Die Zukunft mit Alltagsmetallen antreiben

Fusionsenergie ist in den letzten Jahren in den Nachrichten, und die wissenschaftliche Gemeinschaft diskutiert futuristische Reaktoren. Doch hinter den Kulissen ermöglichen einige der gebräuchlichsten Metalle stillschweigend den Sprung der Fusion vom Labor ins Stromnetz. Wolfram, Kupfer und Lithium – Elemente, mit denen wir täglich interagieren – erweisen sich als unverzichtbar bei der Suche nach unbegrenzter sauberer Energie.

Wolfram‑Tokamak WEST stellt 6‑Minuten‑Fusionsrekord auf

In einem bedeutenden Meilenstein für die Fusionsenergie hat das WEST‑Gerät (tungsten (W) Environment in Steady‑state Tokamak) in Frankreich einen neuen Rekord aufgestellt. WEST hielt ein Fusionsplasma bei 50 Millionen Grad Celsius für sechs Minuten aufrecht und injizierte 1,15 Gigajoule Leistung. Dieser Erfolg verdoppelt die Plasmadichte und liefert 15 % mehr Energie als der vorherige Rekord von WEST.
WEST wird betrieben von der Französischen Kommission für alternative Energien und Atomenergie (CEA). Es ist Teil des IAEA‑Programms Coordination on International Challenges on Long Duration Operation (CICLOP). Das US‑Energieministerium’s Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) hat eine langjährige Partnerschaft mit WEST und CICLOP.

“Wir müssen eine neue Energiequelle bereitstellen, und diese Quelle sollte kontinuierlich und dauerhaft sein. Das sind wunderbare Ergebnisse. Wir haben ein stationäres Regime erreicht, obwohl wir uns in einer herausfordernden Umgebung aufgrund dieser Wolframwand befinden.”

– CEA‑Wissenschaftler und CICLOP‑Vorsitzender Xavier Litaudon

Grundlagen der Fusion

Fusion treibt die Sonne und die Sterne an. Sie entsteht, wenn leichte Elemente wie Wasserstoff auf extrem hohe Temperaturen erhitzt werden und ein Plasma bilden. In diesem Zustand kollidieren die Plasmateilchen und verschmelzen, wobei große Energiemengen freigesetzt werden.

Auf der Erde nutzen Fusionsgeräte, sogenannte Tokamaks, starke Magnetfelder, um das Plasma in einer donutförmigen Kammer zu halten. Ziel ist es, eine selbsttragende Fusionsreaktion zu erreichen, die mehr Energie erzeugt, als eingespeist wird, und damit potenziell eine praktisch unbegrenzte, sichere, kohlenstofffreie Energiequelle bereitstellt.

Allerdings bleibt es eine erhebliche Herausforderung, diese Reaktionen lange genug aufrechtzuerhalten, um Nettoenergie zu gewinnen. Das Plasma muss erhitzt werden auf Temperaturen, die heißer sind als der Kern der Sonne, und über lange Zeiträume stabil gehalten werden. Im Gegensatz zu den meisten Tokamaks, die Kohlenstoff‑Innenschichten verwenden, die zu viel Brennstoff zurückhalten und für einen Reaktor ungeeignet sind, werden alternative Materialien untersucht.

WEST’s Wolframwände: Ein reaktorrelevanter Fortschritt

WEST ist ausgekleidet mit Wolfram, einem führenden Kandidaten für zukünftige Fusionsreaktoren. Wolfram hält deutlich weniger Brennstoff zurück als Kohlenstoff, was für einen effizienten Reaktorbetrieb notwendig ist. Selbst wenn Wolfram nachgewiesen wird im Plasma, kann es sich durch Strahlung schnell abkühlen. Luis Delgado‑Aparicio von PPPL erklärt:

“Die Umgebung mit Wolframwand ist weitaus herausfordernder als die Verwendung von Kohlenstoff. Das ist schlicht der Unterschied zwischen dem Versuch, Ihre Hauskatze zu fangen, und dem Versuch, den wildesten Löwen zu streicheln.”

Trotz der Schwierigkeit ist der 6‑Minuten‑Rekordschuss von WEST mit Wolframwänden ein bedeutender Fortschritt. Er ist doppelt so lang wie der Rekord des Vorgängers von WEST mit Kohlenstoffwänden, Tore Supra. Die Demonstration langer Pulse mit reaktorrelevanten Materialien ist entscheidend für die Ziele von CICLOP und zukünftige Kraftwerke.

Neuartige Röntgendiagnostik ermöglicht Durchbruch

Der rekordbrechende Schuss wurde diagnostiziert mit einem innovativen Röntgen‑Bildgebungssystem, das von PPPL entwickelt wurde. Die Multi‑Energie‑Soft‑X‑Ray‑Kamera (ME‑SXR), hergestellt von DECTRIS, wurde von PPPL speziell angepasst, um Plasmaparameter in beispielloser Detailgenauigkeit zu messen.

