Diese Folge erklärt das physikalische Prinzip der Kernfusion und zeigt den aktuellen Fortschritt der internationalen Spitzenforschung.
Podcast auf toknow hörenStellen Sie sich vor, wir könnten die Kraft der Sterne direkt hier auf die Erde holen. Wenn wir an einem klaren Tag in den Himmel schauen, sehen wir das ultimative Kraftwerk unseres Sonnensystems: die Sonne. Seit Milliarden von Jahren strahlt sie unaufhörlich Energie aus, ohne dass ihr der Brennstoff auszugehen scheint. Das Geheimnis dahinter ist die Kernfusion. Es ist ein physikalischer Prozess, der so gewaltig und gleichzeitig so effizient ist, dass Wissenschaftler und Ingenieure ihn oft als den heiligen Gral der sauberen Energiegewinnung bezeichnen. Aber was genau verbirgt sich eigentlich hinter diesem Begriff, und warum setzen wir weltweit so große Hoffnungen in diese Technologie, während wir gleichzeitig mit den Folgen des Klimawandels kämpfen? Im Grunde ist die Kernfusion das exakte Gegenteil dessen, was wir heute in unseren herkömmlichen Atomkraftwerken betreiben. In der heutigen Kernspaltung werden schwere Atomkerne wie Uran kontrolliert zertrümmert, um Energie freizusetzen. Bei der Fusion hingegen gehen wir den umgekehrten Weg: Wir lassen extrem leichte Atomkerne miteinander verschmelzen, um daraus einen neuen, schwereren Kern zu bilden. In der Sonne passiert das unter dem unvorstellbaren Druck ihrer eigenen Schwerkraft und bei Temperaturen von vielen Millionen Grad. Wenn diese Kerne miteinander verschmelzen, wird ein Teil ihrer Masse direkt in reine Energie umgewandelt. Und zwar in Mengen, die unsere menschliche Vorstellungskraft oft sprengen. Dass wir die Kernfusion als die ultimative Lösung unserer Energieprobleme betrachten, hat drei entscheidende Gründe. Erstens ist der Brennstoff dafür nahezu unerschöpflich. Wir benötigen dafür spezielle Formen des Wasserstoffs, die wir aus einfachem Meerwasser und dem Element Lithium gewinnen können. Ein einziger Eimer Wasser könnte theoretisch so viel Energie liefern wie hunderte Tonnen Kohle. Zweitens ist die Fusion absolut klimaneutral. Es entstehen keine schädlichen Treibhausgase wie Kohlendioxid, die unsere Atmosphäre weiter aufheizen würden. Und drittens löst sie das wohl größte Problem der heutigen Kernkraft: den extrem langlebigen radioaktiven Abfall. Bei der Fusion entstehen keine Rückstände, die über zehntausende von Jahren sicher gelagert werden müssen. Auch das gefürchtete Risiko einer unkontrollierten Kettenreaktion existiert hier nicht. Sobald die Bedingungen im Reaktor nicht mehr perfekt sind, bricht die Reaktion sofort ab und das Feuer erlischt von selbst. Es klingt wie ein Versprechen aus einem Science-Fiction-Roman: Eine Energiequelle, die sicher, sauber und für jeden Menschen auf diesem Planeten jederzeit verfügbar ist. Doch die technische Umsetzung ist eine der größten Herausforderungen der Menschheitsgeschichte. Wir versuchen im Kleinen nachzubauen, was das Universum im Großen vorgibt. In dieser Podcast-Reihe nehmen wir Sie mit auf die Reise zu diesem künstlichen Sonnenfeuer und schauen uns an, wie nah wir diesem Traum heute wirklich schon gekommen sind.
