Kalte Fusion entfacht Träume von sauberer Energie ohne heißes Plasma

Bedeutet Kernfusion nur heiße Fusion?

Kernfusion ist der Heilige Gral der Energie­forschung. Sie würde massive Mengen sauberer Energie liefern, ohne nuklearen Abfall oder CO₂‑Emissionen zu erzeugen, und dabei einen Brennstoff verwenden, der so reichlich vorhanden ist, dass er den Großteil der Materie im Universum ausmacht.

Sie ist jedoch unglaublich schwer zu erreichen, weil die einzige bekannte Möglichkeit, Kernfusion zu erzeugen, darin besteht, die Bedingungen im Inneren von Sternen nachzuahmen – mit unfassbarem Druck und Temperaturen von zehn bis hundert Millionen Grad.

Dies kann erreicht werden, indem man starke Magnetfelder nutzt, um das ultraheiße Plasma zu enthalten und zu komprimieren. Oder mit Hunderten leistungsstarker Laser, die synchron auf denselben Punkt gerichtet werden. Allerdings haben all diese Methoden Schwierigkeiten, die Fusionsreaktion lange genug aufrechtzuerhalten, um die für die Initiierung der Kernfusion aufgewendete Energie „zurückzuzahlen“.

Quelle: IEEE

Die Komplexität der Kernfusionstechnologie und ihr Potenzial, unser Energieproblem zu lösen, wurde ausführlicher in unserem Artikel „Kernfusion – Die ultimative saubere Energielösung am Horizont“ diskutiert.

Aber was, wenn Kernfusion unter anderen Umständen geschehen könnte, indem Materialwissenschaft, seltene Metalle und Chemie anstelle von Hochleistung‑Plasmaphysik eingesetzt werden?

Dies ist das Versprechen der „Kaltfusion“, einem Feld, das lange als unwissenschaftlich abgetan und von der wissenschaftlichen Gemeinschaft verspottet wurde. Das änderte sich, als ein wissenschaftliches Papier in der renommierten Zeitschrift *Nature* veröffentlicht wurde, mit dem Titel „Beobachtung der Neutronenemission während der akustischen Kavitation von deuteriertem Titandioxid‑Pulver“.

Geschichte der Kaltfusion

Im Jahr 1989 behaupteten die Forscher Stanley Pons und Martin Fleischmann, Kaltfusion erreicht zu haben. Leider waren jahrelange Versuche der wissenschaftlichen Gemeinschaft, die Ergebnisse zu reproduzieren, bislang erfolglos, was zu Vorwürfen von mangelhafter Wissenschaft oder sogar offenem Betrug führte.

Die folgende Kontroverse beschädigte das Image dieses Konzepts dauerhaft. Sie führte auch zu einer starken Popularität bei Amateuren, Betrügern und unseriösen „Erfindern“, die ihre „Entdeckung“ nicht dem Peer‑Review und wissenschaftlicher Prüfung aussetzen wollten.

Dennoch wird das Thema von einer kleinen Zahl Wissenschaftler weiterverfolgt, meist unter den weniger umstrittenen Bezeichnungen Low‑Energy Nuclear Reactions (LENR), Condensed Matter Nuclear Science (CMNS) oder Chemically Assisted Nuclear Reactions (CANR).

Ein erneutes Interesse an dem Feld ist in den 2020er‑Jahren aufgetreten, da man das Stigma der Amateurforschung überwinden möchte. Bemerkenswert ist, dass die US‑Regierungsbehörde ARPA‑E im Jahr 2023 eine Handvoll Förderungen für Forschungsgruppen ankündigte, die sich mit Low‑Energy Nuclear Reactions (LENR) beschäftigen, nach interessanten Ergebnissen von NASA‑Forschern im Jahr 2020.

Das NASA‑Team nannte seine Methode „Lattice Confinement Fusion“. Sie betonten, dass das, was sie taten, keine Kaltfusion, sondern eine spezielle Form der Heißfusion sei.

Dennoch zeigte das Erzeugen von Fusion ohne Plasma, dass Kernfusion auf mehr Arten erreicht werden kann als bisher gedacht, und echte Kaltfusion könnte ebenfalls noch möglich sein.

