Sphärische Fusionsbehälter und Mayonnaise – Unsere zukünftigen Energiebedürfnisse neu denken

Fusionsenergie ist so alt wie unser kosmisches System. Sie versorgt die Sonne und die Sterne mit Energie. Ihre Anwendung auf unserem Planeten ist jedoch noch experimentell.

Laut einem Bericht aus Mitte Juli stiegen die Investitionen in diesem Bereich in diesem Jahr um mehr als 900 Millionen US‑Dollar auf etwa 7,1 Milliarden US‑Dollar. Experten sind jedoch der Ansicht, dass das Wachstum der Investitionen noch nicht ausreichend ist. Es liegt unter dem Anstieg von 1,4 Milliarden US‑Dollar im vergangenen Jahr und 2,8 Milliarden US‑Dollar im Jahr 2022.

According to Andrew Holland, the head of the Fusion Industry Association:

„Das in den letzten 12 Monaten beobachtete Wachstum ist positiv, wird aber nicht ausreichen, um die ambitionierten Ziele der Fusion zu erreichen.“

Wie in jedem anderen Sektor kann Wachstum nur durch Innovation erreicht werden. Heute werden wir eine solche effiziente und entscheidende Innovation untersuchen – die darauf abzielt, die Notwendigkeit eines ohmschen Heizsolenoids zu eliminieren – die möglicherweise der einflussreichste Designfaktor für die Realisierung wirtschaftlicher, kompakter Fusion‑Tokamak‑Reaktorsysteme ist.

Aber bevor wir tiefer in die Forschung und ihre Auswirkungen eintauchen, benötigen wir einen kurzen Überblick darüber, wie die Wissenschaft der Fusionsenergie funktioniert und welche Rolle Tokamak‑Systeme dabei spielen.

Die Wissenschaft der Fusionsenergie und Tokamak‑Systeme

Es ist ein multidisziplinäres Wissenschaftsfeld, das darauf abzielt, eine Energiequelle auf Basis kontrollierter Fusion zu entwickeln. Das Grundprinzip der Fusion besteht darin, zwei Kerne zu einem Kern zu verschmelzen.

Auf praktischer Ebene bedeutet Fusion auf der Erde, Bedingungen zu schaffen, die zur Erzeugung von dauerhaften Plasmen führen – Gase, die so heiß sind, dass Elektronen von den Atomkernen gelöst werden. Forschende nutzen elektrische und magnetische Felder, um die resultierende Sammlung von Ionen und Elektronen zu steuern, da diese elektrische Ladungen besitzen. Dieser Mechanismus ist die Inspiration für den Namen kontrollierte Fusion.

Tokamak‑Systeme helfen, das Plasma mithilfe magnetischer Felder in einer donut‑förmigen Form, dem Torus, zu begrenzen. Im Laufe der Jahre haben sich Tokamaks als das führende Konzept zur Plasmabegrenzung für zukünftige Fusionskraftwerke etabliert. Die Forschung, die wir im nächsten Abschnitt besprechen werden, befasst sich mit der Optimierung des Tokamak‑Raums.

Kompakte, sphärische Fusionsbehälter: Ein kleinerer Tokamak als wirtschaftlichere Fusionsoption

Ein erweitertes Forscherteam, darunter Wissenschaftler des US-Energieministeriums (DOE), des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), des privaten Unternehmens Tokamak Energy und der Kyushu University in Japan, leitet diese Forschung. Ihr Vorschlag ist in seiner Idee einfach: ein kompakter, sphärischer Fusionspilotversuch, der das Plasma ausschließlich mit Mikrowellen erhitzt.

Der Einsatz von Mikrowellen würde die Notwendigkeit einer massiven Kupferdrahtspule, einem Solenoid, das sich nahe dem Zentrum des Behälters befindet, zur Erwärmung des Plasmas, eliminieren.