Um zu verstehen, wie wir die Energie der Sterne auf die Erde holen können, müssen wir tief in die Welt der kleinsten Teilchen eintauchen. Im Zentrum dieses Prozesses steht die Verschmelzung von Atomkernen. Während wir in heutigen Atomkraftwerken schwere Kerne wie Uran spalten, machen wir bei der Fusion genau das Gegenteil: Wir fügen leichte Kerne zusammen. Als idealer Brennstoff für dieses Vorhaben haben sich zwei spezielle Varianten des Wasserstoffs erwiesen, die wir Deuterium und Tritium nennen. Deuterium ist eigentlich überall um uns herum zu finden, man kann es relativ einfach aus gewöhnlichem Meerwasser gewinnen. Tritium hingegen ist seltener und zudem leicht radioaktiv, kann aber im späteren Kraftwerksprozess direkt aus dem Metall Lithium gewonnen werden. Der entscheidende physikalische Moment ist jedoch das, was passiert, wenn man diese beiden Kerne zusammenbringt. Im normalen Zustand stoßen sich Atomkerne gegenseitig ab, weil sie alle positiv geladen sind, ganz ähnlich wie zwei gleichpolige Magnete, die man versucht zusammenzudrücken. Um diese Barriere, den sogenannten Coulomb-Wall, zu überwinden, brauchen wir auf der Erde extreme Bedingungen. Wir sprechen hier von Temperaturen von etwa einhundertfünfzig Millionen Grad Celsius. Das ist zehnmal heißer als im Inneren der Sonne. Bei dieser unvorstellbaren Hitze bewegen sich die Teilchen so rasend schnell, dass sie die gegenseitige Abstoßung einfach ignorieren und mit voller Wucht zusammenprallen. Wenn sie sich nah genug kommen, übernimmt eine andere physikalische Kraft die Regie: die sogenannte Starke Kernkraft. Sie wirkt wie ein extrem kurzer, aber gewaltiger Klebstoff und verschweißt die Kerne zu einem neuen Element, nämlich Helium. Doch bei dieser Reaktion passiert noch etwas Entscheidendes: Ein Neutron bleibt übrig und wird mit enormer Geschwindigkeit davongeschleudert. Das eigentliche Geheimnis der gewaltigen Energieerzeugung liegt in einem winzigen Unterschied beim Gewicht. Wenn man die Masse der Ausgangsstoffe mit der Masse der Endprodukte vergleicht, stellt man fest, dass ein winziger Bruchteil der Materie verschwunden ist. Dieser sogenannte Massendefekt wird nach Einsteins berühmter Formel E gleich m-c-Quadrat direkt in reine Energie umgewandelt. Da die Lichtgeschwindigkeit eine unvorstellbar große Zahl ist, wird selbst aus einer winzigen Menge an Materie eine gigantische Menge an Bewegungsenergie und Wärme. Um das greifbar zu machen: Ein einziges Gramm dieses Fusionsbrennstoffs könnte theoretisch so viel Energie liefern wie elf Tonnen Kohle. Es entstehen dabei keine klimaschädlichen Gase und, im Gegensatz zur herkömmlichen Kernspaltung, auch keine Kettenreaktionen, die außer Kontrolle geraten könnten. Es ist ein Prozess, der auf der reinen Kraft der fundamentalen Physik beruht.
Wenn wir darüber sprechen, die Sonne auf die Erde zu holen, stehen wir vor einem gewaltigen technologischen Problem: Wie bewahrt man ein Gas auf, das einhundertfünfzig Millionen Grad heiß ist? Bei diesen unvorstellbaren Temperaturen verwandelt sich Materie in Plasma, einen Zustand, in dem Elektronen und Atomkerne getrennt voneinander wild umherwirbeln. Es gibt auf unserem Planeten kein Material, kein Metall und kein Gestein, das diese Hitze auch nur für einen Sekundenbruchteil aushalten würde, ohne sofort zu verdampfen. Die Lösung der Wissenschaftler klingt deshalb fast wie aus einem Science-Fiction-Film: Wir sperren das Plasma in einen unsichtbaren Käfig aus Magnetfeldern. Da das Plasma aus geladenen Teilchen besteht, lässt es sich durch Magnetkraft lenken und formen. Die Forscher nutzen extrem starke supraleitende Magnete, um die Teilchen auf einer geschlossenen Bahn in der Schwebe zu halten, sodass sie die Wände des Reaktors niemals berühren. In der internationalen Fusionsforschung haben sich dabei zwei unterschiedliche Konzepte als besonders vielversprechend herausgestellt: der Tokamak und der Stellarator. Der Tokamak ist das derzeit am weitesten entwickelte Konzept. Optisch ähnelt er einem riesigen, hohlen Donut. Starke Magnetspulen umschließen diesen Ring von außen. Das