NASA Lattice Confinement Fusion (2020)

Video
Die NASA und die Gittereinschlussfusion
Plattform	youtube.com
Kanal	Subject Zero Science
URL	youtube.com/watch?v=yJTi7cnZtYI
Datum	07.10.2020
Länge	8 Minuten, 25 Sekunden

Videoskript in Deutsch

Gegenwärtig arbeiten der öffentliche und der private Sektor intensiv an der Entwicklung von Maschinen, die Energie über eine Fusionsreaktion erzeugen können.

Das bemerkenswerteste unter diesen Experimenten ist der Internationale Thermische Nukleare Experimentalreaktor, oder kurz ITER. Nur eine kurze Zusammenfassung: Es handelt sich um das gewaltigste Projekt in diesem Bereich, dessen Bau im Jahr 2013 begonnen wurde. Der erste Testlauf wird im Jahr 2025 stattfinden, während der entscheidende und endgültige Test erst im Jahr 2035 stattfinden soll. Die Anlage selbst wird 23 000 Tonnen wiegen, und die letztendlichen Gesamtkosten dieses Unterfangens werden höchstwahrscheinlich 65 Milliarden Euro übersteigen.

Das Erzielen einer nachhaltigen Fusionsreaktion ist äußerst kompliziert, insbesondere in der Tokamak-Kategorie, die auf dem elektromagnetischen Einschluss basiert. Der elektromagnetische Einschluss ist in der Welt der Fusion die mit Abstand am meisten erforschte Kategorie.

Aber eine zweite, die oft vernachlässigt wird, die sogenannte Trägheitseinschlussfusion, könnte in der Zukunft zum Tragen kommen. Möglicherweise hat die NASA dies jetzt mit einem Verfahren erreicht, das als Gittereinschlussfusion bezeichnet wird.

Hallo miteinander, hier spricht Subject Zero.

Die Kernfusion ist ein Prozess, bei dem sich zwei Kerne zu einem neuen, schwereren Kern verbinden. Dieser Prozess liefert normalerweise 10 mal mehr Energie, als für das Auslösen einer solchen Reaktion benötigt wird. Jedoch ist die Menge an Energie, die für die Einleitung dieses Prozesses benötigt wird, immens. In einem Tokamak beispielsweise beträgt die Menge der zugeführten Wärmeenergie etwa 50 Megawatt bei einer zu erwartenden Leistung von 500 Megawatt.

Obwohl der Prozess einfach zu verstehen ist, erfordert er komplizierte Maschinen, um den atomaren Tanz zu organisieren. Die Temperatur, die notwendig ist, um auf der Erde eine Fusion zu realisieren, beträgt 150 Millionen Grad Celsius. Das ist 10 mal heißer als im Kern der Sonne. Dies ist notwendig, um die Reaktion auszulösen und um die elektromagnetischen Kräfte positiv geladener Teilchen zu überwinden, die als Coulomb-Barriere bezeichnet werden.

Die Idee dabei ist, die Atome auf eine ausreichend hohe Geschwindigkeit zu bringen. Anschließend werden die Atome durch magnetischen Einschluss so dicht wie möglich zusammengeschoben, um dadurch die Wahrscheinlichkeit ihres Zusammenstoßens zu erhöhen. Wenn alles klappt, werden die Atome mit so viel Kraft aufeinander prallen, dass die starke Kraft die elektromagnetische Barriere überwindet und die Atome miteinander verschmolzen werden.

Dies stellte über Jahrzehnte hinweg eine große Herausforderung dar. Während die Fusion von Atomen noch recht einfach zu bewerkstelligen ist, besteht das eigentliche Problem in den selbsttragenden Reaktionen. So bleibt abzuwarten, ob Fusionsreaktionen zu einer positiven Energieausbeute führen.

Die meisten Experimente erreichen nicht einmal annähernd den Break-even-Point, bei dem die Ausgangsenergie zumindest gleich der Eingangsenergie ist. Der Joint European Torus, oder kurz JET, ist das bisher bei weitem erfolgreichste Experiment mit einer Ausgangsleistung von 16 Megawatt gegenüber einer Eingangsleistung von 24 Megawatt.

Das Problem des magnetischen Einschlusses besteht darin, dass eine enorme Menge an Energie in drei Richtungen verteilt wird: Zum Aufheizen des Gases, zur Teilchenbeschleunigung und zum Tiefgefrieren der Spulen sowie zur Schaffung der Supraleitfähigkeit, die ihrerseits die enormen Magnetfelder erzeugen, welche das Plasma einschließen.

Die Gittereinschlussfusion beseitigt im Grunde all dies vollständig. Was aber ist ein Gittereinschluss? Hinter dem Begriff des Gittereinschlusses verbirgt sich die Idee, kleinere Atome mittels größerer Atome einzuengen.

Im vorliegenden Fall wird die kristalline Schicht eines Metalls dazu benutzt, Deuteron-Atome zu binden, gleich dem Wasser, das in den Sand gegossen wird. Für dieses Experiment wurden Erbium und Titan mit einer Reinheit von 99,9 Prozent verwendet.

Bei Erbium handelt es sich um ein Seltenerdmetall, das hauptsächlich in Schweden vorkommt und in optischen Verstärkungsmedien wie Linsen und Lasern für optische Fasern zur Anwendung kommt. Auch in der Kerntechnik wird es in den Steuerstäben zur Absorption von Neutronen verwendet.

