Im Detail beleuchtet – Außenperspektive: alternative Konzepte der Fusionsenergie

Willkommen zu einem weiteren Artikel unserer Serie „Im Detail beleuchtet“. Dieses Mal schauen wir aus einer Außenperspektive auf unterschiedliche alternative Fusionstechnologien. Dafür konnten wir den Wissenschaftsjournalisten Daniel Clery gewinnen. Denn „obwohl ITER das größte Fusionsexperiment der Welt ist, ist es bei Weitem nicht das einzige.“ Hier gibt es einen Überblick der alternativen Konzepte.

Dieser Artikel wurde von Daniel Clery, Wissenschaftsjournalist und Autor des Buches „A Piece of the Sun: The Quest for Fusion Energy“ für die September-Ausgabe 2019 unseres Magazins Fusion in Europe verfasst.


Wenn es um Fusion geht, kommt man nicht an ITER vorbei. Das größte Fusionsexperiment der Welt ist das Ergebnis von Forschungen, an denen seit sieben Jahrzehnten Tausende von Wissenschaftlern beteiligt sind und die mit Fördergeldern in Milliardenhöhe finanziert werden. Dass das Projekt ITER so groß ist, macht Sinn: Seit den 1960ern beweist das Tokamak-Prinzip das größte Potenzial, Fusionsreaktionen von ausreichender Dauer erzeugen zu können. Außerdem zeigte sich, dass sich die Leistung mit der Größe des Tokamaks vervielfacht. Deshalb hat ITER einen Durchmesser von beachtlichen 30 Metern und einer fast ebensolchen Höhe. ITER ist sehr teuer – so kommt es, dass Regierungen, die mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung repräsentieren, sich zusammengetan haben, um sich die Kosten von über 20 Milliarden Euro zu teilen.

Alternativen zu ITER

Obwohl ITER das größte Fusionsexperiment der Welt ist, ist es bei Weitem nicht das einzige. Mit viel geringerer Förderung werden auch andere Ansätze verfolgt, falls der Weg zur kommerziellen Stromerzeugung durch Kernfusion doch nicht mit Tokamaks gelingen sollte. Dazu gehören Stellaratoren, die mithilfe bizarr verdrehter Magnete Plasma in einem Gefäß einschließen, das wie ein völlig missglückter Donut aussieht. Der Reaktor Wendelstein 7-X in Deutschland ist das aktuelle Beispiel für diese Technologie. Dann gibt es noch die Trägheitsfusion. Dieses Verfahren zielt darauf ab, eine winzige Brennstoffkapsel mit einem Energiestoß, wie ihn zum Beispiel die gewaltigen Laser der National Ignition Facility in Kalifornien auslösen können, so zu komprimieren, bis eine thermonukleare Reaktion stattfindet.

Aber darüber hinaus gibt es schon seit den Anfängen der Fusionsforschung eine dritte Entwicklung jenseits der öffentlich finanzierten Projekte: Forschungsvorhaben – üblicherweise von enthusiastischen Privatleuten initiiert – die alternative Möglichkeiten der Kernfusion ausloten, mit denen der Weg zur kommerziellen Stromerzeugung abgekürzt werden soll. Meist geschieht dies aus dem Wunsch, unseren Planeten retten zu wollen – und nebenher einen netten Gewinn für sich selbst und die Sponsoren zu erzielen. In der Vergangenheit endeten die meisten dieser Unterfangen, weil den Initiatoren schlichtweg das Geld ausgegangen war. Die Fusion ist ein teures Geschäft. Trotzdem hat das andere Beteiligte in der Fusionsforschung nicht davon abgehalten, es wieder und wieder zu versuchen.

Das goldene Zeitalter der privat finanzierten Fusionsforschung

Derzeit befinden wir uns sozusagen im goldenen Zeitalter der privat finanzierten Fusionsforschung. Kaum ein Jahr vergeht, ohne dass ein weiteres Start-up seine ehrgeizigen Pläne verkündet. Einige dieser Unternehmen haben Abertausende US-Dollar gesammelt – von Internet-Milliardären und wohlhabenden Philanthropen, Risikokapitalfirmen, Staatsfonds und wer sonst noch bereit ist, finanzielle Risiken einzugehen, um die Energiewirtschaft zu revolutionieren. Einige Projekte basieren auf völlig neuen Ansätzen, andere greifen alte Ideen auf, die durch zwischenzeitlich entwickelte neue Technologien und Materialien eine zweite Chance bekommen. Sie alle haben einen langen Weg vor sich, um so erfolgreich zu werden wie das Tokamak-Prinzip, aber vielleicht hat einer dieser Visionäre ja doch Glück – und ein ausreichendes finanzielles Polster.

