden war. Die eigentliche Fusion hatte das Fünffache an Energie geliefert – die Fusion hatte tatsächlich gezündet und ein neues Regime der Fusionsexperimente erreicht. Die Alphateilchen, das sind ionisierte Helium-Kerne, aus der Fusion haben Energie an das Fusionsplasma zurückgegeben – es hatte eine Art Kettenreaktion begonnen. Die Wissenschaftler bezeichnen diesen Prozess als „Bootstrapping“. Dabei steigt die Temperatur im Plasma und die Fusion nimmt erst so richtig Fahrt auf. Der Fusionsbrennstoff war nach weniger als einer Nanosekunde verbrannt. „Wir haben 30-mal so viel Energie gemessen, als wenn nur zwei Schockwellen kollidiert wären. Das bedeutet: Wir hatten definitiv eine Kettenreaktion“, erklärt NIF-Forscherin Tammy Ma.

Das war 2021. Inzwischen haben Ma und ihre Kollegen die Laserenergie gesteigert und die Fusionsenergie bis auf 8,6 Megajoule erhöht.

Forschung mit langem Atem

Die Fusionsforschung läuft seit rund 75 Jahren. Das NIF brauchte fast 20 Jahre vom Beginn der Planung bis zum ersten Laserschuss 2012. Und bis zum ersten bedeutenden Erfolg im Sommer 2021 vergingen sogar 27 Jahre. Zurzeit werden weltweit verschiedene Versuchsanlagen aufgebaut, auch die deutsche Bundesregierung plant im „Aktionsplan Fusion“ viele Projekte, bis hin zu einem Kraftwerk Anfang der 2040er-Jahre. Das ist ambitioniert, zumal noch kein Experiment einen echten Energieüberschuss liefert.

Klar ist: Viel Zeit bleibt nicht, wenn die Kernfusion bei der Lösung der Energiefrage eine Rolle spielen soll. Was jetzt nötig ist, hat Bob Mumgaard, der Chef der Kernfusions-Start-up-Firma Commonwealth Fusion Systems bereits vor einigen Jahren in einem Interview beschrieben. Demnach ist eine Entwicklung notwendig wie bei den Trägerraketen für die Raumfahrt. Die NASA hat Generation für Generation von experimentellen Trägerraketen gebaut, um die Grenzen der Technik immer weiter auszudehnen. Dann konnten Start-ups wie SpaceX einsteigen, überflüssige Teile verwerfen und neue Produkte entwickeln, die zuverlässiger sind und sich zudem billiger herstellen lassen.

Im Bereich der kontrollierten Fusion haben inzwischen etliche junge Unternehmen viel Geld eingesammelt, um einen ähnlichen Weg zu beschreiten. Ihr Ziel ist es, mit neuester Technik sowie einer Mischung aus privatem Geld und öffentlichen Fördermitteln innerhalb weniger Jahre Ergebnisse zu liefern. Die meisten dieser Start-ups fokussieren sich dabei auf die Fusion von Atomkernen mit dem elektromagnetischen Einschluss (Verweis auf den ersten Beitrag), doch inzwischen gibt es auch Firmen, die sich der Laserfusion widmen.

Auf dem Weg hin zur industriellen Laserkernfusion setzen die Unternehmen einerseits auf eine neue Generation von Lasern, andererseits wollen sie den Vorgang der Zündung deutlich effizienter gestalten. Die neuesten Lasersysteme finden sich derzeit in der Extreme Light Infrastructure ELI mit drei Standorten in Tschechien, Ungarn und Rumänien. Die ELI-Laser sind weitaus kleiner als die NIF-Systeme, dafür bieten sie deutlich schnellere Wiederholungsraten. Einige von Ihnen liefern extrem starke ultrakurze Lichtpulse im Bereich von Piko- oder Femtosekunden.

Insbesondere die ultrakurzen Pulse ermöglichen eine neue Art der Fusionszündung, die „Fast Ignition“. Dabei wird das Fusionsmaterial mit einem energiereichen Nanosekunden-Puls komprimiert und dann mit einem zweiten, ultrakurzen Laserpuls gezündet. Die UKP-Laser liefern eine äußerst hohe Lichtintensität, die Teile des Zündmaterials in kürzester Zeit auf enorme Geschwindigkeiten beschleunigt. Auf der Grundlage dieser Idee werden aktuell auch neuartige Elementarteilchenbeschleuniger entwickelt.