Besondere am Tokamak ist, dass zusätzlich ein gewaltiger elektrischer Strom direkt durch das Plasma geleitet wird. Dieser Strom erzeugt ein inneres Magnetfeld, das das Plasma stabilisiert und gleichzeitig weiter aufheizt. Das System ist hocheffizient, hat aber eine Schwachstelle: Es arbeitet prinzipbedingt in Pulsen. Das heißt, der Stromfluss muss immer wieder neu gestartet werden, was einen kontinuierlichen Kraftwerksbetrieb erschwert. Hier kommt der Stellarator ins Spiel, der auf den ersten Blick fast schon bizarr aussieht. Seine Form ähnelt eher einem in sich verdrehten, kompliziert verbogenen Ring. Diese komplexe Geometrie ist das Ergebnis jahrelanger Computerberechnungen. Im Gegensatz zum Tokamak benötigt der Stellarator keinen Stromfluss im Plasma selbst, um es stabil zu halten. Die Magnetfelder werden allein durch die äußeren, kurios geformten Spulen erzeugt. Das macht den Bau zwar technisch extrem anspruchsvoll, erlaubt aber einen dauerhaften, stabilen Betrieb ohne Unterbrechungen. Beide Technologien werden derzeit intensiv erforscht. Während der Tokamak als Favorit für den ersten Netto-Energiegewinn gilt, liefert der Stellarator die Antwort auf die Frage nach der langfristigen Stabilität. Es ist ein faszinierendes Duell der Ingenieurskunst, bei dem es nur ein Ziel gibt: das Sonnenfeuer sicher und dauerhaft in den Griff zu bekommen.
Wo stehen wir heute auf dem Weg zur künstlichen Sonne auf der Erde? Das Herzstück der weltweiten Bemühungen ist zweifellos ITER, der Internationale Thermonukleare Experimentelle Reaktor. In Südfrankreich bauen derzeit 35 Nationen gemeinsam an der größten und wohl komplexesten Maschine, die die Menschheit je entworfen hat. Es ist ein Projekt der Superlative: Ein Tokamak von gigantischen Ausmaßen, der beweisen soll, dass die Kernfusion im großen Stil technisch machbar ist. Das erklärte Ziel von ITER ist es, etwa zehnmal so viel Energie zu erzeugen, wie für das Aufheizen des Plasmas hineingesteckt wird. Dabei ist wichtig zu verstehen, dass ITER selbst noch kein Kraftwerk ist, das Strom ins Netz speist. Es ist eine reine Forschungsanlage, die zeigen soll, dass wir das Feuer der Sterne stabil kontrollieren können. Doch die Forschung schläft nicht, und in den letzten Jahren gab es einige historische Durchbrüche, die die Fachwelt in Aufregung versetzt haben. Ein echter Meilenstein wurde Ende 2022 an der National Ignition Facility in den USA erreicht. Dort ist es Wissenschaftlern zum ersten Mal gelungen, bei einem Experiment zur Laserfusion mehr Energie aus dem Prozess zu gewinnen, als die reine Laserenergie, die für die Zündung aufgewendet wurde. Dieser sogenannte Netto-Energiegewinn war der endgültige Beweis, dass das Prinzip der Fusion als Energiequelle keine theoretische Spielerei mehr ist. Auch beim magnetischen Einschluss, dem Verfahren, das ITER nutzt, gab es beeindruckende Erfolge. Der europäische JET-Reaktor in England konnte kurz vor seinem geplanten Betriebsende neue Weltrekorde bei der freigesetzten Energiemenge aufstellen. Solche Ergebnisse sind enorm wichtig, weil sie die mathematischen Modelle bestätigen, auf denen die Konstruktion von ITER basiert. Dennoch dürfen wir nicht verschweigen, dass der Weg noch steinig ist. ITER kämpft regelmäßig mit technischen Verzögerungen und enormen Kostensteigerungen, was bei einem Pionierprojekt dieser Größenordnung fast unvermeidlich scheint. Es geht eben nicht nur um die Physik des Plasmas, sondern auch um die Ingenieurskunst, Materialien zu finden, die dieser extremen Hitze und dem Neutronenbeschuss über Jahrzehnte standhalten. Wir befinden uns aktuell in einer Phase des Umbruchs. Während die staatlichen Großprojekte das Fundament gießen, drängen immer mehr private Start-ups auf den Plan. Sie versuchen, mit kompakteren Bauweisen und neuartigen Hochtemperatur-Supraleitern die Zeit bis zum ersten kommerziellen Reaktor zu verkürzen. Die Frage ist heute nicht mehr, ob die Kernfusion physikalisch möglich ist, sondern wann wir sie technologisch so perfektioniert haben, dass sie einen echten Beitrag zu unserer Energieversorgung leisten kann.