Während er die Nützlichkeit der Entfernung dieses konventionellen ohmschen Heizansatzes erläuterte, sagte Mayasuki Ono, der leitende Forschungsphysiker am PPPL und Hauptautor des Papiers:

„Ein kompaktes, sphärisches Tokamak‑Plasma sieht aus wie ein kerniges Apfel mit einem relativ kleinen Kern, sodass kein Platz für eine ohmsche Heizungsspule vorhanden ist. Wenn wir keine ohmsche Heizungsspule einbauen müssen, können wir wahrscheinlich eine Maschine entwerfen, die einfacher und günstiger zu bauen ist.“

Um ihr Ziel zu erreichen, nutzt das Experiment eine Technologie namens ECCD (Electron Cyclotron Current Drive), die gleichzeitig einen Strom im Plasma erzeugen und es erhitzen kann. Die Forschenden haben zudem einen Computercode namens TORAY entwickelt, der in Kombination mit einem weiteren Code namens TRANSP die Zielwinkel des Strahls scannt, um die höchste Effizienz zu ermitteln und den Leistungsbedarf zur Erzeugung des erforderlichen Stroms zu minimieren.

Die Forschenden haben zudem den ECCD‑Modus identifiziert, der für jede Phase des Heizprozesses am besten geeignet ist. Die wahrscheinlichen Optionen umfassen zwei Modi:

• O‑Modus oder gewöhnlicher Modus
• X‑Modus oder außergewöhnlicher Modus

Beide Modi sind nützlich und tragen zum Gesamtsystem bei. Der X‑Modus ist am besten geeignet, wenn die Temperatur und der Strom des Plasmas erhöht werden müssen. Der O‑Modus ist die passendste Option, um nach dem Hochfahren die Temperatur und den Strom des Plasmas aufrechtzuerhalten.

Zusammenfassend zu den alternativen Heizoptionen sagte Ono:

„Der O‑Modus ist gut für ein Hochtemperatur‑ und Hochdichte‑Plasma. Aber wir haben festgestellt, dass die Effizienz des O‑Modus bei niedrigeren Temperaturen stark abnimmt, sodass ein anderes Verfahren für das Niedertemperatur‑Regime erforderlich ist.“

Die Forschenden hoben zudem die Bedeutung hervor, das Plasma frei von Verunreinigungen zu halten. Starke Magnetfelder begrenzen das Plasma im Tokamak weitgehend in einer bestimmten Form, aber manchmal kann das Plasma den Innenwänden des Tokamaks nahekommen, wodurch Atome von den Wänden abgelöst werden und ins Plasma gelangen.

Obwohl die Forschungsvorschläge noch experimentell sind, sehen wir bereits die Beteiligung von kommerziellen Unternehmen, die diese Lösung vorantreiben, skalieren und die Anwendung der Fusionsenergie weiter optimieren und energieeffizienter machen können. Im nächsten Abschnitt besprechen wir Tokamak, das Unternehmen, das bereits in den Prozess involviert ist.

#1. Tokamak Energy Inc.

Tokamak ist an vorderster Front bei der Entwicklung der Technologie, die erforderlich ist, um in den 2030er‑Jahren erfolgreich Fusionsenergie bereitzustellen. Seine Vision ist es, Fusionsenergie sauber, sicher, erschwinglich und leicht verfügbar zu machen.

Bisher hat das Unternehmen 77 Patentfamilien angemeldet und insgesamt 250 Millionen US‑Dollar eingeworben. Davon stammten 200 Millionen US‑Dollar von privaten Investoren, und der Rest kam von den Regierungen des Vereinigten Königreichs und der USA.

Im Laufe seiner Tätigkeit hat das Unternehmen zahlreiche Erfolge erzielt. Beispielsweise wurde es 2022 das erste private Fusionsunternehmen, das in einem Tokamak eine Plasmitonentemperatur von 100 Millionen Grad Celsius erreichte – die Schwelle für kommerzielle Fusion.

Im selben Jahr wurde das Unternehmen ebenfalls mit dem höchsten Plasma‑„Triple‑Product“ unter allen privaten Fusionsunternehmen ausgezeichnet, ein Schlüsselmaß für Plasmatemperatur und Einschlusszeit.

Wir haben bereits den sphärischen Tokamak besprochen, der zu den am besten erforschten und am weitesten anerkannten Wegen zur Fusionsenergie gehört. Seine Vorteile umfassen betriebliche Effizienz, Plasmastabilität und Kosten­effizienz.

Der ST40‑Hochfeld‑kompakte sphärische Tokamak von Tokamak ist einer der fortschrittlichsten in diesem Bereich. Damit erreichte Tokamak eine Plasmitonentemperatur von 100 Millionen Grad Celsius, also das Sechsfache der Temperatur im Sonneninneren.

