Die Kraft der Fusionsenergie kann dank eines neuen Physik-Updates endlich entfesselt werden

In der Welt der erneuerbaren Energien gibt es vielleicht kein ehrgeizigeres Ziel als die Fusionsenergie. Dabei werden Wasserstoffatome zu Helium verschmolzen – ein Prozess, der dadurch eine unzulässige Energiemenge erzeugt. Es ist eine Reaktion, die jeden Moment in der Sonne stattfindet, aber sie auf der Erde zu wiederholen, ist ein langwieriger und seltener Prozess. Wenn wir jedoch erfolgreich sind, haben wir Zugang zu einer sauberen Quelle erneuerbarer Elektrizität, die unseren wachsenden Energiebedarf deckt.

Zu diesem Zweck verfolgen die Forscher ein Phänomen namens „Zündung“, bei dem ein Fusionsreaktor mehr Energie erzeugt, als für die Anfangsreaktion benötigt wird. Einige große Versuche sind im Gange, um dieses Ziel zu erreichen, darunter der International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) in Frankreich. Diese Bemühungen verwenden starke Magnete in einer Maschine namens Tokamak, um überhitztes Plasma zu erzeugen, das mit Wasserstoffbrennstoff erzeugt wird.

Aber hier ist der Haken: Es gibt nur so viel Wasserstoffkraftstoff, dass Sie in einen Tokamak füllen können, bevor alles schief geht.

„Eine der Einschränkungen bei der Herstellung von Plasma in einem Tokamak ist die Menge an Wasserstoffbrennstoff, die man hineinspritzen kann“, sagte Paolo Ricci, Forscher am Swiss Plasma Center. Er sagte in einer Pressemitteilung. „Seit den Anfängen der Fusion wissen wir, dass, wenn man versucht, die Dichte des Brennstoffs zu erhöhen, irgendwann eine ‚Turbulenz‘ entsteht – man verliert im Grunde den Einschluss vollständig und das Plasma geht wohin es ist.“

Um dieses Problem zu lösen, begannen die Wissenschaftler mit der Suche nach verschiedenen Gleichungen, um die maximale Wasserstoffmenge zu messen, die man vor dem Bruch in den Tokamak füllen kann. Eines der Gesetze, das sich daran gehalten hat und zu einer tragenden Säule in der Welt der Fusionsforschung geworden ist, ist als „Greenwald-Grenze“ bekannt, die besagt, dass die Kraftstoffmenge, die ein Tokamak verbrauchen kann, direkt mit dem Radius der Maschine zusammenhängt. Die Forscher hinter ITER bauten ihre Geräte sogar auf der Grundlage dieses Gesetzes.

Aber selbst Greenwalds Grenze war nicht perfekt.

„Die Greenwald-Grenze ist das, was wir ein ‚experimentelles‘ Gesetz oder eine Grenze nennen, was im Grunde bedeutet, dass es wie eine allgemeine Regel ist, die auf Beobachtungen aus früheren Experimenten basiert“, sagte Alex Zelstra, Experimentalphysiker am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien, gegenüber The Daily Beast in einem Brief. „Diese sind sehr nützlich, aber wir müssen immer vorsichtig sein, wenn wir sie außerhalb von Umständen anwenden, in denen wir Daten aus Studien haben.“

Deshalb haben Ritchie und sein Team diesen festen Glauben in Frage gestellt neues Papier Veröffentlicht am 6. Mai im Magazin Physische Überprüfungsschreiben. Darin stellten sie die Hypothese auf, dass die Greenwald-Grenze tatsächlich um fast das Doppelte angehoben werden könnte – fast die doppelte Menge an Wasserstoffbrennstoff, die in einen Tokamak zur Plasmaerzeugung fließen würde. Ihre Erkenntnisse könnten den Grundstein dafür legen, dass künftige Fusionsreaktoren wie DEMO – ein Nachfolger des derzeit in Entwicklung befindlichen ITER-Reaktors – endlich zur Zündung gelangen.

„Das ist wichtig, weil es zeigt, dass die Intensität, die man in einem Tokamak erreichen kann, mit der Leistung zunimmt, die man braucht, um es zu betreiben“, sagte Ritchie. „Tatsächlich wird DEMO mit viel höherer Leistung arbeiten als aktuelle Tokamaks und ITER, was bedeutet, dass Sie im Gegensatz zum Greenwaldschen Gesetz mehr Brennstoffdichte hinzufügen können, ohne die Leistung zu verringern. Und das sind sehr gute Nachrichten.“

Zylstra hält die Entdeckung des Teams für wichtig, weil sie Aufschluss darüber gibt, warum auch Fusionsreaktoren Grenzen haben. Es heißt auch, dass Tokamak-Designs wie ITER oder DEMO „weniger restriktiv sein können als bisher angenommen“. Mit der doppelten Brennstoffdichte kann dies die Leistungsabgabe des Tokamaks dramatisch verbessern – und uns schließlich zum Zünden bringen.

„Fusion ist ein sehr herausforderndes Problem – sowohl wissenschaftlich als auch technologisch“, fügte Zilstra hinzu, „und um die Kraft der Fusion Wirklichkeit werden zu lassen, sind viele Fortschritte Schritt für Schritt erforderlich.“ „Wenn diese Studie weiter validiert wird, insbesondere an Maschinen wie ITER, wird sie der Magnetfusionsgemeinschaft sicherlich dabei helfen, zukünftige Entwürfe für Versuchsanlagen und die Stromerzeugung zu entwerfen und zu verbessern.“