Die Amerikaner packen die Sonne in eine kleine Flasche

Die US-Rüstungsfirma Lockheed Martin will schon bald einen transportablen Kernfusionsreaktor bauen. Wissenschaftlich lässt sich das Konzept jedoch nicht erklären.

100 Millionen Grad heisses Plasma: Kernfusion in der Sonne. Foto: Nasa

100 Millionen Grad heisses Plasma: Kernfusion in der Sonne. Foto: Nasa

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Der amerikanische Rüstungskonzern Lockheed Martin verspricht viel und verkauft gekonnt. «Unsere Ingenieure lassen sich von der grössten natürlichen Kernfusion inspirieren», heisst es auf der Website. Sie «packen die Kraft der Sonne in eine kleine magnetische Flasche». Und dazu kommt die Botschaft: Wir sind auf dem besten Weg, einen Kernfusionsreaktor zu entwickeln, der bis zu zehnmal kleiner sein wird als bei den üblichen Konzepten. So klein, dass er Platz auf einem Lastwagen hat und eine Kleinstadt mit 100'000 Einwohnern mit Energie versorgt. Das Unternehmen wirbt mit konkreten Vorstellungen: Der erste Prototyp sei in fünf Jahren gebaut, die ersten Modelle würden in zehn Jahren einsatzbereit sein. Die Sorge um die künftige Energieversorgung sei unberechtigt, suggeriert das Rüstungsunternehmen.

Haben die Lockheed-Ingenieure tatsächlich nachgebaut, was unsere Sonne täglich zum Leuchten bringt? Eine Kernfusion, bei der Wasserstoffatome in einem 100?Millionen Grad heissen Plasma, einem ultradünnen und ionisierten Gas, zu Helium verschmelzen und eine enorme Wärme freisetzen? «Ein kleines, transportables Fusionskraftwerk ist seit langem der Traum aller Fusionsforscher», sagt Karl Lackner vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik. Der ehemalige Direktor hat die europäische Kernfusionsforschung entscheidend mitgeprägt und kennt die Entwicklung der letzten Jahrzehnte genau. «Die Wissenschaftler mussten lernen, dass ein funktionierendes Fusionskraftwerk eine gewisse Mindestgrösse haben wird», sagt Lackner. Aus physikalischen und technischen Gründen werde deshalb das zum Patent angemeldete Verfahren nicht zum Erfolg führen.

Herausforderung Magnetkäfig

Die grosse Herausforderung bei Kernfusionsreaktoren ist die Wärmeisolation, um das Plasma, das auf 100 bis 200 Millionen Grad aufgeheizt wird, stabil zu halten. Dafür braucht es entsprechende Magnetfelder (siehe Grafik), um das heisse, ionisierte Gas von der deutlich kälteren Reaktorwand fernzuhalten. Um schliesslich Wärme für den Antrieb eines Stromgenerators zu gewinnen, wird Wärmeenergie des Plasmas definiert auf gewisse Bereiche der kalten Wand geleitet. Mithilfe eines Wärmetauschers wird diese gekühlt und mit der «abgeschöpften» Wärme Wasser oder Gas aufgeheizt, um schliesslich einen Stromgenerator anzutreiben.

Die grosse Schwäche des Lockheed-Konzepts ist denn auch laut Lackner der «Magnetkäfig», der nach dem Prinzip der Rüstungsfirma für die heissen Plasmateilchen zu durchlässig ist. Zudem schlagen die Ingenieure vor, Magnetspulen innerhalb des Plasmas zu montieren. «Die grundlegende Idee des magnetischen Einschlusses ist es jedoch, das die heissen Teilchen nicht auf materielle Wände treffen, um eine Abkühlung zu verhindern», sagt Karl Lackner.