Tokamak baut zudem ein Demo4‑Magnetsystem in einer eigens dafür errichteten Testanlage. Das System besteht aus 44 einzelnen HTS‑Spulen, die zu 14 toroidalen Feldarmen und zwei poloidalen Feldspulen in einer käfigartigen Struktur zusammengefügt sind. Es kann in einem Vakuum bei 20 Kelvin (‑250 °C) betrieben werden und erzeugt ein Magnetfeld, das fast eine Million Mal stärker ist als das Erdmagnetfeld.

#2. Helion

Ein weiteres Unternehmen, das in diesem Bereich bahnbrechende Arbeit leistet, ist Helion. Das Unternehmen behauptet, das weltweit erste Fusionskraftwerk gebaut zu haben. Der Fusionsgenerator von Helion kann das Fusionsbrennmaterial ebenfalls auf über 100 Millionen Grad Celsius erhitzen. Darüber hinaus kann er Strom mit einem hocheffizienten gepulsten Verfahren extrahieren.

Technologisch nutzt Helions Lösung die magneto‑inertiale Fusionstechnologie. Helions Technologie weist drei herausragende Merkmale auf, die sie von anderen Ansätzen in diesem Bereich unterscheiden. Um die Leistungsabgabe je nach Bedarf anzupassen, verwendet das Unternehmen ein gepulstes, nicht‑Zündungs‑Fusionssystem.

Ähnlich wie ein regeneratives Bremssystem in einem Elektroauto kann das Helion‑System direkt Strom zurückgewinnen. Das macht das Helion‑System deutlich energieeffizienter, da andere verfügbare Fusionssysteme Wasser erhitzen, um Dampf zu erzeugen, der die Turbine antreibt, wobei dabei viel Energie verloren geht.

Helion verwendet Deuterium und Helium‑3 (D‑³He) als Brennstoff. Die Fusion dieser beiden erzeugt geladene Teilchen, die direkt als Strom zurückgewonnen werden können, wodurch das System klein, effizient, schnell und kostengünstig bleibt. Der Einsatz von Deuterium und Helium‑3 reduziert die Neutronenemissionen und verringert erheblich die ingenieurtechnischen Herausforderungen, die beim Einsatz von Deuterium‑Tritium‑Brennstoff auftreten.

Wichtig ist, dass das Unternehmen glaubt, dass seine Fusionsenergie zu einer der kostengünstigsten Stromquellen werden könnte, idealerweise mit einem Preis von 0,01 US‑Dollar pro kWh.

Laut den neuesten verfügbaren Informationen konnte das 2008 gegründete Unternehmen bis Ende 2021 500 Millionen US‑Dollar aufbringen und erreichte damit eine Bewertung von 1,25 Milliarden US‑Dollar. Diese letzte Finanzierungsrunde wurde von Sam Altman, dem CEO von OpenAI, angeführt, der persönlich 375 Millionen US‑Dollar investierte, was den starken Glauben an Helions Potenzial, die Energieproduktion durch Fusionstechnologie zu revolutionieren, unterstreicht. Die Gesamtfinanzierung beträgt nun 577 Millionen US‑Dollar und wird für den Abschluss des siebten Prototyps von Helion, Polaris, sowie für die Annäherung an die Kommerzialisierung der Fusionsenergie bis 2024 verwendet.

Fortschrittliche technologische Arbeiten von Unternehmen wie Tokamak und Helion tragen dazu bei, dass der Bereich der Fusionsenergie große Fortschritte macht. Die spezifische Forschung, die wir zu Beginn unserer Diskussion zitierten, war das Ergebnis einer öffentlich‑privaten Partnerschaft. Sie zeigt, dass ein stetiger und systematischer Wissens- und Fähigkeits­transfer zwischen Forschungseinrichtungen und kommerziellen Unternehmen stattfindet.

Die Zukunft der Fusionsbehälter: Innovatives Denken zur Optimierung von Ressourcen

Erfolgreich zu sein mit Fusion erfordert ein tieferes Eintauchen in die Wissenschaft. Die Wissenschaftler sind neugieriger denn je.

Mayonnaise unterstützt Forschende bei der Lösung komplexer Fusionsenergie‑Herausforderungen

Ein Team von Forschenden der Lehigh University verwendet Mayonnaise als Schlüsselzutat in ihrer laufenden Forschung zu den Phasen der Rayleigh‑Taylor‑Instabilität. Diese Forschung könnte das Design zukünftiger Trägheitsfusion‑Verfahren für saubere Energie beeinflussen.