Die beiden Hauptkonzepte der Kaltfusion

Metall‑getriebene Fusion

Eine vorgeschlagene Methode für Kaltfusion, ursprünglich von Pons & Fleischmann 1989 vorgeschlagen, beinhaltete die Verwendung von Materialien, die ihre Form ändern, sodass Wasserstoffatome gefangen und zur Fusion gezwungen werden. Dazu wurden wasserstoffinfundierte Metalle wie Palladium, Erbium und Titan vorgeschlagen.

Das Grundkonzept ist, dass durch das Aufnehmen von Wasserstoffatomen und das Heranrücken aneinander das Metallgitter seine Form ändert. Und dass dies irgendwie die Verschmelzung von Wasserstoffatomen zu Helium erleichtern könnte.

Obwohl nicht völlig unmöglich, standen Physiker von Anfang an skeptisch gegenüber der Idee, da die zur Überwindung der elektrostatischen Abstoßung von Wasserstoffkernen erforderlichen Energien enorm sind.

Blasenfusion

Eine weitere Idee ist, dass Kernfusion in Blasen auftreten könnte, wenn diese kollabieren; zum Beispiel können Blasen in Wasser durch Ultraschall entstehen, ein Konzept, das manchmal auch Sonofusion genannt wird.

In der Theorie könnten die durch den Kollaps einer Blase in einer Flüssigkeit erzeugten Stoßwellen stark genug sein, um Fusion zu verursachen, nicht ganz unähnlich den durch Laser induzierten Stoßwellen.

Es ist zudem bekannt, dass Kavitation eine sehr kraftvolle Kraft sein kann, zum Beispiel das Zerkleinern von Metallpropellern von Booten allein durch die Kraft des Zusammenbrechens von Blasen.

Quelle: Britannica

Ein zeitgenössisches Forschungsthema beschäftigt sich mit der Lichtemission, wenn die von einer hochintensiven Ultraschallwelle erzeugte Kavität kollabiert. Dieser Effekt, genannt Sonolumineszenz, kann sofortige Temperaturen erzeugen, die heißer sind als die Sonnenoberfläche.

Wenn Sonolumineszenz aus „Temperaturen heißer als die Sonnenoberfläche“ entstehen kann, könnte theoretisch auch Kernfusion entstehen.

Die Idee ist ebenso umstritten wie die „klassische“ Gitter‑Kaltfusion, deren Hauptbefürworter stark kritisiert wird. Aber 2013 wurde die Debatte neu entfacht:

Nach einem neuen investigativen Bericht über die Unterlagen des Oak‑Ridge‑National‑Laboratories wurde ein stark publiziertes Ergebnis aus dem Jahr 2002, das das umstrittene Tisch‑Fusions‑Experiment in Zweifel zog, selbst in Zweifel gezogen.

Der Reporter, der den Oak‑Ridge‑Dokumentdump untersuchte, fand zudem mögliche entlastende Beweise, die einige der umstrittenen Forscher – darunter Hauptautor Rusi Taleyarkhan, jetzt an der Purdue University – unterstützen könnten.

Spectrum IEEE

Dennoch brachte das erneute Interesse 2013 nicht viele neue Ergebnisse hervor, und die Idee landete wieder im Stapel „wäre schön, funktioniert aber nicht“ der Wissenschaftsgeschichte.

Die Entdeckung 2024

Das änderte sich, als ein einzelner Forscher, Max Fomitchev‑Zamilov, Präsident von Maximus Energy Corporation in den USA, das zuvor erwähnte wissenschaftliche Papier in *Nature* veröffentlichte.

Das Unternehmen spezialisiert sich auf den Verkauf von Werkzeugen für Kernphysik‑Experimente, wie Neutronendetektoren, Gammastrahlendetektoren, Röntgenspektrometer, digitale Pulsen‑Prozessoren, Mehrkanalanalysatoren und Spektroskopie‑Software.

Im Mai 2024 behauptete Dr. Fomitchev‑Zamilov, potenzielle Fusionsereignisse mit Blasen aus schwerem Wasser (hergestellt mit Deuterium statt normalem Wasserstoff) gemischt mit Titan‑Partikeln nachgewiesen zu haben.

Dies würde theoretisch beide theoretisierten Ansätze für Kaltfusion kombinieren, mit einem Titan‑Gitter und Sonofusion.