Der Grund dafür, dass bei diesem Experiment Erbium zum Einsatz kam, liegt in seiner Brennstoffdichte, die es erlaubt, etwa 8 × 10²² Deuteron-Atome pro Kubikzentimeter aufzunehmen. Darüber hinaus ist es sehr stabil, wodurch sich die Verluste von der Brennstoffbeladung bis zum Test auf ein Minimum reduzierten. Schließlich wies es auch verstärkte Kernreaktionen auf.

Eine Erbium-Probe wird mit Deuterium vollgepumpt und komprimiert in sich an Brennstoff das Milliardenfache dessen, was der magnetische Einschluss eines Tokamak einschränken kann. Die Fähigkeit, mehr Atome in ein bestimmtes Volumen einzubringen, vor allem in einer milliardenfach höheren Dichte, vergrößert die Wahrscheinlichkeit für ein Zusammenprallen von Deuteronen.

Jetzt benötigt man nur noch eine Energiequelle, um die Atome anzuregen und die Reaktion auszulösen. Im vorliegenden Fall wurde die Probe mit 2,9 Millionen Elektronenvolt energiereicher Röntgenstrahlung bestrahlt, was zu einer Aufspaltung des Atoms führt.

Und hier geschieht das Wunder!

Diese Aufspaltung erschafft die notwendigen energiereichen Neutronen und Protonen. Das Neutron kollidiert mit einem statischen Deuteron, wodurch es ausreichend Energie erlangt, um mit einem weiteren Deuteron zu kollidieren und mit diesem letztendlich zu fusionieren.

Zwar stellt die Fusion eine der Hauptreaktionen dar, doch dies ist nur ein Teil der ganzen Geschichte.

Das Neutron kann von dem Metall auch absorbiert werden, was dazu führt, dass ein energiereiches Proton ausgestoßen wird, welches nun vom Erbium auf das Tullium übergeht. Dieser Prozess wird als Oppenheimer-Phillips-Prozess oder auch als Strippingreaktion bezeichnet. Bei dieser Methode handelt es sich um das genaue Gegenteil des magnetischen Einschlusses.

Dabei setzt man auf die Tatsache, dass sich langsam bewegende Deuteronen schon bei geringer Energie so nahe wie nur möglich beieinander befinden. Dadurch verringert sich die Möglichkeit der Atome, einfach auseinander zu streuen, und erhöht sich die Wahrscheinlichkeit dafür, dass sie die elektrostatische Barriere durchtunneln.

Obwohl es sich um eine vielversprechende Methode handelt, sind die Wissenschaftler jedoch noch immer gefordert, die Gesamtausbeute der Fusionsreaktion auf ein akzeptables Leistungsniveau zu heben. Was uns zurück zum metallischen Wasserstoff bringt.

Die Zukunft sieht für die Trägheitseinschlussfusion vielversprechend aus, zumindest aber ausreichend, um Satelliten oder kleine Raumschiffe mit Elektrizität versorgen zu können.

Der Schlüssel zum Erfolg liegt hier in der Brennstoffdichte. Wie ich bereits erwähnt habe, liegt eines der größten Probleme heutiger Fusionstechnologien wie Telerator und Tokamak in der enormen Energiemenge, die erforderlich ist, um das Plasma bei unglaublichen Temperaturen zu konzentrieren.

Ein weiteres Problem, vor dem sie stehen, ist die Menge an Tritium, die für die Reaktion benötigt wird. Schätzungen zufolge würde ein 1000-Megawatt-Fusionskraftwerk jährlich etwa 125 Kilogramm Tritium benötigen. Das Problem ist nur, dass Tritium auf der Erde ausgesprochen selten vorkommt und daher sehr teuer ist. Wegen ihres großen Querschnitts, der es beiden Atomen erleichtert, miteinander zu kollidieren, stellen Deuterium und Tritium für Fusionsreaktionen die besten Kandidaten dar.

Der Gittereinschluss behebt beide Probleme. Geht man davon aus, dass metallischer Wasserstoff wirklich viel stabiler ist und alle Annahmen über ihn zutreffen, wird er den bei Weitem besten Fusionsbrennstoff abgeben. Zunächst wird die Menge an metallischem Wasserstoff, die wir zu erzeugen in der Lage sein werden, in öffentlicher Hand liegen. Aber genügend, um in Fusionsreaktionen zur Anwendung zu kommen.

Hier könnte das Prinzip des Gittereinschlusses zur Anwendung kommen, mit dem Unterschied, dass kein Metallgitter erforderlich ist, da der Wasserstoff aufgrund der extremen räumlichen Annäherung der Protonen ja sein eigenes Gitter bildet. Dies würde wiederum die Fusionsreaktion erleichtern.

Gleichwohl besteht der nächste Schritt für die NASA darin, weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Ausgangsleistung zu erkunden. Wie auf ihrer Website zu lesen ist, haben sie einige Techniken im Sinn, mit denen diese Aufgabe bewältigt werden könnte. Sie hoffen, diese Entdeckung schon in naher Zukunft für Raumfahrtantriebe einsetzen zu können, wie etwa für Plasmatriebwerke.

Alles klar, Leute. Das war's. Damit sind wir hier durch.