“Die Röntgen‑Gruppe in der Abteilung für fortgeschrittene Projekte von PPPL entwickelt all diese innovativen Werkzeuge für Tokamaks und Stellaratoren weltweit.”

– Delgado‑Aparicio, Leiter der fortgeschrittenen Projekte bei PPPL

Typischerweise verwenden Fusionsdiagnostiken ein oder zwei Röntgenenergie‑Levels. Das ME‑SXR von PPPL nimmt gleichzeitig Messungen an acht Energie‑Levels zwischen 11 und 18 Kiloelectronvolt (keV) vor. Dieser Bereich liefert klare Daten über den Plasmakern, während Störungen durch Hochfrequenz‑Heizwellen ausgeschlossen werden.

Das ME‑SXR misst direkt die Elektronentemperaturen im Plasmakern, indem es Intensitäten bei unterschiedlichen Energien vergleicht. Es bestimmt zudem die Dichte von Wolfram‑Verunreinigungen, die von den Wänden migrieren, was entscheidende Daten für die Optimierung des Langzeit‑Betriebs mit Metallwänden liefert. Laut WEST‑Koordinator Remi Dumont:

“Dieses spezielle System ist das erste seiner Art mit Energie‑Diskriminierung. Es ist spektakulär. Dank dieser neuen Messungen werden wir die Möglichkeit haben, das Wolfram im Plasma zu messen und den Transport von Wolfram von der Wand zum Kern zu verstehen.”

Rekordergebnisse öffnen Türen für die Reaktorre‑Entwicklung

Das PPPL‑Team, geleitet von Delgado‑Aparicio und dem Forscher Tullio Barbui, stellte fest, dass das WEST‑Plasma während des 6‑Minuten‑Schusses im Kern eine stabile Spannung von 4‑4,5 Kilovolt (nahe 50 Millionen °C) erreichte. Sowohl die Verunreinigungs‑ als auch die Temperaturprofile blieben stabil.

Diese Ergebnisse wurden durch fortgeschrittene Simulationen von CEA‑Wissenschaftlern bestätigt. Laut Litaudon:

“Diese energieauflösende Kamera wird einen neuen Analyseweg eröffnen. Dank dieser Diagnostik können wir dieses Problem verstehen und zur Wurzel der Physik sowohl für Messungen als auch für Simulationen vordringen.”

PPPL und WEST streben an, ihre Kontrolle von Temperatur und Wolframverunreinigungen weiter zu verbessern, um noch längere, stabilere Operationen zu ermöglichen. Darüber hinaus teilt PPPL seine ME‑SXR‑Technologie weltweit mit Tokamaks, um reaktorrelevante Forschung zu beschleunigen. 

“Das ME‑SXR ist nur ein Teil eines umfassenderen Beitrags von Diagnostik von PPPL zu CEA/WEST. Diese Zusammenarbeit hilft uns sehr. Mit dieser Kombination von Diagnostik werden wir in der Lage sein, sehr genaue Messungen im Plasma durchzuführen und es in Echtzeit zu steuern.”

– Dumont 

Alltagsmetalle, die Fusion antreiben: Tungsten, Copper, Lithium

Während das Plasma im Mittelpunkt steht, hängt die Zukunft der Fusion auch von ihren greifbareren Komponenten ab. Drei Metalle erweisen sich als unverzichtbar: Wolfram, Kupfer und Lithium.

Wolfram wird wegen seines extrem hohen Schmelzpunkts von 3422 °C geschätzt, dem höchsten aller Elemente. Das ermöglicht ihm, der sengenden Hitze von Fusionsplasmen standzuhalten. Chinas Xiamen Tungsten Co., Ltd., an der Shanghai Stock Exchange notiert, ist ein führender globaler Produzent. 

Im Jahr 2023 verzeichnete das Unternehmen trotz eines Rückgangs der Betriebseinnahmen um 18,30 % auf 39,398 Milliarden Yuan einen Anstieg des Nettogewinns, der den Aktionären zugerechnet wird, um 10,75 % auf 1,602 Milliarden Yuan. Die Erweiterung der Produktionskapazitäten und Effizienzsteigerungen von Xiamen Tungsten festigen seine Position als wichtiger Lieferant von hochreinem Wolfram für Fusionsanwendungen und machen es zu einer attraktiven Perspektive für Investoren.

Kupfer ist ein zentrales Element der Fusions‑Elektronik dank seiner herausragenden elektrischen und thermischen Leitfähigkeit. Magnetspulen, Sammelschienen und Wärmetauscher verlassen sich alle auf Kupfer, um die intensiven Ströme und die Hitze der Fusion zu bewältigen. 

Freeport‑McMoRan Inc. (FCX), der größte börsennotierte Kupferproduzent mit Sitz in den USA, verzeichnete 2023 eine robuste Finanzlage mit einem Umsatz von 24,6 Milliarden $ und einem Nettogewinn von 4,2 Milliarden $. Die umfangreichen Kupferreserven des Unternehmens, das Engagement für Nachhaltigkeit und technologische Fortschritte stärken seine Wachstumsaussichten, insbesondere durch die steigende Kupfernachfrage aus erneuerbaren Energien und Elektrofahrzeugen.