Diese Probleme seien bei anderen Konzepten, die heute in der Fusionsforschung verfolgt werden, überwunden. Allerdings nur theoretisch. Nun soll mit dem Bau von Anlagen gezeigt werden, dass diese Verfahren auch praxistauglich sind. Das bekannteste Projekt ist der internationale Experimentalreaktor Iter, der derzeit in Cadarache in Südfrankreich gebaut wird. Beteiligt sind Europa, Japan, die USA, Russland sowie China, Südkorea und Indien. Iter soll zeigen, dass es technisch möglich ist, durch Kernverschmelzung um ein Vielfaches mehr Energie zu gewinnen, als zur Aufheizung des Plasmas verbraucht wird. Zudem werden technische Funktionen eines künftigen Fusionskraftwerks getestet. Allerdings hat das Projekt bisher vor allem Geld verschlungen. Die projektierten Kosten haben sich nach acht Jahren auf 15 Milliarden Euro verdreifacht. Und wann der Bau fertiggestellt wird, weiss niemand genau. Der Start des Experiments wurde inzwischen von 2016 auf 2020 verschoben. Doch weitere Verzögerungen würden nicht überraschen. «Der Bau ist sehr kompliziert», sagt der Leiter der Fusionsprojekts, der Japaner Osamu Motojima in einem Interview in der Fachzeitschrift «Nature».

Das sogenannte Tokamak-System beruht auf drei Magnetfeldern, die hoch- und runtergefahren werden, um den Plasmastrom aufrecht zu halten. Geplant ist, nach Iter eine Demonstrationsanlage zu erstellen, die alle Funktionen eines Kraftwerks erfüllt. Erst muss jedoch Iter überleben. Im Juni hat der US-Senat vorgeschlagen, aus dem Projekt auszusteigen. «Das wäre ein Desaster», sagt Projektleiter Osamu Motojima. Allerdings kann laut Iter-Abkommen kein Mitgliedsstaat vor 2017 abspringen.

Deutsches Projekt vor dem Start

Weiter gediehen ist dafür das deutsche Fusionsprojekt des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP). «Wendelstein 7-X» ist nur eine Experimentieranlage mit einem vergleichsweise kleinen Plasmavolumen. Die Anlage ist gebaut. Im Frühjahr werden die Magnete hochgefahren. Starke Mikrowellen werden Gas mit Deuterium und Wasserstoff in einer Vakuumkammer auf bis zu 100 Millionen Grad aufheizen. Jahrelang haben Wissenschaftler gerechnet, um das richtige Magnetfeld zu finden. «Theoretisch wissen wir, wie es aussehen muss. Doch nun muss erst gezeigt werden, dass es funktioniert», sagt der Projektleiter Thomas Klinger. Ein Vorteil gegenüber dem Iter-Projekt ist der Dauerbetrieb, die Magnetfelder müssen nicht dauernd unterbrochen werden. Beim «Stellarator»-Prinzip sind die Magnetfelder verdrillt angeordnet. Bereits 1988 gab es einen Vorgänger der neuen Anlage.

50 Jahre Forschung

Was die Sonne kann, lässt sich nicht innert weniger Jahrzehnte nachbauen. Bereits 1950 wurden erste Schritte in der Fusionsforschung unternommen. Die ersten Anlagen waren um den Faktor 50'000'000 von den Plasmawerten entfernt, die es für eine Energiegewinnung braucht. Nun sind die Forscher zwar bedeutend weitergekommen. Erste Erfolge zeigte die europäische Gemeinschaftsanlage JET im britischen Culham, die nach dem gleichen Prinzip wie Iter funktioniert. Trotzdem wird laut Thomas Klinger erst etwa in 40 Jahren die Kernfusion für die weltweite Energieversorgung ein Thema sein.

Und kleine, transportable Anlagen wie sie die Rüstungsfirma Lockheed anpreist? «Je besser das Magnetfeld, desto besser die Wärmeisolation», sagt Klinger. Und je besser die Wärmeisolation, desto kleiner können die Reaktoren sein. Doch da sind Grenzen gesetzt. «Um eine positive Energiebilanz zu erreichen, muss die Wärmeisolierung des Plasmas etwa 50-mal besser als Styropor sein», sagt der ehemalige IPP-Direktor Karl Lackner. Wie Lockheed dies erreichen will, sei allerdings im Patentvorschlag des Unternehmens nicht einmal ansatzweise erwähnt.

Erstellt: 16.10.2014, 23:11 Uhr

Ein Aufbruch als Durchbruch

Lockheed geht mit einem umstrittenen Fusionsprojekt an die Öffentlichkeit, um Forscherpartner zu gewinnen.

