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Der größte Laser der Welt fährt hoch
Das energiereichste Lasersystem der Welt, das für die Kernfusion entwickelt wurde – dieselbe Reaktion, die die Sonne antreibt – ist in Betrieb. Wissenschaftler erwarten, dass innerhalb von zwei bis drei Jahren Fusionsreaktionen entstehen, die mehr Energie freisetzen, als zu ihrer Herstellung erforderlich ist. Wenn sie erfolgreich sind, ist dies das erste Mal, dass dies kontrolliert geschieht – in einem Labor und nicht in einer Atombombe – und könnte schließlich zu Fusionskraftwerken führen.
Fusionszentrale: 192 Laser werden durch Öffnungen in dieser kugelförmigen Kammer schießen und sich in der Nähe der Spitze des von rechts vorstehenden Kegels fokussieren. Links ist ein Arbeiter in einem Servicemodul zu sehen.
Der Nationale Zündanlage (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) des US-Energieministeriums besteht aus 192 Lasern, die gleichzeitig an genau demselben Punkt im Raum feuern: einer Brennstoffkugel von zwei Millimetern Durchmesser. Sie sind darauf ausgelegt, in wenigen Milliardstel Sekunden eine Energie von 1,8 Megajoule zu liefern. Das reicht aus, um den Kraftstoff auf einen Durchmesser von 50 Mikrometern zu verdichten und auf bis zu drei Millionen Grad Celsius zu erhitzen. Die im vergangenen Monat erstmals gemeinsam gezündeten Laser erzeugten bisher Pulse von 1,1 Megajoule.
Je nachdem, wie man es zählt, ist es zwischen 60 und 100 Mal energiereicher als jedes jemals gebaute Lasersystem, sagt Edward Moses , dem wichtigsten stellvertretenden Direktor für NIF und Photonenwissenschaft am LLNL. Schließlich wird erwartet, dass die von jedem Puls erzeugten Fusionsreaktionen mindestens das Zehnfache der von den Lasern gelieferten Energie erzeugen, ein erheblicher Nettogewinn, der für die Stromerzeugung nützlich sein könnte.
Die 3,5-Milliarden-Dollar-Anlage, die seit 15 Jahren in Entwicklung ist, wurde nach einem Testverbot in den 1990er Jahren in erster Linie finanziert, um Atomwaffen besser zu verstehen. NIF wird winzige thermonukleare Explosionen erzeugen, die Wissenschaftlern Einblicke in das geben, was passiert, wenn eine Atombombe explodiert. Diese Daten können wiederum verwendet werden, um Computersimulationen zu verifizieren, die dabei helfen, festzustellen, ob die Nuklearbestände der Vereinigten Staaten auch im Zeitalter der Waffen funktionieren werden. Die Daten könnten auch Einblicke in die Prozesse geben, die die Sonne und andere Sterne antreiben, und andere wissenschaftliche Fragen beantworten. Schließlich könnte NIF als Proof-of-Concept-Design für ein Fusionskraftwerk dienen.
Um eine Fusion zu erzeugen, werden 192 Laserstrahlen erzeugt, verstärkt, von infrarotem in ultraviolettes Licht umgewandelt und dann auf einen kleinen Goldkanister in der Größe eines Radiergummis gerichtet. In diesem Kanister befindet sich eine Kugel, die den Brennstoff enthält: zwei Wasserstoffisotope namens Deuterium und Tritium. Die Laser sind rund um die Kugel positioniert, um die Temperaturen und Drücke zu erzeugen, die zum Zünden einer Fusionsreaktion erforderlich sind. Wenn alles nach Plan verläuft, sollten einige der Wasserstoffatome verschmelzen, Helium produzieren und Energie freisetzen. Dies sollte wiederum zu weiteren Fusionsreaktionen führen, bis der Brennstoff ausgeht. Der ganze Vorgang dauert nur wenige Milliardstel Sekunden.