Lithium, das leichteste Metall, wird aufgrund seines bemerkenswerten elektrochemischen Potenzials zu einem Grundpfeiler der Fusion. Lithium‑Decken können Tritium‑Brennstoff erzeugen, und Lithium‑Batterien können Fusionsenergie effizient speichern. Albemarle Corporation (ALB) (ALB ), ein bedeutender Lithiumproduzent, meldete 2023 einen Rekordumsatz von 9,62 Milliarden $ – ein Anstieg von 31 % gegenüber dem Vorjahr.

Trotz Herausforderungen wie dem Rückgang der Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und fallenden Lithiumpreisen verzeichnete Albemarles Einheit für Energiespeicherung ein beeindruckendes Volumenwachstum von 35 %, hauptsächlich dank der erweiterten La‑Negra‑Anlage in Chile. Der Fokus des Unternehmens auf Kostensenkung, finanzielle Flexibilität und Wachstumsinvestitionen positioniert es gut im aufstrebenden Lithium‑Markt, obwohl der Aktienkurs im vergangenen Jahr deutlich gefallen ist.

Mit dem Fortschritt der Fusion wird die Nachfrage nach diesen Metallen stark ansteigen. Wolfram, Kupfer und Lithium mögen nicht den Glanz des Plasmas besitzen, aber sie bilden das Rückgrat einer vielversprechenden Zukunft der Fusion. Hersteller, die in der Lage sind, hochreine Materialien in großem Maßstab zu liefern, könnten einen erheblichen Aufschwung erleben, wenn die Fusionsära beginnt.

Pionierhafte Partnerschaften treiben den Fortschritt voran

Dieser Durchbruch entsteht aus einer Zusammenarbeit führender Fusionsinstitute. PPPL, ein Pionier in der Plasmadiagnostik, entwickelte das ME‑SXR mit Fördermitteln aus den DOE‑Programmen für Nachwuchsförderung und Diagnostikentwicklung. Der WEST‑Tokamak der CEA, das weltweit einzige Gerät mit Wolframwand zur Erforschung von Langzeit‑Schüssen, bietet ein ideales Testbett.
DECTRIS, ein weltweit führender Anbieter von Röntgendetektoren, stellte die Kerntechnologie bereit, die PPPL in das neuartige ME‑SXR integrierte. Laut DECTRIS‑Vertriebsleiter Nicolas Pilet:

“Die Plasma‑Fusions‑Gemeinschaft gehörte zu den ersten, die die Hybrid‑Photon‑Counting‑Technologie zur Überwachung der Plasmadynamik testeten. Wir sind unglaublich stolz, mit unseren Produkten zu dieser Entwicklung beizutragen, und begeistert von unserer hervorragenden Zusammenarbeit.”

Der WEST‑Rekord ist ebenfalls ein Triumph für CICLOP, das IAEA‑Programm, das globale Anstrengungen zu Langzeit‑Herausforderungen koordiniert. Durch die Kombination von Fachwissen und Ressourcen will CICLOP systematisch Schlüsselprobleme lösen, die kontinuierliche Fusionsbetriebe verhindern. Litaudon sagte:

“Dieser Meilenstein stellt einen wichtigen Schritt in Richtung der Ziele des CICLOP‑Programms dar. Die Arbeit von PPPL bei WEST ist ein hervorragendes Beispiel.”

Auf dem Weg zu sauberer Fusionsenergie

Der 6‑Minuten‑Rekord von WEST mit Wolframwänden stellt einen bedeutenden Fortschritt für die Fusionsenergie dar. Er bestätigt, dass Tokamaks mit reaktorrelevanten Materialien das Plasma bei den für praktische Fusionsenergie erforderlichen Temperaturen nachhaltig einschließen können. Neuartige Diagnostik wie das ME‑SXR von PPPL ermöglicht Forschern, das Plasma mit beispielloser Präzision zu messen und zu optimieren.

Es gibt noch viel zu tun, um zu erledigen einen funktionsfähigen Fusionsreaktor zu entwickeln. Die Pulsdauer muss von Minuten auf Monate ausgedehnt werden, während Dichte erhöht und Stabilität aufrechterhalten wird. Fortschrittliche Materialien, Magneten und Wärmetauschsysten sind unerlässlich. Dennoch verwandeln Wissenschaftler das enorme Potenzial der Fusion Schritt für Schritt in die Realität.

Fusion hat das Potenzial, eine sichere, kohlenstofffreie und praktisch unerschöpfliche Energiequelle bereitzustellen. Dies könnte helfen den Klimawandel zu mildern, die Energiesicherheit zu verbessern, und die nächste Ära der menschlichen Entwicklung zu unterstützen. Insgesamt ist, wie WEST und CICLOP zeigen, die globale Zusammenarbeit entscheidend, um die Herausforderungen der Fusion zu meistern und ihre enormen Vorteile der Welt zu bringen.

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