Die ersten privaten Fusions-Unternehmer

Zu den allerersten Fusions-Unternehmern gehören der US-amerikanische Physiker Keith Brueckner und der Geschäftsmann Kip Siegel. In den 1960ern entwickelte Brueckner eigenständig einen Plan für die Verwendung von Lasern, und Siegel steckte 20 Millionen US-Dollar in den Bau eines Labors für Brueckner und in die Unterstützung von dessen Forschungsvorhaben. In den frühen 1970er Jahren konkurrierten sie eine Zeit lang Kopf an Kopf mit Trägheitsfusionsforschern in staatlichen Einrichtungen in den USA. Doch als es zunehmend Probleme gab, kehrte Brueckner 1974 in die Hochschulwelt zurück. Siegel verstarb an den Folgen eines Schlaganfalls, den er erlitt, als er 1975 vor einem Kongressausschuss sprach, um Forschungsgelder zu beantragen.

Ein ungewöhnlicher Sponsor

Der wohl ungewöhnlichste Sponsor der Fusionsforschung war Bob Guccione, Herausgeber des Magazins Penthouse. Im Jahr 1980 begann Guccione, den Fusionsforscher Robert Bussard zu fördern, nachdem er ein Interview von ihm in seiner eigenen Zeitschrift Omni gelesen hatte. Bussard glaubte, er könne Tokamaks kleiner und billiger machen, indem sehr starke Magnete zum Einschließen des Plasmas verwendet. Bussard gab 17 Millionen US-Dollar von Gucciones Geld aus, um ein Unternehmen mit 85 Mitarbeitern aufzubauen. Weitere Sponsoren konnten allerdings nicht gewonnen werden. Als dann auch noch eine Aktienemission floppte, drehte Guccione den Geldhahn zu.

Tokamak: eine Vision mit Bestand

Die Vision eines Hochfeld-Tokamaks aber ist nie begraben worden. Das Massachusetts Institute of Technology (MIT) verfolgte dieses Konzept mit seiner Serie von Alcator-Reaktoren (Alcator ist die Abkürzung für „Alto Campo Toro“, also Hochfeld-Torus). Der letzte Reaktor, Alcator C-Mod, wurde im Jahr 2016 abgeschaltet. Zwei Jahre später jedoch gründete das MIT die Firma Commonwealth Fusion Systems aus, um die Arbeiten fortzusetzen. Für die Entwicklung eines kompakten Tokamaks namens SPARC hat die Hochschule mehr als 100 Millionen US-Dollar aufgebracht. Das Unternehmen hofft, mit einem neuen Konzept des Hochtemperatursupraleiters – einem Band mit einer Schicht aus supraleitendem Yttrium-Barium-Kupferoxid – kleine, leistungsstarke und preiswerte Magnete herstellen zu können.

In diesem Unterfangen versucht das Team aus Massachusetts mit einem kleinen Unternehmen im englischen Oxford Schritt zu halten, das bereits vor zehn Jahren gegründet wurde, um kompakte Fusionsreaktoren zu entwickeln. Tokamak Energy setzt ebenfalls auf Magnete aus hochtemperatursupraleitenden Bändern. Die Mitarbeiter wollen sie für den Bau eines kugelförmigen Tokamaks nutzen. Diese Variation des herkömmlichen Designs ähnelt eher einem entkernten Apfel als einem Donut. Das zugrundeliegende Prinzip besteht darin, dass Plasma stabiler bleibt, wenn es sich in der Nähe des Lochs im Zentrum des Torus befindet. Die Kugelform und das schmale Loch begünstigen die Zeit, die sich das Plasma dort aufhält. Das Unternehmen hat einen zwei Meter breiten kugelförmigen Tokamak mit herkömmlichen Magneten gebaut, der 2018 eine Temperatur von 15 Millionen Grad erreichte. Jetzt arbeitet das Unternehmen darauf hin, 100 Millionen Grad zu erzielen, also den Temperaturbereich, in dem Fusionsreaktionen stattfinden.

Feldumgekehrte Konfiguration

Andere Start-ups im Bereich der Fusionsforschung entfernen sich sogar noch weiter vom Mainstream. Einige Unternehmen setzen auf ein Phänomen, das als feldumgekehrte Konfiguration (Englisch: field-reversed configuration, kurz FRC) bezeichnet wird. Dafür wird eine Plasmakanone eingesetzt, die Plasma in Form eines rotierenden Rauchrings herausschießt. Die geladenen Teilchen im rotierenden Plasma erzeugen ein Magnetfeld, dessen Kraft den Plasmaring zusammenhält. Diese Technologie wurde in den frühen 1950ern entdeckt. Die ersten FRCs dauerten nur wenige Millionstel Sekunden. Heutzutage aber ist es möglich, Plasma so lange einzuschließen, bis es auf Fusionstemperaturen erhitzt ist.