Wir haben nun eine weite Reise hinter uns, von den tiefen physikalischen Prozessen im Inneren der Sonne bis hin zu den gewaltigen Magnetfeldern moderner Forschungsreaktoren wie ITER. Wenn wir die Kernfusion zusammenfassend betrachten, wird eines ganz deutlich: Das Potenzial dieser Technologie ist absolut beispiellos. Wir sprechen hier von einer Energiequelle, die grundlastfähig ist, kein klimaschädliches Kohlendioxid ausstößt und deren Brennstoffvorräte in unseren Ozeanen theoretisch für Millionen von Jahren ausreichen würden. Im Gegensatz zur heutigen Kernspaltung gibt es bei der Fusion kein Risiko einer unkontrollierten Kettenreaktion, und das Problem des langlebigen, hochradioaktiven Atommülls wird auf ein absolutes Minimum reduziert. Es ist im Grunde die Vision einer Welt, in der Energieknappheit und die damit verbundenen ökologischen oder geopolitischen Konflikte der Vergangenheit angehören könnten. Doch wir dürfen die Augen vor den verbleibenden Hürden nicht verschließen. Der Weg zum ersten kommerziellen Fusionskraftwerk ist kein Sprint, sondern ein Marathon der Ingenieurskunst und der Geduld. Eine der größten technischen Herausforderungen bleibt nach wie vor die Materialwissenschaft. Die inneren Wände eines Reaktors müssen einer extremen Belastung durch hochenergetische Neutronen über Jahre hinweg standhalten, ohne spröde zu werden oder ihre strukturelle Integrität zu verlieren. Hier wird weltweit intensiv an neuen Legierungen und Verbundstoffen geforscht, die diesen höllischen Bedingungen trotzen können. Ein weiterer entscheidender Punkt ist der geschlossene Brennstoffkreislauf. Da das benötigte Tritium in der Natur kaum vorkommt, müssen zukünftige Kraftwerke in der Lage sein, dieses Gas direkt während des Betriebs in der Reaktorwand selbst zu erzeugen. Das technische Konzept für dieses sogenannte Erbrüten existiert zwar auf dem Papier, muss aber erst noch im großen industriellen Maßstab bewiesen werden. Wann also wird der erste Fusionsstrom tatsächlich in unsere Steckdosen fließen? Experten schauen gespannt auf die kommenden zwei bis drei Jahrzehnte. Nach den ersten richtungsweisenden Experimenten bei ITER soll der nachfolgende Demonstrationsreaktor DEMO zeigen, dass die Technologie tatsächlich zuverlässig und wirtschaftlich Strom in das öffentliche Netz einspeisen kann. Parallel dazu erleben wir momentan einen regelrechten Boom an privaten Start-ups, die mit kleineren, oft innovativen Ansätzen und neuen Supraleitern das Tempo erheblich verschärfen wollen. Ob staatliches Großprojekt oder agiles Unternehmen, das Ziel bleibt dasselbe. Es geht darum, das Feuer der Sterne sicher auf die Erde zu bringen. Die Kernfusion ist vielleicht die schwierigste technische Aufgabe, die sich die Menschheit je gestellt hat, aber die Aussicht auf eine dauerhaft saubere und unerschöpfliche Zukunft macht jede Anstrengung lohnenswert. Es bleibt ohne Zweifel eine der spannendsten Entwicklungen unserer Zeit, die wir hier bei toknow weiterhin genau für euch im Auge behalten werden.