Kernfusion: Ein Stück Sonne für die Erde
Kernfusion soll den Prozess nutzbar machen, der die Sonne mit Energie versorgt. Im Experiment gelingt das bereits. Bis zum Kraftwerk ist es jedoch noch ein weiter Weg. Wie Sachsen hilft, diesen Weg ein Stück kürzer zu machen.
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Die Sonne gewinnt ihre Energie durch Kernfusion. Forschende versuchen seit Jahrzehnten, diesen Prozess auf der Erde nutzbar zu machen. © ESA/NASA/SOHO
Mehr als 100 Millionen Grad Celsius sind notwendig. So heiß muss Materie werden, damit auf der Erde etwas gelingt, das Sterne wie unsere Sonne schon seit Milliarden von Jahren tun: Atomkerne verschmelzen. Kernfusion heißt dieser Vorgang. Forschende versuchen seit rund 70 Jahren, ihn auf der Erde nachzubilden. Gelänge das in einem Kraftwerk, könnte Kernfusion in Zukunft zu einer neuen Energiequelle für die Menschheit werden. Aus vergleichsweise wenig Brennstoff könnte auf diese Art und Weise sehr viel Energie entstehen.
„Wir holen die Sonne auf die Erde“, sagt der niederländische Fusionsforscher Tony Donné. Beim „Zukunftstag Kernfusion“ im Fraunhofer-Institutszentrum Dresden spricht er vor Wissenschaftlern und Vertretern aus Politik und sächsischen Unternehmen. Gerade letztere will er für die Idee der Kernfusion begeistern. Sein Bild mit der Sonne beschreibt diese Idee gut. Doch es vereinfacht sie auch stark.
Auf der Erde herrschen ganz andere Bedingungen als in der Sonne. Da oben sorgt die enorme Schwerkraft dafür, dass die Atomkerne für ein Verschmelzen dicht genug zusammenkommen. Auf der Erde fehlt dieser Druck. Damit Fusion hier unten funktioniert, muss das Plasma, ein Gas aus geladenen Teilchen, auf mehr als 100 Millionen Grad Celsius erhitzt werden.
Der lange Weg zum Kraftwerk
Mit den Jahren ist die Forschung diesem Ziel Schritt für Schritt nähergekommen. In Experimenten gelingt die Kernfusion bereits. 2022 gelang es an der Laserforschungsanlage National Ignition Facility in den USA erstmals, bei der Fusion mehr Energie freizusetzen, als zuvor auf den Brennstoff übertragen worden war. Ende 2023 erzeugte die europäische Kernfusions-Versuchsanlage JET in Oxford insgesamt 69 Megajoule Fusionsenergie.
Doch so ein Experiment ist noch längst kein Kraftwerk. Damit der Prozess irgendwann Strom in großen Mengen produziert, müssen noch einige technische Lösungen her. Tony Donné beschäftigt sich seit 40 Jahren mit dem Thema. Zehn Jahre lang leitete er EUROfusion, den europäischen Zusammenschluss der Fusionsforschung. Die Kernfusion sei „der heilige Gral“, sagt er. „Wenn sie funktioniert, dann lösen wir damit ein großes Energieproblem.“
Doch inzwischen verändert sich die Fusionsforschung. „Bis 2020 war Fusion eigentlich nur die Sache öffentlicher Forschungsinstitute“, sagt Donné. Seitdem seien zahlreiche private Unternehmen hinzugekommen. Sie bringen neue Ideen ein und könnten die Entwicklung beschleunigen. Auch von Sachsen aus.
Jetzt sind Ingenieure gefragt
In Dresden gehören Claudia Keibler-Willner und Moritz Greifzu zu denen, die diesen nächsten Schritt vorantreiben wollen. Beide kommen ursprünglich nicht aus der Fusionsforschung. Keibler-Willner ist Maschinenbauingenieurin und hat Produktionstechnik studiert. Greifzu ist Luft- und Raumfahrtingenieur und beschäftigt sich am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS mit Fertigungsverfahren. Heute arbeiten beide daran, Forschung und Industrie für die Kernfusion zusammenzubringen.