Thomas McGuire und sein Forschungsteam kündigten ihre Pläne nicht gerade bescheiden an: «Neustart des Atomzeitalters» lautet der Titel ihres Promotionsvideos. Und technologiegläubige Web­sites und Blogger waren entzückt. Der neue Fusionsreaktor von Lockheed Martin «kann die Menschheit für immer verändern», titelte die Tech-Website «Gizmodo». Aussenstehende Nuklearwissenschaftler sehen die Sache um einiges nüchterner. Sie geben zu bedenken, dass der Rüstungskonzern zunächst nur einen Zeitplan für den Bau eines Prototyps vorgestellt, aber keine wissenschaftlichen Arbeiten publiziert hat, die von unabhängiger Seite überprüfbar sind.

Das Fusions-Forschungsteam ist nur eines von mehreren, die bei Lockheed an alternativen, CO2-freien Energiequellen arbeiten. Der Rüstungskonzern ist dabei auf Forschungspartner und -gelder von aussen angewiesen, da die Aufträge der Regierung unter dem Druck der knappen Budgets spärlicher als auch schon fliessen. Thomas McGuire ist zugute zu halten, dass er seine Absichten offenlegt. «Wir suchen nach Partnern, die sich an unserem Projekt beteiligen», sagte er der «Washington Post». Wenn ein Prototyp des kompakten Fusionsreaktors tatsächlich in fünf Jahren bereitstehen soll, wie die Forscher hoffen, müssen sich weitere Wissenschaftsteams einklinken.

«Kernproblem» gelöst?

Allerdings ist die Forschergemeinde noch skeptisch gestimmt, was erklärbar ist, sind doch bisher alle grossen Hoffnungen punkto Kernfusion enttäuscht worden. Die Ankündigung von Lockheed sei «Quatsch», sagt denn auch Swadesh Mahajan, Plasmaphysiker an der Universität von Texas. «Wir kennen kein Material, das der Hitzebildung standhalten kann, die mit dem Projekt verbunden ist.» Es sei noch immer unerhört schwer, Netto-Energie aus der Kern­fusion zu gewinnen. Sollte Lockheed tatsächlich ein Durchbruch gelungen sein, «so würden wir dies von allen Baumwipfeln herunter verkünden», so Mahajan gegenüber dem Magazin «Mother Jones».

Das «Kernproblem» im wahrsten Sinn des Wortes liegt darin, mehr Energie aus der Fusion herauszuholen, als für die starken magnetischen Felder eingespeist werden muss, die die Partikel unter Kontrolle halten. Das Lockheed-Team glaubt offenbar, diese Energiegleichung gelöst zu haben. Wenn dies zutrifft, so könnten Reaktoren gebaut werden, die zehnmal kleiner sind als bisher für möglich gehalten wurde. Ein solcher Kompaktreaktor wäre nur rund 2,5 auf 3,3 Meter gross.

Viele Fragen bleiben offen

Die Pläne von Lockheed seien bisher nur theoretischer Natur, gibt Rosi Reed, Forscherin am Grossen Hadronen-Speicherring des Cern in Genf, zu bedenken. Ob sich das Projekt je bewerkstelligen lasse, sei offen. Auch Michael Zarnstorff vom Princeton Plasma Physics Laboratorium, warnt vor verfrühten Jubelschreien. «Das Design ist interessant, aber Lockheed befindet sich erst in einem Anfangsstadium», zitiert «Business Insider» den Forscher.

Zu bedenken ist ferner, dass Lockheed keineswegs an vorderster Front in der Fusionsforschung steht. So betreibt die Universität von Washington schon seit langem ein Projekt zur Entwicklung von Plasmatreibstoff, das sie dem Vorhaben von Lockheed für überlegen hält. Das Ziel ist, zusammen mit der Nasa einen Treibstoff für die Marssonde zu entwickeln, da die herkömmlichen Treibstoffe dazu nicht geeignet sind. Laborresultate von 2013 zeigen, dass die Forscher alle Teile des Plasmaantriebs theoretisch beherrschen. Ein realer Einsatz soll frühestens in zehn Jahren möglich sein.

(Walter Niederberger, San Francisco)

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