Künstliches Sonnenfeuer rückt näher

Es ist ein alter Traum der Wissenschaft, das Sonnenfeuer auf die Erde zu holen. Einen wichtigen Meilenstein hat nun ein Experiment der amerikanischen National Ignition Facility in Livermore genommen. Bei diesem erhitzen starke Laserstrahlen eine kleine Probe in Sekundenbruchteilen so hoch, dass es im Innern zu Fusionsprozessen kommt. Wie die Forscher im Fachblatt „Nature“ schreiben, konnten sie durch eine Optimierung des Laserpulses eine so starke Fusion erzielen, dass der Brennstoff mehr Energie freisetzte, als er selbst aufnahm.

Seit vier Jahren arbeiten Forscher der National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien daran, mithilfe von Laserstrahlen eine kontrollierte Kernfusion in schwerem Wasserstoff zu zünden. Bislang erreichten die Wissenschaftler mit ihrem Fusionsexperiment jedoch keine Energiebilanz, die sich für eine künftige Energieversorgung eignen würde. Omar Hurricane von der NIF und seinen Kollegen gelang es nun, einen Energiegewinn mit einem höheren Wert als Eins zu erzielen, indem sie Laserpulse mit einer anderen Form einsetzten. Auf diese Weise wurde bei einigen Fusionen mehr Energie frei, als der Kernbrennstoff zuvor aus dem Laserlicht aufnahm. Die Ergebnisse stimmen erstmals gut mit theoretischen Vorhersagen überein.

Zylinder mit Kernbrennstoff

„Unsere Experimente zeigten beim Energiegewinn eine Verbesserung um eine ganze Größenordnung im Vergleich zu früheren Versuchen“, berichtet Hurricane. Um das Sonnenfeuer zu zünden, steht den Forschern die weltweit stärkste Laseranlage zur Verfügung; insgesamt 192 Hochenergielaser, deren Technik ganze Turnhallen füllt. Sie sind so angeordnet, dass ihre Strahlen mit einer Gesamtleistung von tausend Milliarden Watt auf einen winzigen Zylinder fokussiert werden. Dieser misst in der Länge nur rund einen und im Durchmesser einen halben Zentimeter. Er besitzt oben und unten je eine Eintrittsöffnung für die Laserstrahlen und ist auf der Innenseite mit einer dünnen Goldschicht überzogen.

Genau in der Mitte des Hohlraums sitzt ein kleines Kügelchen mit dem Brennstoff aus Deuterium und Tritium – zwei Arten schweren Wasserstoffs, die besonders gut verschmelzen. Die Laserpulse sind so aufeinander abgestimmt, dass sie im Zeitraum weniger Millionstel Sekunden ihre gesamte Energie in den Hohlraum pumpen. Die Probe erhitzt sich enorm und verwandelt sich in ein Plasma. Dabei entstehen im Brennstoff vergleichbar hohe Dichten und Temperaturen wie im Sonnenzentrum, so dass dort Kernfusion stattfinden kann.

Bei insgesamt vier von mehreren Dutzend Tests war die im Brennstoff erzeugte Fusionsenergie größer als diejenige, die der Brennstoff selbst aufgenommen hatte. Zur Energieerzeugung reicht dies jedoch noch lange nicht: Denn nur ein Hundertstel der gesamten Energie, die die Laser verbrauchen und die schließlich im Hohlraum landet, wird auf den Brennstoff übertragen. Der Rest geht bei der Verdampfung des Zylinders und anderen Prozessen verloren. Damit haben die Wissenschaftler zwar eine wichtige Hürde genommen, sind aber noch weit von einer effektiven Energiegewinnung entfernt. Am Forschungsreaktor ITER, der gegenwärtig im französischen Cadarache entsteht, sollen starke Magnetfelder das heiße Fusionsplasma einschließen. Die Fusionsforscher hoffen, mit dieser Technik bis zum Jahr 2025 eine insgesamt positive Energiebilanz zu erreichen.