Energie
Erstes kommerzielles Kernfusionsprojekt angekündigt
Fusion, die ultimative Energiequelle
Da stabile, zuverlässige, günstige und kohlenstoffneutrale Energiequellen immer drängender werden, richtet sich das Augenmerk auf nukleare Lösungen.
Dazu gehört die Kernspaltung, also das Aufspalten schwerer Atome wie Uran, Thorium oder Plutonium. Diese Technologie erlebt ein dramatisches Comeback aufgrund des Ausstiegs aus Kohle‑ und Gaskraftwerken, trotz des Bedarfs an Grundlaststromerzeugung sowie der Trends zur Elektrifizierung von Verkehr, Heizung und industrieller Produktion.
Es ist jedoch nicht ohne Probleme, selbst für die fortschrittlichere vierte Generation von Kernkraftwerken. Vor allem erfordert es immer noch den Umgang mit hochradioaktiven Materialien, vor denen die Öffentlichkeit skeptisch ist und die niemals vollständig umweltneutral sein werden.
Deshalb haben Wissenschaftler die Versprechen der Kernfusion untersucht, bei der Atome wie Wasserstoff verschmolzen werden – dasselbe Phänomen, das die Sonne antreibt.
Quelle: Nature
Dies würde einen Brennstoff verwenden, das häufigste Element im Universum, und nur harmloses Helium oder Lithium erzeugen. Es wäre zudem leistungsstark genug, praktisch unendliche Energie bereitzustellen, ohne Risiko einer Explosion oder einer unkontrollierten Kettenreaktion.
Das Problem ist, dass die Erzeugung der erforderlichen Bedingungen so schwierig ist, dass bisher kein Fusionsreaktor der Kommerzialisierung nahegekommen ist.
Dies könnte sich in weniger als einem Jahrzehnt ändern, zumindest laut Commonwealth Fusion Systems (CFS). Das Unternehmen hat gerade angekündigt, dass es dabei ist, den ersten kommerziellen Fusionsreaktor in Virginia zu bauen.
CFS-Reaktorprojekt
Commonwealth Fusion Systems plant, dass sein ARC-Reaktor 400 MW für das Stromnetz von Virginia erzeugt, genug, um 150.000 Haushalte zu versorgen.
Dies ist ein radikaler Fortschritt für das Gebiet der Kernfusion, da man immer dachte, dass der erste skalierte Reaktor 20–30 Jahre entfernt sei. Selbst das massive internationale Projekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) wird voraussichtlich nicht vor 2039 fertiggestellt sein.
Im Vergleich dazu soll der CFS-Reaktor auf einem Gelände gebaut werden, das dem Energieunternehmen Dominion gehört (D ). Sie halten ihn für bereits in den frühen 2030er Jahren realisierbar.
„Die wachsenden Bedürfnisse unserer Kunden nach zuverlässiger CO₂‑freier Energie profitieren von einem möglichst breiten Angebot an Stromerzeugungsoptionen, und in diesem Sinne freuen wir uns, CFS bei ihren Bemühungen zu unterstützen.“
Edward H Baine – Dominion‑Präsident
Commonwealth Fusion Systems
CFS‑Technologie
Um zu verstehen, wie realistisch dieses Projekt ist, müssen wir die Geschichte von CFS betrachten. Das Unternehmen wurde 2018 vom MIT ausgegliedert und hat seitdem 2 Mrd. $ eingeworben, insbesondere von dem italienischen Ölriesen Eni. CFS entwickelt einen Fusionsreaktor basierend auf dem „klassischen“ Tokamak‑Design, das ein Plasma in einem Torus (Donut‑Form) erzeugt.
Quelle: DOE
(Sie können mehr über Kernfusion und verschiedene Reaktordesigns im „Nuclear Fusion – The Ultimate Clean Energy Solution on the Horizon“ und über Supraleitung im „Progress In Superconductivity Making Way For A New Technological Revolution“ erfahren.)
CFS verwendet Hochtemperatur‑Supraleitungs‑(HTS‑)Magneten, die in Zusammenarbeit mit dem MIT entwickelt wurden. Sie werden das Deuterium‑Tritium‑Plasma steuern und komprimieren, um Kernfusion zu erzeugen.
Eine flüssige „Decke“ fängt diese Energie als Wärme auf und leitet sie an Wasser weiter, das eine Dampfturbine zur Stromerzeugung antreibt. Deuterium ist nahezu überall verfügbar und kann aus Meerwasser gefiltert werden, während ARC‑Decken natürlich Tritium produzieren.
Im Jahr 2021 entwickelte es einen 20‑Tesla‑HTS‑Magnet, eine Verbesserung von 100‑1.000‑fach gegenüber vorherigen Magneten und der bislang größte je gebaute Magnet.
Diese Magneten werden nun in einem neuen, rekordbrechenden Design namens Central Solenoid Model Coil (CSMC) zusammengebaut. Im Jahr 2024 veröffentlichte das Unternehmen zudem seine Technologie für ein Hochstrom‑dichtes, hochtemperatur‑supraleitendes Kabel, das diese Magneten mit Strom versorgt.
Der Brennstoffverbrauch wird sehr kompakt sein, wie bei allen Kernfusionstechnologien:
„Da nur geringe Mengen benötigt werden, können 30 Jahre ARC‑Brennstoff mit einem einzigen LKW geliefert werden, wenn ein neues Werk eröffnet wird, ohne Preisänderungsrisiken und ohne Verbindungen zu global problematischen Lieferketten.“
Kommende Serie von Reaktoren
Die HTS‑Magneten werden verwendet, um SPARC zu bauen, das darauf abzielt, der erste Netto‑Energie‑Fusionsreaktor zu werden, d. h. mehr Energie aus der Fusion zu erzeugen, als es durch Zündung des Wasserstoffplasmas verbraucht.