Wir konnten die Neutronenproduktion mehrere Stunden lang aufrechterhalten und das Experiment unter verschiedenen Bedingungen mehrfach wiederholen.

Wir vermuten, dass die beobachteten Neutronen aus der Kernfusion von Deuterium‑Ionen stammen, die im Titan‑Gitter gelöst sind, aufgrund der mechanischen Wirkung der einprallenden Kavitation‑Jets.

Betrachtung der Gitter‑Kalt‑Sonofusion

Die Ergebnisse des Experiments sind sehr interessant. Nicht nur erreichte die Spitzen‑Neutronenzahl „10.000x über dem Hintergrund, sondern sie trat nur auf, wenn sekundäre akustische Wellen konstruktiv interferierten und massive, scharfe Druckspitzen von einigen tausend psi erzeugten.“

Die Neutronenproduktion konnte ebenfalls mehrere Stunden lang aufrechterhalten werden.

Es ist bemerkenswert, dass das experimentelle Setup bemerkenswert kompakt ist und relativ „gewöhnliche“ Komponenten von Kernphysik‑Detektoren und -Werkzeugen verwendet, was es anderen Forschern relativ leicht macht, es zu replizieren und zu testen.

Quelle: Nature

In dieser Hinsicht ist Dr. Fomitchev‑Zamilovs Bereitschaft, seine Rohdaten und das experimentelle Setup zu teilen, ein erfrischender Schritt in einem Feld, das oft von „geheimen Rezepten“ dominiert wird.

Ein langsamer Fortschritt

Vielleicht noch wertvoller ist die mehrfache Eingeständnis im veröffentlichten Papier dessen, was nicht funktionierte – etwas, das Kaltfusion‑Befürworter selten zugeben.

Die Kavitation von Deuterium‑Blasen in Mineralöl funktionierte nicht, egal welche Änderungen an Blasengrößen, Druckamplitude, Frequenz oder zugesetzten Tensiden vorgenommen wurden. Deuterium‑Tröpfchen funktionierten ebenfalls nicht.

Solche „Fehlschläge“ sind wichtig, da sie zeigen, dass die Neutronendetektion lediglich ein Messfehler oder ein Artefakt des Versuchsaufbaus sein könnte. Sobald jedoch deuteriertes Titan‑Pulver mit deuteriertem Wasser (schweres Wasser) hinzugefügt wurde, wurde ein Neutronenfluss gemessen.

Interessanterweise trat der Neutronen‑Spike regelmäßig, synchron zu den akustischen Wellen, auf.

Quelle: Nature

Ähnlich ist der Neutronen‑Spike, der sich deutlich vom Hintergrundrauschen und anderen Signalen unterscheidet, klar sichtbar, wenn man die Probe 5 Stunden lang beobachtet und dann die akustischen Wellen startet.

Quelle: Nature

Diese Ergebnisse wurden konsequent immer wieder erzielt und über einen Zeitraum von sechs Monaten weiter analysiert, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Zufalls oder eines nicht replizierbaren Einzelfalls weiter reduziert wurde.

Noch kein endgültiger Beweis

Das veröffentlichte Papier erkennt an, dass Kaltfusion noch nicht die einzige Erklärung für den Neutronenfluss ist.

Was demonstriert wurde und eine bahnbrechende Entdeckung darstellt, ist, dass mit deuteriertem Titan‑Pulver + deuteriertem Wasser + Schallwellen/Kavitation Neutronen emittiert werden.

Zum Beispiel könnten die Bedingungen des Experiments ein Phänomen namens Spallation erzeugen. Dabei zerbricht ein hochenergetischer Impuls (wie von Teilchen) einen Atomkern in seine Bestandteile, was theoretisch zur Detektion von Neutronen führen könnte.

Quelle: Springer

Daher sind weitere Analysen der Reaktionen erforderlich, offenbar unter zusätzlicher spektroskopischer Untersuchung.

Verbesserung des Designs

Natürlich sollten wir anmerken, dass diese Ergebnisse nun von anderen Forschern repliziert werden müssen, um voll vertrauenswürdig zu sein.

Mehr Daten müssen aus Experimenten gesammelt werden, um zu verstehen, wie die Neutronenproduktion und die potenzielle Fusionsreaktion optimiert werden können.