Laut Arindam Banerjee, dem Paul B. Reinhold Professor für Maschinenbau und Mechanik an der Lehigh University und Vorsitzenden der MEM‑Abteilung im P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science:

„Das Team arbeitet weiterhin an demselben Problem, nämlich der strukturellen Integrität von Fusionskapseln, die in der Trägheitsfusion verwendet werden, und Hellmann’s Real Mayonnaise unterstützt uns weiterhin bei der Suche nach Lösungen.“

Mayonnaise unterstützt das Team, indem sie als Feststoff wirkt, der bei einem Druckgradienten zu fließen beginnt. Das Rayleigh‑Taylor‑Problem, ein bekanntes Phänomen in der Physik, beschreibt das Auftreten zwischen Materialien unterschiedlicher Dichte, wenn Dichte‑ und Druckgradienten entgegengesetzt verlaufen und eine instabile Schichtung erzeugen. Der Einsatz von Mayonnaise ermöglicht das Ausprobieren möglicher Lösungen, ohne dass extrem hohe Temperaturen und Druckbedingungen erforderlich sind, die nur schwer zu kontrollieren sind.

Kalte Fusion ohne extreme Temperaturen

Ein weiterer jüngster Durchbruch in der kalten Fusion hat die Hoffnungen auf die Erreichung sauberer Energie ohne die Notwendigkeit extrem hoher Temperaturen und Plasma wiederbelebt, die traditionell mit Kernfusion verbunden sind.

Diese Entwicklung, die lange als Randwissenschaft galt, nutzt Materialwissenschaft, seltene Metalle und spezifische chemische Prozesse, um Kernfusion bei niedrigeren Temperaturen zu erreichen.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft hatte die kalte Fusion zuvor abgelehnt, weil die frühen experimentellen Ergebnisse nicht reproduzierbar waren, aber eine neue, in Nature veröffentlichte, peer‑reviewte Studie deutet auf einen möglichen Weg hin, indem sie Neutronenemissionen während Experimenten mit deuteriertem Titanpulver unter akustischer Kavitation beobachtete. Diese Entdeckung könnte den Weg für weitere Forschungen zur kalten Fusion als praktikable alternative Energiequelle ebnen und das Potenzial für saubere, praktisch unbegrenzte Energie bieten.

Die Ergebnisse der Studie stellen den langjährigen Glauben in Frage, dass Kernfusion die extremen Bedingungen von Sternen erfordert, wie Millionen Grad Temperatur und starke Magnetfelder. Stattdessen untersucht dieser neue Ansatz das Potenzial, Fusion durch andere Mechanismen zu erreichen, was die Energielandschaft revolutionieren könnte, indem eine zugänglichere und weniger ressourcenintensive Methode zur Energieerzeugung bereitgestellt wird.

Wenn erfolgreich, könnte die kalte Fusion die massive Infrastruktur und den Energieaufwand, die für traditionelle Fusionsmethoden erforderlich sind, umgehen und damit ein Wendepunkt im Streben nach nachhaltigen und sauberen Energielösungen sein.

KI: Ein Wendepunkt bei der Stabilisierung nuklearer Fusionsreaktionen

Mit zunehmender Raffinesse und wachsenden Fähigkeiten revolutioniert KI das Feld der nuklearen Fusion, indem sie Plasma‑Instabilitäten vorhersagt und verhindert, die historisch die Nachhaltigkeit von Fusionsreaktionen behinderten.

Forscher der Princeton University und des Princeton Plasma Physics Laboratory des US-Energieministeriums haben ein KI‑Modell entwickelt, das Plasma‑Störungen, wie z. B. Tear‑Mode‑Instabilitäten, bis zu 300 Millisekunden im Voraus vorhersagen kann. Dies ermöglicht es der KI, in Echtzeit Anpassungen an den Reaktorparametern vorzunehmen, die Stabilität des Plasmas zu erhalten und zu verhindern, dass die Reaktion vorzeitig abbricht.

Die Vorhersagekraft der KI stammt aus ihrem Training mit Daten vergangener Experimente, wodurch sie dynamisch auf potenzielle Instabilitäten reagieren kann, was traditionelle, physikbasierte Modelle nicht leisten.

