Fusionsenergie nimmt Fahrt auf

Energy Gap: Unsere Welt braucht immer mehr Energie

Energielücke
Energielücke: Mit den vorhandenen erneuerbaren Energiequellen können die Energieziele nicht erreicht werden

Der World Energy Council (WEC) geht von fast 150 Prozent Mehrbedarf an Strom bis 2060 gegenüber 2015 aus. Dieser wird zu höchstens 40 bis 60 Prozent durch regenerative Energien abgedeckt. Für die übrigen 40 bis 60 Prozent wären weiterhin fossile Energien nötig – eine Energielücke, die geschlossen werden muss.

Fusionsenergie könnte die Lösung sein! Der schöne Traum, die nahezu unendliche Energie der Sterne auf die Erde zu holen, nimmt gegenwärtig wieder mehr Gestalt an. Besonders erfolgsversprechend erscheint die Laserfusion. Heraeus Conamic liefert das Quarzglas für die Hochenergielaser .

Erste wissenschaftliche Überlegungen zur Kernfusion gab es bereits vor rund 100 Jahren, seit den 80er Jahren des vergangenen Jahrhunderts laufen Versuchsanlagen. Dass es bei der Forschung bisher nur sehr langsam vorwärts ging, liegt an der Komplexität der Sache. Bei der Kernfusion geht es um nichts weniger, als den Prozess der Energiegewinnung ähnlich unserer Sonne auf die Erde zu bringen. Als Ergebnis stünde der Menschheit ein praktisch unerschöpflicher Energiespender zur Verfügung, der die Umwelt nur gering belastet und keine Treibhausgase und radioaktiven Abfall produziert.

Wie funktioniert Kernfusion?

Grafik zur Funktionsweise der Kernfusion

Fusionsreaktoren erzeugen Strom durch die Nutzung von Wärme aus Kernfusionsreaktionen. Bei einem Fusionsprozess werden zwei leichtere Atomkerne zu einem schwereren Kern verschmolzen, wobei Energie freigesetzt wird. Bei der Kernfusion entsteht das für Mensch und Umwelt gefahrlose Edelgas Helium sowie energiereiche Neutronen.

Ausgangsmaterial für die Kernfusion sind die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium. Sie können aus einfachem Wasser bspw. aus Meerwasser oder Abwässern gewonnen werden. Die energiereichen Neutronen aus dem Fusionsprozess erzeugen Wasserdampf, der eine Turbine antreibt und die wiederum einen Generator, der Strom erzeugt.

Wie funktioniert Laserfusion?

Die Fusionsreaktion auf der Erde in einem Kraftwerk auszulösen, stellt Wissenschaftler und Experten vor enorme Herausforderungen. Denn für einen erfolgreichen Fusionsprozess müssen die starken elektrischen Abstoßungskräfte der Atomkerne überwunden werden. Aktuell erkunden Forscher zwei Herangehensweisen, um Fusionsenergie zu erzeugen: Kernfusion mit Hilfe von Hochenergielasern oder Magnetfeldern.

Die Laserfusion hat jüngst einen Durchbruch erreicht. Im August 2021 gelang es der kalifornischen National Ignition Facility (NIF) , einer Einrichtung des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), per Laserfusion eine Reaktion auszulösen, die 1,3 Megajoule Energie freisetzte.

Credit: Lawrence Livermore National Laboratory

Trägerstruktur des Vorverstärkers - Ein Techniker justiert eine Optik innerhalb der Trägerstruktur des Vorverstärkers (Quelle: https://lasers.llnl.gov/ ).

Credit: Lawrence Livermore National Laboratory

NIF-Zielkammer - Ein Service-Lift ermöglicht Technikern den Zugang zum Inneren der Zielkammer für Inspektion und Wartung (Quelle: https://lasers.llnl.gov/ )

Credit: Lawrence Livermore National Laboratory

Recycling fertiger Optiken - NIF-Forscher haben eine Methode zur Minderung laserverursachter Schäden an Optiken durch Laserabtragung der beschädigten Stellen entwickelt. Die Optik-Minderungsanlage verwendet vier Minderungssysteme, die die Minderungsprotokolle für Optiken in voller Größe (430 Millimeter) in der Serienproduktion durchführen können. Bis Ende 2014 wurden etwa 4 000 fertige Optiken recycelt und wieder in Betrieb genommen (Quelle: https://lasers.llnl.gov/ ).

Credit: Lawrence Livermore National Laboratory

NIF-Laserbucht - Von oben gesehen hat jede der beiden identischen NIF-Laserbuchten zwei Gruppen von 48 Strahlrohren, eine auf jeder Seite der Versorgungsleitung, die in der Mitte der Bucht verläuft (Quelle: https://lasers.llnl.gov/ ).

Im NIF befindet sich der stärkste Laser der Welt. Die Anlage ist fast drei Fußballfelder groß - und doch muss der Laserpuls am Ende die Innenseiten eines winzigen vergoldeten Hohlraums im Reaktor treffen. In diesem steckt eine zwei Millimeter große Kunststoffkapsel mit Deuterium und Tritium. Die UV-Strahlung des Lasers mit ihrer exakt auf Gold ausgerichteten Wellenlänge von 352 Nanometer erzeugt Gammastrahlung, die die Kapsel komprimieren und somit die Fusionsreaktion auslöst.

Unser Beitrag: hochreines Quarzglas für Hochenergielaser

Hochenergetische Laser treiben die Fusionsreaktion
Optiken aus Quarzglas steigern die Laserleistung
Optiken aus Quarzglas steigern die Laserleistung

Für die Laserfusion sind hochpräzisen Optiken in den 192 Laserstrahlen entscheidend. Das Material hat eine hohe Reinheit und bietet daher hervorragende optische Qualitäten. Außerdem hat Quarzglas die erforderliche hohe Durchlässigkeit und eine geringe Absorption im ultravioletten Lichtspektrum.

„Mit unserem Quarzglas-Rohmaterial für solche Lasersysteme leisten wir einen substanziellen Beitrag zu einer neuen, nachhaltigen Methode, wie wir saubere Energie erzeugen und die Versorgungslücke durch die erneuerbaren Energien schließen könnten“, erklärt Dr. Frank Nürnberg, Global Head of Sales Optics bei Heraeus Conamic.

Heraeus beliefert derzeit Fusionsversuchsanlagen rund um die Welt in Europa, den USA und in China mit Quarzglas für Laseroptiken – darunter auch NIF. Die vielversprechenden Ergebnisse bewirken, dass sich mehr und mehr Start-Ups zur Kommerzialisierung von Fusionsenergie gründen. In Deutschland steht Heraeus unter anderem mit dem Darmstädter Climate Tech Start-Up Focused Energy in Kontakt, um in der Verwirklichung eines Prototypen in den nächsten Jahren zu helfen und bis spätestens 2040 ein erstes kommerzielles Fusionskraftwerk auf Laserbasis am Laufen zu haben. Bis dahin muss in den Fusionsreaktoren noch viel Feinarbeit geleistet werden. Ein besonderes Augenmerk liegt laut Frank Nürnberg auf der Effizienz: „Die Effizienz der Energieerzeugung beschreibt das Verhältnis der benötigten Energie für das System in Form von Strom und der letztendlich durch Kernfusion erzeugten Energie und Umwandlung in Strom. Wenn Wissenschaftler diese Effizienz maximieren können, dann hätte die Laserfusion sehr großes Potential, die Energielücke zu schließen oder sogar andere Energiequellen abzulösen.“ Die nächsten 20 Jahre in der Kernfusionsforschung versprechen interessant zu werden.