100 Millionen Grad und ein Traum

In Deutschland soll demnächst ein Fusionsreaktor in Gang gesetzt werden. Lässt sich so der Energiebedarf der ganzen Menschheit für immer decken?

Aufwendige Konstruktion: Der Bau des Reaktors in 3 Minuten. Video: MPI für Plasmaphysik IPP

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Das Gebäude, in dem über die Zukunft der Menschheit entschieden wird, hat ein Dach in Form einer Welle. Das passt zur Landschaft, die Ostsee ist nah. Doch der Stoff, mit dem hier experimentiert werden soll, hat himmlische Qualitäten. Am Max-Planck-Institut in Greifswald wird bald das Feuer der Sonne gebändigt. Mehr als 100 Millionen Grad ­Celsius heisse Materie wollen die Forscher erzeugen. Und wenn alles wie erhofft klappt, wird eines der global drängendsten Probleme seiner Lösung näher sein. Dann ist die Chance gross, dass sich der globale Energiehunger ein für alle Mal stillen lässt.

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Wasserstoff verschmilzt bei extrem hohen Temperaturen zu Helium. Dabei wird sehr viel Energie freigesetzt. Dieser Prozess, der unsere Sonne und alle Sterne im All leuchten lässt, soll demnächst im Greifswalder Fusionsreaktor Wendelstein 7-X in Gang gesetzt werden. Die Maschine ist bereit, es fehlt nur noch die Betriebsbewilligung.

Seit mehr als 50 Jahren träumen Physiker davon, die Kernfusion zur Erzeugung von elektrischem Strom zu nutzen. Wasserstoff ist überall auf der Welt reichlich vorhanden, und die Fusion von nur 800 Gramm Wasserstoff liefert so viel Energie wie das Verbrennen von 1000 Tonnen Kohle. Würde der Bau von Fusionskraftwerken gelingen, bräuchte man in Zukunft weder Kohle noch Öl, kein Uran und auch keine Windräder. Es gäbe genug Energie für alle, und das globale Klima würde auch nicht weiter angeheizt. Die Bedeutung der Erdöl und Gas exportierenden Länder würde schwinden, politische Gewichte würden sich verschieben.

Bis es so weit ist, liefern sich zwei Labors ein wissenschaftliches Rennen um die richtige Technologie. Das bislang grösste Fusionsexperiment Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor) wird derzeit im südfranzösischen Cadarache aufgebaut. Alle potenten Industrienationen beteiligen sich daran: China, die EU, Indien, Japan, Korea, Russland und die USA. Der im Bau befindliche Reaktor wird vom Typ Tokamak sein.

Zehnmal heisser als die Sonne

Der Konkurrent steht schon betriebsbereit in Greifswald, im Gebäude mit dem Wellendach. Hier wird ein grundlegend anderes Konzept verfolgt, das den Namen Stellarator trägt. Man könnte das mit Sternenmaschine übersetzen. Der Weg in die 30 mal 30 Meter grosse Experimentierhalle führt durch eine monströse Schiebetür aus Beton – 1,8 Meter dick. Thomas Klinger, Leiter des Wendelstein-Projekts am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, erklärt, dass alle Wände der Halle diese Dicke besitzen. Das verlangt der Strahlenschutz. Wenn bei Millionen Graden im Reaktorraum Wasserstoff zu Helium verschmilzt, dann entsteht nicht nur Röntgen-, sondern auch Neutronenstrahlung. Kein Mensch darf sich dann in der Halle aufhalten.

Eine der grössten Herausforderungen auf dem Weg zum Fusionsreaktor ist das Einsperren von Materie, die zehnmal heisser ist als die Oberfläche der Sonne. «Das hält natürlich keine materielle Wand aus», sagt Klinger. Das ultraheisse Gas – ein sogenanntes Plasma – lässt sich nur berührungslos einsperren, mithilfe von Magnetfeldern. Das ist bei Tokamaks so und auch bei Stellaratoren.

Der grosse Unterschied ist die Gestalt des unsichtbaren magnetischen Käfigs. Bei Tokamaks wird das zum Bändigen des Plasmas benötigte Magnetfeld von äusseren Spulen sowie einem elektrischen Strom durch das leitende Plasma in der Donut-förmigen Reaktorkammer erzeugt. Bei Stellaratoren wird das Magnetfeld ausschliesslich von zum Teil bizarr geformten Spulen erzeugt, die kompliziert verdrillte Magnetfeldlinien erzeugen. Eine wichtige Konsequenz: Stellaratoren lassen sich kontinuierlich betreiben, während Tokamaks nur im Pulsbetrieb arbeiten können. Zweifelsohne wäre für ein kommerzielles Kraftwerk ein permanenter Betrieb von Vorteil.