Da Plasma von Natur aus instabil und komplex ist, war die Aufrechterhaltung seiner Stabilität eine große Herausforderung für die Aufrechterhaltung nuklearer Fusion. Traditionell konzentrierten sich Methoden darauf, Instabilitäten erst zu mildern, nachdem sie das Plasma zu stören begonnen hatten, oft zu spät, um die Reaktion zu retten.

Durch die Nutzung der Fähigkeit der KI, diese Instabilitäten vorherzusagen und proaktiv zu bekämpfen, wird der Fusionsprozess stabiler und praktikabler, wodurch er der Realisierung praktischer und nachhaltiger Fusionsenergie näherkommt. Dieser Fortschritt verbessert nicht nur die Aussichten der Fusion als unerschöpfliche Energiequelle, sondern unterstreicht auch die entscheidende Rolle, die KI bei der Überwindung der größten Hürden in der Fusionsforschung spielt.

Was hält die Zukunft bereit?

Die Zukunft wird Unternehmen sehen, die Fusionsenergie‑Lösungen entwickeln, die den Raum und die Ressourcennutzung in Bezug auf Energie und Kosten optimieren. Laut Omar Hurricane, Programmleiter am Lawrence Livermore National Laboratory, wo die National Ignition Facility steht:

„Fusion erscheint jetzt viel plausibler als noch vor zehn Jahren als zukünftige Energiequelle.“

Im Jahr 2023 Wissenschaftler erzielten einen Durchbruch als sie eine Kernreaktion erzeugten, die mehr Energie erzeugen konnte, als sie verbrauchte. Berichten zufolge setzte das Experiment ein Set von 192 Lasern ein, um 2,05 Megajoule Energie auf einen erbsengroßen Goldzylinder zu richten, der ein gefrorenes Pellet der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium enthielt.

Die Energie war so intensiv, dass sie die Kapsel zum Kollabieren brachte. Die erreichte Temperatur kann nur von Sternen und thermonuklearen Waffen erreicht werden. Konkret, wie das Labor angab, wurden 3,15 Megajoule Energie freigesetzt – fast 54 % mehr als die in die Reaktion investierte Energie und mehr als das Doppelte des vorherigen Rekords von 1,3 Megajoule.

Viele Forschende glaubten, dass die Ergebnisse des Experiments großes Potenzial für die Zukunft besitzen. Laut Michael Campbell, ehemaligem Direktor des Fusionslabors an der University of Rochester in New York und frühem Befürworter des NIF am Lawrence Livermore Lab, könnte der Durchbruch das Vertrauen in das Versprechen der Laser‑Fusionsenergie stärken und letztlich die Tür zu einem neuen Programm öffnen, das sich auf Energieanwendungen konzentriert. Kim Bundil, Direktor des Lawrence Livermore Labors, hielt es für den „grundlegenden Baustein eines Trägheitsfusion‑Energieplans“.

Der Versuch und sein Erfolg zeigten auch den Bedarf an zahlreichen zukünftigen Entwicklungen, die den Prozess robuster machen würden. Beispielsweise muss die freigesetzte Energie im Vergleich zur Energie, die zur Erzeugung der Laserpulse aufgewendet wird, um mindestens zwei Größenordnungen steigen, damit der Versuch zu einem praktikablen Verfahren wird.

Die Zukunft muss zudem eine dramatische Steigerung der Rate sehen, mit der die Laser die Pulse erzeugen können, sowie wie schnell sie die Zielkammer räumen können, um sie für einen weiteren Brennvorgang vorzubereiten.

Während diese Bemühungen in den kommenden Tagen weitergehen, schließen wir die heutige Diskussion mit dem Hinweis auf ein weiteres wichtiges Projekt in diesem Bereich – das 22‑Milliarden‑US‑Dollar‑Projekt ITER, eine Zusammenarbeit zwischen China, der Europäischen Union, Indien, Japan, Korea, Russland und den Vereinigten Staaten. Das Projekt arbeitet darauf hin, eine selbsttragende Fusion zu erreichen, bei der die Energie aus der Fusion weitere Fusion erzeugt.

Langsam und stetig, wenn die aktuellen Experimente ihren Abschluss finden, wird Fusionsenergie kostengünstiger, optimierter und bereit für eine breitere Massenanwendung werden.