Materialien

Aus dieser Publikation wissen wir, dass das Titan‑/Deuterium‑Pulver in Öl mindestens sechs Monate stabil gegenüber Zerfall und Trennung war.

Bevor jedoch über die praktische Nutzung eines solchen potenziellen Kaltfusions‑Fortschritts diskutiert werden kann, müssen wir wissen, was im Prozess verbraucht wird.

Mechanismen der Gitter‑Kalt‑Sonofusion

Die Arbeitshypothese ist, dass die Kavitation‑Jets die Ursache der beobachteten Neutronen‑Spikes und der angenommenen Kernfusion sind.

Diese Jets könnten „wie Kolben wirken, die Deuterium‑Ionen im Titan‑Gitter komprimieren“. In diesem Fall wäre das Material der Jets nicht so wichtig und H₂O‑Tröpfchen sollten ebenso wirksam sein wie D₂O‑Tröpfchen.

Oder vielleicht „die Jets müssen Deuterium‑Ionen enthalten und der Wirkungsmechanismus sei der eines Ionenstrahls, der auf ein deuteriertes Ziel trifft“.

Die Klärung zwischen den beiden Hypothesen wird wahrscheinlich der nächste Schritt für Dr. Fomitchev‑Zamilov sein.

Echos von NASA‑Arbeiten?

Wir sollten beachten, dass die von NASA‑Wissenschaftlern 2020 entdeckte Methode „„nicht‑kalt‑nicht‑Plasma‑Fusion““ leistungsstarke Elektronen nutzte, um eine Sequenz von Teilchenkollisionen auszulösen, die schließlich genug Energie für ein Deuterium‑Atom bereitstellten, um Fusion zu initiieren.

Um diese Barriere zu überwinden, ist eine Sequenz von Teilchenkollisionen erforderlich. Zuerst beschleunigt ein Elektronen‑Beschleuniger Elektronen und schleudert sie in ein nahegelegenes Ziel aus Wolfram. Die Kollision zwischen Strahl und Ziel erzeugt hochenergetische Photonen, ähnlich wie in einer herkömmlichen Röntgenmaschine.

Die Photonen werden fokussiert und in die deuteron‑beladene Erb‑ oder Titanprobe gelenkt. Trifft ein Photon ein Deuteron im Metall, spaltet es dieses in ein energiereiches Proton und ein Neutron. Das Neutron kollidiert dann mit einem anderen Deuteron und beschleunigt dieses.

Könnte die bereits bekannte Kavitation, die instantane Temperaturen heißer als die Sonnenoberfläche auf atomarer Ebene erzeugen, denselben Prozess replizieren, jedoch ohne Teilchenbeschleuniger?

Saubere Energie gelöst?

Wenn diese Entdeckung bestätigt und perfektioniert wird, bedeutet das, dass wir die Kernfusion gelöst haben? Und dass saubere, reichliche Energie nur noch eine Frage der Zeit ist? Vielleicht, aber ein entscheidender Datenpunkt fehlt noch: Während wir wissen, dass Neutronen emittiert werden, wissen wir nicht, wie viel Energie das System dabei abgibt.

Das Problem, das die Heißfusion bisher gehindert hat, mehr Energie zu produzieren, als sie verbraucht, könnte auch für die Kaltfusion gelten.

Ein ermutigender Punkt ist, dass Dr. Fomitchev‑Zamilov an einem Labortisch arbeitet, fern von Einrichtungen wie der U.S. National Ignition Facility (NIF), die 500 Billionen Watt Spitzenleistung an einem Ort durch 192 leistungsstarke Laserstrahlen liefert.

Während die Energieausbeute also bescheiden sein mag, können wir daraus schließen, dass der Energieinput ebenfalls bescheiden war.

Investieren in Kernfusion

Als wissenschaftliche Idee, die gerade erst aus einem schlechten Ruf hervorgeht, der für jeden Physiker, der daran arbeitet, praktisch ein Karriere‑Ende bedeutete, ist Kaltfusion heute für Investoren kaum zugänglich.

Schweres Wasser ist ein sehr kleiner Markt, mit nur 161 Mio. $ weltweiter Handel (und etwas mehr lokaler Produktion), wobei Kanada der größte Exporteur ist. Ein privater Lieferant ist der Labor‑Ausrüstungs‑ und Verbrauchsgigant Sigma‑Aldrich, Teil von Merck KGaA (MRK.DE).