Doch warum haben sich dann die Fusionsforscher bislang auf die Tokamak-Technik fokussiert, die fortwährend ein An- und Abschalten des Plasmas erfordert? «Bei früheren Experimenten mit Stellaratoren hatte sich gezeigt, dass der Einschluss des Plasmas sehr viel schlechter ist als bei Tokamaks», erklärt Klinger. Damit hätte man die erforderlichen hohen Temperaturen niemals erreichen können. Nach dieser ernüchternden Erkenntnis wurde nur noch in wenigen Ländern mit Stellaratoren geforscht.

Das Magnetfeld steht

Die Hoffnung Klingers, dass der Stellarator dennoch der Königsweg zum Fusionskraftwerk sein könnte, basiert auf Berechnungen eines Supercomputers. «Wir haben gleichsam das Plasma gefragt, welche Magnetfelder es gerne hätte, um perfekt eingesperrt zu bleiben», sagt Klinger. Genau die erforderlichen 70 Spulen wurden gebaut. Von ihnen sind 50 kurvige 3-D-Objekte, die an Kunstwerke erinnern. Nur 20 Spulen sind flach, so wie dies für alle Spulen bei einem Tokamak der Fall ist. Wendelstein ist der erste Stellarator mit computeroptimierten und supraleitenden Spulen. Sie werden mit flüssigem Helium auf minus 270 Grad Celsius gekühlt. Zentimeter daneben herrschen Millionen Grade. Schon dies zeigt, wie gross die Herausforderungen sind.

Im Kontrollzentrum blicken Techniker auf ein Display, das die Stromstärke in den Spulen anzeigt: rund 13 000 Ampere. Das Magnetfeld steht. Ob es so perfekt sein wird wie vom Computer vorausgesagt, wird sich aber erst zeigen, wenn die Forscher Wasserstoff in den Reaktor füllen und diesen mit einer zehn Millionen Watt starken Mikrowellenheizung in ein Plasma verwandeln.

Bei Wendelstein lassen sich viele Parameter verändern, damit die Physiker studieren können, welche Bedingungen optimal sind. Das wird Arbeit für mehrere Jahre sein. Klinger nennt die drei wichtigsten Ziele: ausreichend hohe Plasmatemperaturen, eine gute Steuerbarkeit des Fusionsprozesses und nicht zu viele störende Verunreinigungen in der Reaktionskammer. Nur dann könnten sich Stellaratoren gegen Tokamaks behaupten.

In einem künftigen Fusionskraftwerk würden die beiden Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zum Einsatz kommen, weil bei ihnen die Fusion besonders effizient ist. Deuterium gibt es überall im Meer. Von 1000 Wasserstoff­atomen sind 15 Deuterium. Tritium hingegen ist radioaktiv und kommt praktisch nicht natürlich vor. Es muss im Fusionsreaktor aus Lithium erbrütet werden. Solange es nur um das Optimieren der Magnetfelder geht, ist Tritium aber noch nicht nötig. Normaler Wasserstoff (H) und Deuterium (D) reichen für die Versuche. Allerdings sind auch mit diesen Zutaten bereits Fusionen möglich. Die entstehende Neutronenstrahlung ist der Grund für die dicken Betonwände.

Noch in diesem Jahrhundert

Wendelstein 7-X sei der komplizierteste Stellarator, der je gebaut wurde, sagt Klinger: «Die Maschine muss sehr flexibel sein, damit wir viel ausprobieren können.» Sind die Experimente erfolgreich und finden sie die perfekten Parameter, kann das nächste Modell weniger komplex sein. «Oder die Sache stellt sich als Holzweg heraus. Dann brauchen wir aber nie wieder einen Stellarator zu bauen.» Diese Worte kommen Klinger nicht leicht über die Lippen. Schliesslich ist der Stellarator sein wissenschaftliches Lebensprojekt.

Klinger zeigt sich jedoch ­optimistisch, dass Fusionskraftwerke noch in diesem Jahrhundert Realität werden: «Vielleicht schon 2050, vielleicht auch erst 2070. Bis 2100 könnte die Fusionsenergie weltweit die Kernspaltung ablösen.» Die Arbeit im Greifswalder Max-Planck-Institut sei langfristige Vorsorgeforschung. «Es geht nicht darum, ob meine Nachttischlampe im Altersheim schon mit Fusionsstrom betrieben wird.»

Nach 2030, wenn die Resultate bei Wendelstein und Iter vorliegen, könnte die Entscheidung fallen, welche Technik der angepeilte Demoreaktor erhält, der ein letzter Zwischenschritt auf dem Weg zum Kraftwerk ist. «Noch wissen wir nicht, wer der bessere ist: der Tokamak oder der Stellarator», sagt Klinger. Am Ende könne sogar eine Kombination aus beiden Ansätzen zum Erfolg führen. In wenigen Jahren wird man wissen, ob sich die Sturheit deutscher Forscher, eine exotische Alternative zu verfolgen, tatsächlich ausgezahlt hat.

(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 02.11.2015, 23:33 Uhr

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