Das kalifornische Unternehmen Tri Alpha Energy beispielsweise versucht die Lebensdauer von FRCs auszudehnen. Das Unternehmen entwickelte eine Reihe von Apparaten, zuletzt die Anlage „Norman“, benannt nach dem Firmengründer, dem 2014 verstorbenen Physiker Norman Rostoker. Norman ist mit einer 25 Meter langen Vakuumröhre mit je einer Plasmakanone an beiden Enden ausgestattet. Diese feuern gleichzeitig FRCs mit einer Geschwindigkeit von einer Million Kilometer pro Sekunde in Richtung Zentrum, wo sie zusammenstoßen und miteinander verschmelzen. Dadurch entsteht ein glühend heißer, zigarrenförmiger FRC, der ungefähr so lang ist wie ein Kleinwagen. Danach werden Neutralteilchenstrahlen in das FRC geschossen, um es zu stabilisieren und zu erhitzen. Norman kann inzwischen FRCs herstellen, die 10.000 Mal länger dauern als zu Anfang dieser Technologie, und sie auf zig Millionen Grad erwärmen.

Das kanadische Unternehmen General Fusion verwendet ebenfalls FRCs, jedoch auf ganz andere Art und Weise. Der Unternehmer Michel Laberge gründete das Unternehmen, weil er etwas Interessanteres machen wollte, nachdem er bis 2001 Laserdrucker entworfen hatte. General Fusion hat eine Plasmakanone gebaut, die das FRC in eine kugelförmige Reaktionskammer abfeuert. Gleichzeitig hämmern um die 400 pneumatische Kolben – jeder von der Größe eines Torpedos – auf die Außenfläche der Reaktionskammer. Dies erzeugt eine konvergierende Stoßwelle, die im gleichen Moment wie das FRC in der Mitte der Kammer ankommt. Dort drückt sie das FRC zusammen und erhitzt es so stark, dass eine Fusionsreaktion ausgelöst wird. Das Unternehmen arbeitet derzeit an den verschiedenen Komponenten und plant, diese in den nächsten Jahren zu einer Demonstrationsanlage zusammenzubauen.

Noch ausgefallenere Konzepte

Andere Konzepte sind sogar noch ausgefallener: Das kalifornische Unternehmen EMC2 arbeitet seit Jahrzehnten an einer Anlage namens Polywell, einer weiteren Idee des verstorbenen Robert Bussard. Polywell verwendet eine bestimmte Anordnung ringförmiger Elektromagnete, um Elektronen in der Mitte des Geräts einzuschließen. Wenn genügend Elektronen dort verbleiben, übt die elektrische Ladung eine anziehende Kraft auf positive Ionen am Rand des Geräts aus und beschleunigt sie in Richtung des Zentrums, in dem – mit etwas Glück – viele zusammenstoßen und miteinander verschmelzen. Ein weiterer Exot auf dem Gebiet der Fusionsforscher ist Eric Lerner, dessen Unternehmen Lawrenceville Plasma Physics in New Jersey ein Gerät entwickelt, das als „dichter Plasmafokus“ (engl. dense plasma focus) bezeichnet wird. Hierbei werden starke Magnetfeldimpulse verwendet, um Plasmafäden in einem Gas zu erzeugen. Diese Filamente verdrehen sich zu einer kompakten Kugel, die als „Plasmoid“ bezeichnet wird. Magnetfelder im Plasmoid beschleunigen Elektronen so stark, dass das Plasmoid auf extreme Temperaturen erhitzt wird. Plasmoide bestehen nur für 10 Milliardstel Sekunden, aber laut Lerner können sie durch den Prozess auf drei Milliarden Grad erhitzt werden.

Schlüsselfaktor Fusionsleistung

Die oben genannten Start-ups stellen nur eine kleine Auswahl aller kommerziellen Fusionsforschungsvorhaben dar. Obwohl einige von ihnen enorme Fortschritte machen, sind und bleiben Tokamaks in Bezug auf die Fusionsleistung weit vorne. Trotzdem machen die Newcomer weiterhin kühne Ankündigungen zu funktionsfähigen Prototypen für die Stromerzeugung – die alle angeblich ITER viele Jahre zuvorkommen werden. Wie wird das Fusionskraftwerk der Zukunft also aussehen? Wird ein riesiger plasmagefüllter Donut oder vielmehr dessen kleinerer, apfelförmiger Cousin das Rennen machen? Und wird diese Anlage wohl Norman, Polywell oder Plasmoid heißen? Was glauben Sie?