Markus Roth, der Chef des deutsch-amerikanischen Start-ups Focused Energy, erklärt den Ansatz: „Wir wollen einen Effekt nutzen, der als Target Normal Sheath Acceleration oder kurz als TNSA bekannt ist. Dabei werden Protonen durch den Laserpuls sehr effektiv bis auf zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.“ Diese Protonen geben ihre Energie an das komprimierte Fusionsgemisch ab – und die Fusion startet. Idealerweise beginnt eine Kettenreaktion, das Wasserstoff-Brennen. Die Fusion könnte so lange brennen, bis das Deuterium in dem Target verbraucht ist. Dieser Ansatz hat auch den Charme, dass die Anforderungen an die Target-Geometrie und die Präzision des Laserstrahls deutlich geringer sind als in der Versuchsanordnung am NIF in Livermore.

Roth und seine Partner bei Focused Energy wollen nun an der University of Texas in Austin eine neue Testanlage bauen. Vier große Lasersysteme sind für diese „T-Star Facility“ geplant. Sie basieren auf dem System von ELI und sollen alle drei Minuten einen Laserpuls mit Kilojoule-Energie und rund zehn Petawatt Intensität liefern. Die Laser können sowohl Nano- als auch Femtosekunden-Pulse liefern. Auf einem Viertel der Fläche des NIF sollen in Texas die physikalischen Grundlagen der Kernfusion weiter erforscht werden. Danach soll eine weitere Anlage folgen, die ab 2028 die Möglichkeit einer Kernfusion im Dauerbetrieb belegen soll.

Auch wenn derzeit ein Schwerpunkt der Forschung auf Systemen liegt, die das Fusionsplasma mit großen Magneten einschließen, hat die Laserfusion doch mehrere Vorteile, betont Roth: „So können Laser weit entfernt von der eigentlichen Fusion stehen. Dadurch lassen sie sich während des Betriebs warten.“ Ohne Magnete bieten sich zudem viel einfachere Optionen für den Bau der Reaktionskammer: „Die kann aus Materialien bestehen, die hitzebeständiger und strahlungsresistenter sind als bei den Magnetkammern“, sagt Roth. Hinzu kommt, dass das Be- und Entladen von Brennstoff viel einfacher ist als bei magnetfeldbasierten Techniken.

Es herrscht Zuversicht

Doch der Weg ist lang. Nach wie vor hält sich der alte Witz der Fusionsforschung, dass das erste Fusionskraftwerk stets 30 Jahre entfernt ist. „Ich verabschiede mich von dieser 30-Jahre-Regel“, sagt Markus Roth. „Wir haben in den letzten Jahren sowohl bei der Magnet- als auch bei der Trägheitsfusion gewaltige Fortschritte gemacht. Bei der Laserfusion wollen wir bis zum Ende dieses Jahrzehnts Zündung und Gain gezeigt haben. Unser Ziel ist, Mitte der 2030er-Jahre das erste Kraftwerk zu haben.“

Viele Probleme sind bis dahin noch zu lösen: Für den Laser und den Brennstoff sind mehrere Varianten im Rennen, ebenso für die Target-Geometrie. Wie sich die Targets in großer Menge günstig produzieren lassen, ist auch noch eine offene Frage. Falls sich ein Deuterium-Tritium-Mix als Brennstoff durchsetzt, ist zu klären, wie sich das Tritium kontinuierlich bereitstellen lässt. Auch die Eigenschaften der eingesetzten Laser sind weiter zu verbessern. Zudem gibt es zur Technik eines künftigen Fusionskraftwerks noch viele offene Fragen: Wie soll die Wärme abgeführt werden? Wie lässt sich der Brennstoff zuführen? Welcher Strahlenschutz ist nötig? Und vor allem: Ist das alles profitabel realisierbar?

Für die gesellschaftliche Akzeptanz der Zukunftstechnologie wird wohl die Emission von radioaktiver Strahlung und die Produktion strahlender Abfallprodukte eine große Rolle spielen. Dabei gilt: Die Fusion ist sicher umweltfreundlicher als die Kernspaltung, aber diesen Unterschied gilt es noch überzeugend zu kommunizieren. ■