Innovatives Glas: Das für die Laserverstärker benötigte Glas wurde mit Techniken hergestellt, die speziell für die National Ignition Facility entwickelt wurden. Hier sind Beispiele für geschmolzenes und raugeschnittenes Neodym-dotiertes Phosphatglas.
Forscher haben bereits im Labor Fusionen geschaffen, aber ihre Experimente benötigten mehr Energie, als sie produzierten. Zum Beispiel verwendet ein System in den Sandia National Laboratories des Energieministeriums, die sogenannte Z-Maschine , Elektrizität anstelle von Lasern, um Wasserstoffisotope zu komprimieren und eine Fusion zu erzeugen. Um mehr Energie zu erzeugen, als sie verbraucht, wäre eine deutlich größere Version der Z-Maschine erforderlich. Moses sagt, dass das NIF in nur zwei bis drei Jahren einen Fusionsgewinn erreichen könnte, weit vor dem berühmteren ITER-Fusionsprojekt in Cadarache, Frankreich, das wahrscheinlich erst 2018 in Betrieb gehen wird. Dies war lange Zeit eine große Herausforderung , Hybris ist also das Schlimmste, sagt Moses. Aber wir denken, wir sehen uns durch. Wenn wir 2010 oder 2011 einen [Fusions-]Brand bekommen, werden wir an einem sehr aufregenden Ort sein. Ich denke, die Welt wird mit den Möglichkeiten aufwachen.
Moses bezieht sich vor allem auf die Möglichkeiten, die ein Fusionskraftwerk bietet. Die Fusion stellt keine Gefahr der nuklearen Verbreitung dar, produziert wenig Abfall und nutzt reichlich Brennstoffquellen, sodass sie viele tausend Jahre lang viel sauberen Strom liefern könnte. Einige sagen, der Brennstoff – Wasserstoff – sei praktisch unbegrenzt, obwohl die vorgeschlagenen Reaktoren Tritium verwenden werden, ein Wasserstoffisotop aus Lithium, das knapper ist.
Die jetzige Anlage ist nicht zur Stromerzeugung gebaut. Aber Moses sagt, dass mit der richtigen Finanzierung ein Kraftwerk mit Fusion aus einem System wie dem von NIF in einem Jahrzehnt laufen könnte. Kraftwerke auf Basis der Z-Maschine bei Sandia oder des ITER-Systems in Frankreich sind dagegen Jahrzehnte entfernt.
Andere Experten sind jedoch skeptischer. Wenn NIF erfolgreich ist, werden sie noch sehr weit davon entfernt sein, daraus eine praktische Energiequelle zu machen, sagt Ian Hutchinson , Professor und Leiter der Nuklearwissenschaft und -technik am MIT. Zum Beispiel, sagt er, müssten die Laser in einem Kraftwerk viel häufiger feuern als die NIF-Laser – 5 bis 10 Mal pro Sekunde, anstatt einmal alle paar Tage, wie es heute möglich ist. (Jeder Stoß würde Energie freisetzen, die etwa fünf Kilowattstunden Strom entspricht: Zum Vergleich: Ein durchschnittliches Kernkraftwerk erzeugt 12,4 Milliarden Kilowattstunden pro Jahr, während ein durchschnittliches Haus etwa 1.000 Kilowattstunden pro Monat benötigt.)
Im Gegensatz dazu wird ITER den magnetischen Einschluss von heißem Plasma nutzen, um eine Fusion zu erzeugen, ein System, das einen kontinuierlichen Energiestrom erzeugt, der sich besser für die Stromerzeugung eignen könnte als die sehr kurzen Energiestöße, die von NIF erzeugt werden, sagt er.
Unabhängig davon, ob es zu Fusionskraftwerken führt oder nicht, ist NIF von Bedeutung, sagt Stewart Prager , dem Direktor des Plasmaphysik-Labors des Department of Energy an der Princeton University. Die Wissenschaft, die es ermöglichen wird, kann nicht anderswo gemacht werden, sagt er.