SPARC befindet sich bereits im Bau auf dem CFS‑Campus in Massachusetts, hat aber noch kein erstes Plasma erzeugt.
Quelle: CFS
Wenn alles mit dem SPARC‑Demonstrator gut läuft, ist ARC, das in Virginia gebaut werden soll, der nächste Schritt.
Quelle: CFS
Während SPARC dazu dient, die Technologie zu testen, wird ARC die Wirtschaftlichkeit des Designs prüfen. Jeder ARC wird etwa die Größe eines großen Einzelhandelsgeschäfts haben und ähnliche Standortanforderungen benötigen.
Quelle: CFS
Der nächste Schritt ist die Massenproduktion von ARC, mit dem Ziel, die Herstellungskosten zu senken und die F&E‑Kosten zu verteilen.
Ernste Befürwortungen
CFS wird nicht nur von Dominion und Eni unterstützt, sondern auch von der britischen Atomic Energy Agency, mit der es 2022 einen fünfjährigen Kooperationsvertrag unterzeichnet hat.
Die Forschungsbemühungen von CFS wurden durch Förderungen zweier Programme des US-Energieministeriums finanziert: Advanced Research Projects Agency–Energy (ARPA‑E) und Fusion Energy Sciences (FES).
Die MIT‑Experten sind ebenfalls eng in CFS eingebunden:
„Während die Mission des TFMC darin bestand, eine gleichmäßige Stärke zu demonstrieren, musste das CSMC Geschwindigkeit beweisen.
Hunderte von Händen haben an dieser Spule gearbeitet, von ihrer Entstehung auf dem Zeichenbrett bis zu ihrem langen und komplizierten Testprogramm. Die Erfindungsgabe, Ausdauer und das Herz, das dieses eng verbundene Team zeigte, war ebenso beeindruckend wie die Spule, die aus ihrer Arbeit hervorging.“
Ted Golfinopoulos, einer der MIT‑Hauptuntersuchungsleiter für Fusionsreaktoren.
Bewertung von CFS
Die Errungenschaften von Commonwealth Fusion Systems im Bereich der Magnettechnologie sind weltklasse. Stabile magnetische Einschließung, das zentrale Konzept eines Tokamak‑Reaktors, könnte der fehlende Schlüssel zur Lösung des Kernfusions‑Rätsels sein.
Sie wird in jedem Fall eine sehr wertvolle Technologie sein, nicht nur für Fusionsanwendungen.
Allerdings ist es noch etwas früh, um zu beurteilen, wie optimistisch die Ziele und der Zeitplan von CFS sind. Kernfusion ist ein Feld, das von vielversprechenden Prototypen übersät ist, die sich als weniger stabil oder produktiv erwiesen haben als erhofft.
Daher ist unklar, ob die zusätzliche Leistung der CFS‑Magneten ausreicht, um ein zuverlässiges, profitables Fusionsplasma zu erzeugen.
Als Beispiel möglicher ungelöster Probleme könnte die tritiumproduzierende Decke im Inneren des Reaktors weniger produktiv oder langlebig sein als erwartet, selbst wenn die Plasmeerzeugung reibungslos verläuft. Die Rückgewinnung der Energie und deren Umwandlung in Strom, ohne den Reaktor über Jahrzehnte hinweg zu beschädigen, könnte ebenfalls schwierig sein.
Das von CFS und Dominion Energy gezeigte Vertrauen zeigt jedoch, dass die Kernfusion große Fortschritte macht. Zusammen mit KI, die in der Lage ist, neue Materialien zu entwickeln oder das Plasma in Echtzeit zu stabilisieren, könnten wir nur 1–2 Dekaden von unbegrenzter, günstiger Energie entfernt sein, die sofort den massiven Einsatz von Entsalzung, Weltraumerkundung, Indoor‑Landwirtschaft usw. ermöglichen würde.
Fusion-Unternehmen
Derzeit ist keines der Unternehmen, die sich ausschließlich darauf konzentrieren, Kernfusion kommerziell nutzbar zu machen, börsennotiert. 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 speziellen Dealroom‑Seite.
Dennoch ist ein börsennotiertes Unternehmen im Fusionsbereich aktiv, das sein Konzept von der Energieerzeugung zur Raumfahrtantrieb umgelenkt hat: Lockheed Martin.
Lockheed Martin Corporation
(LMT )
Eine bemerkenswerte Ausnahme von der Dominanz privat gelisteter Start‑ups im Feld ist das börsennotierte Unternehmen Lockheed Martin Corporation, ein Riese der Verteidigungsindustrie.
Lockheed arbeitete seit den frühen 2010er‑Jahren an Compact Fusion, einem Kernfusionsreaktor, von dem man erwartete, dass er in den 2020er‑Jahren einsatzbereit sein würde. Es wurde jedoch seitdem angekündigt, dass die Arbeiten an dem Projekt 2021 eingestellt wurden.
Das Unternehmen war seit der ersten öffentlichen Ankündigung sehr 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 Fusionsantrieb entwickelt.
Die Idee ist, Raumfahrzeuge mit kurzen Fusionsimpulsen anzutreiben. Helicity plant, eine Plasmakanone zu verwenden, denselben Ansatz wie General Fusion. Möglicherweise haben Lockheeds interne Ergebnisse gezeigt, dass ihr Design keine Fusion aufrechterhalten kann, die mit Energieerzeugung kompatibel ist.
Vielleicht reichen jedoch kurze Impulse gleichzeitig für den Bedarf an Antrieb im Weltraum aus und kommen einem tatsächlichen Produkt viel näher? Es würde auch besser zum insgesamt luft- und raumfahrt‑ sowie verteidigungsorientierten Profil des Unternehmens passen.
