Brennendes Plasma

Die Fusion von Wasserstoff- zu schwereren Heliumkernen setzt eine enorme Menge an Energie frei. Doch dafür muss den Wasserstoffkernen zunächst Energie zugeführt werden – eine Herausforderung, um die Kernfusion als Energiequelle nutzbar zu machen. Nun gelang amerikanischen Forschern mit ihrem Ansatz der Laserfusion ein großer Schritt, um diese Hürde zu meistern. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, schufen sie ein brennendes Plasma aus extrem heißen Wasserstoffkernen, die miteinander verschmelzen und sich dabei sogar selbst aufheizen.

Kernfusion findet erst bei sehr hohen Temperaturen, ähnlich denen im Innern unserer Sonne, statt. Um diese Temperaturen im Labor zu erreichen, nutzten die Forscher der National Ignition Facility in Livermore insgesamt 192 intensive Laser, die sie auf einen nur wenige Millimeter großen Hohlraum fokussierten. Mitten in diesem Hohlraum befand sich eine winzige Kapsel mit einer Mischung aus den schweren Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium – das sind Varianten des Wasserstoffatoms mit einem Proton und einem beziehungsweise zwei zusätzlichen Neutronen im Kern. Die Laserstrahlen erzeugten an den Innenwänden des Hohlraums Röntgenstrahlung, wodurch sich die Hülle der Wasserstoffkapsel stark aufheizte. Dabei dehnte sich die Kapselhülle im Bruchteil einer Sekunde aus, während das Innere der Kapsel in einer Implosion stark zusammengepresst wurde. Bei dieser Kompression erreichte das Plasma aus Wasserstoffkernen Temperaturen von bis zu 50 Millionen Grad, sodass die Wasserstoffkerne zu schwereren Heliumkernen verschmolzen und Energie abgaben.

Bei dieser Kernfusion wurde so viel Energie freigesetzt, dass die entstandenen Heliumkerne selbst das Plasma weiter aufheizten. Mit diesem sogenannten brennenden Plasma lässt sich prinzipiell viel mehr Energie freisetzen, als für den Betrieb der Laser eingesetzt wird. So konnten in den jüngsten Versuchen bis zu 170 Kilojoule Energie generiert werden. Möglich wurde dieser Erfolg mit einer stabilen, kugelförmigen Fusionskapsel aus synthetischem Diamant sowie optimal fokussierten Laserstrahlen. Zudem passten die Fusionsforscher das Design der Hohlraumwände so an, dass sich die Wasserstoffisotope möglichst gleichmäßig aufheizten.

Trotz dieses Erfolgs ist die Energiebilanz der Laserfusion unterm Strich noch negativ. Denn für den Betrieb der Laser ist mit etwa 400 000 Kilojoule bislang noch ein Vielfaches der generierten Fusionsenergie nötig. Doch das brennende Plasma ist ein wichtiger Schritt, um in vielleicht nicht mehr allzu ferner Zukunft Fusionsreaktoren mit einer positiven Energiebilanz zu entwickeln.