Wie viele unterschiedliche Fachleute dafür gebraucht werden, zeigt ein Blick auf ein künftiges Fusionskraftwerk. „Es sind sehr viele Teiltechnologien, die in der Fusion aufeinander einwirken und zusammenspielen müssen“, sagt Keibler-Willner. Hier setzt SAXFUSION an. Das sächsische Forschungsnetzwerk bringt Fachleute aus Forschung und Industrie an einen Tisch. Koordiniert wird es vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und dem Fraunhofer IWS. Keibler-Willner koordiniert das Netzwerk am HZDR, Greifzu arbeitet auf Seiten des Fraunhofer IWS daran mit.
In vielen geplanten Fusionskraftwerken sollen zwei Formen von Wasserstoff als Brennstoff dienen. Sie heißen Deuterium und Tritium. Damit ihre Kerne miteinander verschmelzen, müssen sie sich sehr nahekommen. Bei der extremen Hitze bewegen sie sich so schnell, dass das funktioniert. Dabei entsteht ein neuer Atomkern, nämlich Helium, und Energie wird frei. Diese Energie lässt sich in Wärme und schließlich in Strom umwandeln.
Eine Herausforderung sei, dieses extrem heiße Plasma unter den Bedingungen auf der Erde zu kontrollieren, erklärt Keibler-Willner. Dafür gebe es verschiedene Ansätze. Einer ist die Magnetfusion. Starke Magnetfelder halten das heiße Plasma dabei von den Wänden der Anlage fern. Diesen Weg verfolgt beispielsweise ITER, eine internationale Versuchsanlage, die in Südfrankreich gebaut wird. Die Laserfusion funktioniert anders. Starke Laser wirken auf eine winzige Kapsel mit Deuterium und Tritium. Der Brennstoff darin wird für einen sehr kurzen Moment stark zusammengedrückt und erhitzt. In diesem Moment können die Atomkerne miteinander verschmelzen.
Sachsens Wissen für die Fusion
Doch ein Fusionskraftwerk braucht weit mehr als die Technik, mit der die Atomkerne verschmelzen. Es braucht Materialien, die extremen Belastungen standhalten. Und Verfahren für die Herstellung von Bauteilen oder Messgeräten. Genau hier sieht Greifzu eine Chance für Sachsen. „Letztlich muss man die Kraftwerke auch bauen“, sagt er. Vieles von dem Wissen dafür ist im Freistaat bereits vorhanden. „Wir haben Unternehmen mit großer Expertise in der Metallverarbeitung, Hersteller wissenschaftlicher Geräte oder Firmen, die sich mit Wasserstoff beschäftigen.“ Hinzu kommen Forschungseinrichtungen, die an Materialien, Lasern, Simulationen oder neuen Fertigungsverfahren arbeiten. SAXFUSION soll herausfinden, welche dieser Kompetenzen sich für die Kernfusion nutzen lassen und die passenden Partner vernetzen.
Denn eine Lösung, die in einem Experiment funktioniert, muss noch lange nicht für ein Kraftwerk taugen. Dafür müssen Bauteile später in großer Zahl hergestellt werden, und das zu vertretbaren Kosten. Für Experimente können Bauteile aufwendig gefertigt oder teure Materialien eingesetzt werden. „Wenn ich davon nachher über eine Million Stück brauche, dann wird es halt irgendwann zu teuer“, ergänzt Greifzu.
Wie lange dauert es noch?
Dass noch längst nicht feststeht, ob dieser Weg tatsächlich zu Fusionskraftwerken führt, ist beiden bewusst. „Kernfusion ist eine sehr visionäre Idee“, sagt Greifzu. Es gebe berechtigt kritische Stimmen, die die Technik für zu kompliziert hielten oder bezweifelten, dass sie funktionieren werde. „Gerade das motiviert mich.“ Denn aus der Forschung könne nicht nur eine neue Energiequelle entstehen. Auch andere Technologien könnten davon profitieren. „Daraus können so viele Dinge entstehen, die uns voranbringen.“
Claudia Keibler-Willner sieht die Unsicherheit ähnlich. „Keiner weiß am Ende, was rauskommt. Eine Garantie gibt es nicht.“ Trotzdem arbeite sie gern und leidenschaftlich an der Kernfusion. „Ich habe dabei einfach das Gefühl, ich kann etwas für die nächste Generation tun.“
Tony Donné erinnert an einen alten Witz aus der Forschung. Auf die Frage, wann das erste Fusionskraftwerk ans Netz geht, lautet die Antwort seit Jahrzehnten: in 30 Jahren. Doch inzwischen sei er optimistischer. „Ich würde sagen, wir reden jetzt über 15, 20 Jahre.“ Und vielleicht gehe es sogar schneller.