Derzeit ist kein Unternehmen, das an einer kommerziell nutzbaren Heißfusion arbeitet, öffentlich notiert. Dazu gehören Helion, General Fusion, Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy und NEO Fusion.

Eine umfangreiche Liste von Start‑ups im Bereich Kernfusion finden Sie auf der dedizierten Dealroom‑Seite.

Eine bemerkenswerte Ausnahme von den überwiegend privat‑gelisteten Start‑ups ist das börsennotierte Unternehmen Lockheed Martin Corporation, ein Riese der Verteidigungsindustrie.

1. Lockheed Martin Corporation

Seit den frühen 2010er‑Jahren arbeitete Lockheed an Compact Fusion, einem Kernfusionsreaktor, von dem man erwartete, dass er bis zu den 2020er‑Jahren einsatzbereit sein würde. Es wurde jedoch angekündigt, dass die Arbeit an dem Projekt 2021 eingestellt wurde.

Das Unternehmen war nach einer sehr enthusiastischen Anfangsankündigung äußerst zurückhaltend bezüglich dieses Projekts. Bis heute ist unklar, was das Unternehmen dazu veranlasst haben könnte, die Idee aufzugeben.

Gleichzeitig scheint es das Konzept nicht vollständig aufgegeben zu haben, insbesondere durch Investitionen im Jahr 2024 in Helicity, ein Start‑up, das einen Fusions‑Antrieb entwickelt.

Die Idee wäre, Raumfahrzeuge mit kurzen Fusions‑Impulsen anzutreiben. Helicity plant, eine Plasmakanone zu verwenden, ähnlich dem Ansatz von General Fusion.

Möglicherweise haben interne Ergebnisse von Lockheed gezeigt, dass ihr Design keine Fusion aufrechterhalten kann, die mit Energieproduktion kompatibel ist.

Aber vielleicht reichen kurze Impulse für den Antrieb im Weltraum aus und kommen damit einem echten Produkt näher. Es würde auch besser zum insgesamt luft‑ und verteidigungsorientierten Profil des Unternehmens passen.

2. General Fusion

General ist eines der Start‑ups, das die Fusion zu einem privaten Sektor‑Unternehmen machen will, anstatt ein öffentlich finanziertes Physik‑Projekt zu sein.

Das Unternehmen wurde bereits 2002 gegründet, um Magnetized Target Fusion (MTF) zu entwickeln.

MTF wird vom Unternehmen als ein kürzerer Weg zu energiepositiver Fusion und deutlich kostengünstiger angesehen. General Fusion war 2010 das erste Unternehmen weltweit, das einen kompakten Toroid‑Plasma‑Injektor im Maßstab eines Kraftwerks baute und in Betrieb nahm, und hat seitdem viele weitere Meilensteine erreicht.

Quelle: General Fusion

Das Unternehmen plant, bis 2025 Fusion bei 100 Millionen °C zu erreichen und bis 2026 den Energie‑Break‑Even (positiver Ertrag aus Kernfusion) zu erreichen. Vorher wurde 2023 ein Modell im Maßstab 1/5 gebaut, dessen Leistung den Erwartungen der Computermodelle entsprach.

Insgesamt hat General Fusion zwei Jahrzehnte damit verbracht, Schritt für Schritt jede Kerntechnologie des Enddesigns zu bauen, zu testen und bislang erfolgreich zu validieren.

Quelle: General Fusion

Als privates Unternehmen musste es keine Design‑Änderungen diskutieren oder verhandeln, im Gegensatz zu internationalen Projekten wie ITER. Es konnte Technologie nach eigenem Ermessen auswählen, ohne politische Vorgaben eines bestimmten Landes berücksichtigen zu müssen.

Deshalb erwarten viele, dass General Fusion und einige seiner Konkurrenten das schaffen könnten, was große Regierungsprojekte nicht erreichen.

3. TAE Technologies

Früher bekannt als Tri Alpha Energy, das kalifornische Unternehmen konzentriert sich auf die Entwicklung von Fusionstechnologie. TAE Technologies rüstet seine Fusionsplattform Norman derzeit zu einer sechsten‑Generation‑Maschine namens Copernicus auf.

Quelle: TAE

TAE‑Technologie nutzt Teilchenbeschleuniger, um Energie in das Plasma zu injizieren und „als Verdickungsmittel zu wirken, das das Plasma handhabbarer macht“.

Das Unternehmen verwendet zudem ausgiebig 3‑D‑Druck bei der Herstellung von Copernicus, was schnelle Iterationen neuer Bauteile und rasches Problemlösen ermöglicht. Beispielsweise konnten einige Reaktorkomponenten mit der Hälfte des Gewichts im Vergleich zur konventionellen Fertigung gedruckt werden.

Quelle: TAE

Wenn alles reibungslos verläuft, erwartet das Unternehmen, in den frühen 2030er‑Jahren sein erstes Prototyp‑Kraftwerk zu bauen, das an das Stromnetz angeschlossen werden kann, und dieses dann im Laufe des Jahrzehnts zu skalieren, um „robuste und zuverlässige“ kommerzielle Energie zu liefern.

Fusion würde laut CEO Michel Binderbauer uns in ein „Paradigma des Überflusses“ führen.

In den letzten 25 Jahren operierte das Unternehmen nach einem „Milestone‑basierten“ Finanzierungsmodell, bei dem jede Finanzierungsrunde nur dann von Investoren bereitgestellt wird, wenn die versprochenen Meilensteine erreicht wurden.

2022 investierten Google und Chevron (CVX ) in TAE Technologies im Rahmen einer 250 Mio. $‑Finanzierungsrunde. Google arbeitet bereits seit einem Jahrzehnt mit TAE zusammen und stellt dem Unternehmen KI‑ und Rechenleistung zur Verfügung.

Das Unternehmen bietet zudem Life‑Science‑Dienstleistungen (Boron‑Neutron‑Capture‑Therapie – BNCT) und Energie‑Lösungen wie Batterien und E‑Mobilität an.

4. Helion

Helion strebt an, Fusion mit Deuterium und Helium‑3 zu erzeugen, anstatt den üblichen Ansatz zu verfolgen, der sich auf Fusion mit Tritium konzentriert.

Normalerweise ist Helium‑3 sehr schwer zu finden. Helion hat jedoch ein Verfahren entwickelt, um es aus Deuterium in seinem eigenen Reaktor zu produzieren. Andernfalls wären unbewiesene Alternativen wie das Abbau‑Mining auf dem Mond nötig gewesen.

Wie die meisten privaten Fusion‑Unternehmen nutzt Helion Plasmainjektions‑Technologie.

Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal von Helion ist das direkte Einfangen von Elektrizität aus dem Plasma, wobei das Faradaysche Gesetz genutzt wird, um einen Strom zu induzieren und damit den üblichen Dampferhitz‑Kreislauf von Kernkraftwerken zu überspringen.

Dieser Schritt ist zwar kühn, könnte aber den Ertrag zukünftiger Kraftwerke um das 2‑ bis 3‑fache steigern, da die Umwandlung von Wärme zu Dampf zu Strom üblicherweise sehr ineffizient ist. Zudem ist das Verfahren kapitalintensiv.

Helions Fusionskraftwerk soll praktisch keine Brennstoffkosten, niedrige Betriebskosten, hohe Verfügbarkeit und konkurrenzfähige Kapitalkosten haben. Unsere Maschinen benötigen deutlich geringere Kapitalkosten, weil wir Fusion so effizient betreiben können und keine großen Dampfturbinen, Kühltürme oder andere teure Komponenten traditioneller Fusion‑Ansätze benötigen.

Helion betreibt derzeit Trenta, seinen 6. Generation‑Reaktor, der über 10 000 Impulse und Temperaturen von 100 Millionen °C erreicht hat.

Quelle: Helion

Er wechselt derzeit zu Polaris, seinem nächsten Modell, das voraussichtlich magnetische Pulse 100‑mal schneller als Trenta erzeugen wird, was es zum ersten Kernfusions‑Reaktor machen würde, der einen Netto‑Energie‑Gewinn liefert.

Es ist bemerkenswert, dass Polaris 19 m lang sein würde, weit entfernt von einer riesigen Installation im Vergleich zu anderen, klassischeren Fusionsreaktor‑Designs.