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Oct 01, 2023

Dieses Labor erzielte einen atemberaubenden Durchbruch bei der Fusionsenergie

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Nachdem Generationen lang versucht wurden, die Energie eines Sterns auf der Erde zu erzeugen, ereignete sich mitten in einer Dezembernacht eine erfolgreiche Kernfusionszündung, die in 20 Milliardstel Sekunden beendet war.

Das ist mehr als 100 Milliarden Mal kürzer als der erste 12-Sekunden-Flug der Gebrüder Wright – aber ein kurzer, leuchtender Moment, der noch größere Auswirkungen auf die Menschheit haben könnte.

Doch während die Wissenschaftsteams des Lawrence Livermore National Laboratory immer noch über ihren Wright-Brothers-Moment schwärmen, erinnern wir uns nur an diesen Namen, weil ihr dritter Flug 39 Minuten am Himmel blieb.

Die Kernfusionsreaktion muss wiederholt, erweitert und skaliert werden, bevor der Vergleich bestehen bleibt. Und der Wettlauf ist eröffnet, damit es klappt.

„Aber das macht es doch so spannend, oder?“ Die leitende Wissenschaftlerin Tammy Ma sagte gegenüber CNN. „Das Potenzial für saubere, reichlich vorhandene, unbegrenzte und erschwingliche Energie ist so groß. Es wird hart. Es wird nicht einfach sein. Aber es lohnt sich.“

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Mas Büro ist eine riesige Kiste mit Lasern von der Größe von drei Fußballfeldern in der Ecke eines 7.000 Hektar großen Labors in Livermore. Über die hohen weißen Decken verlaufen kilometerlange quadratische Röhren, in denen 192 der energiereichsten Laser der Welt untergebracht sind, und schlängeln sich alle auf einen runden Raum in der Mitte zu.

Die Mitte dieser Zielkammer wird jedes Mal zum heißesten Ort im Sonnensystem, wenn ein Fusionsexperiment durchgeführt wird, und sie ist mit so viel glänzender Maschinerie bedeckt, dass JJ Abrams sie zur Darstellung des Warpkerns der USS Enterprise in „Stark Trek Into“ verwendet hat Dunkelheit."

Aufgrund der langen Tradition von Verzögerungen und Kostenüberschreitungen wurde die National Ignition Facility von Kritikern im Kongress ironisch als „National Almost Ignition Facility“ oder „NAIF“ bezeichnet. Ohne seine Arbeit zur Erforschung von Atomwaffen ohne die Notwendigkeit von Testexplosionen hätte das Programm möglicherweise schon vor Jahren die Finanzierung verloren.

Doch nun kann die National Ignition Facility zum ersten Mal seit dem Spatenstich im Jahr 1997 ihrem Namen endlich alle Ehre machen. Im Dezember erhitzten 192 der energiereichsten Laser der Welt ein winziges Pellet aus Wasserstoffatomen mit solcher Kraft, dass sie zu Helium und – was am wichtigsten war – überschüssiger Energie verschmolzen.

Etwas mehr als 2 Megajoule Energie, die in die Zielkammer gelangten, wurden zu 3,15 Megajoule, die wieder herauskamen – ein bescheidener Zuwachs von etwa 50 %, aber genug, um Geschichte zu schreiben und es Wissenschaftlern zu ermöglichen, das Experiment als echten Erfolg zu bezeichnen.

Die fünf Versuche seitdem haben es alle nicht geschafft, es zu wiederholen.

„Wir haben durch diese Experimente viel gelernt“, sagte Lawrence Livermore-Direktorin Kimberly Budil während einer Feier zur Zündung im Dezember. „Und wir sind sehr zuversichtlich, dass wir diese Schwelle wieder überschreiten werden. Aber zum jetzigen Zeitpunkt handelt es sich noch immer um ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt.“

Während einige der fehlgeschlagenen Schüsse weniger Energie verbrauchten als der erfolgreiche, waren andere nicht in der Lage, die Präzision der Diamantkapseln wiederherzustellen, die zur Aufnahme der Wasserstoffatome verwendet wurden.

„Wir haben eine Reihe von Modifikationen vorgenommen, um die Tatsache zu kompensieren, dass die Kapseln nicht perfekt waren und einige besser funktionierten als andere.“ Sagte Budil. „Und so ist die Hoffnung immer da. Aber wenn man sich die Geschichte der Experimente ansieht, die wir durchgeführt haben, führen sehr kleine Änderungen am Input zu sehr großen Änderungen im Ertrag auf der Output-Seite.“

„Jedes Mal, wenn wir eine Aufnahme machen, sind wir der heißeste Ort im Sonnensystem“, sagte Ma und zeigte auf die kilometerlangen Spiegel, die Elektrizität im Wert von 14 US-Dollar in eine Kraft verstärken können, „die tausendmal so groß ist wie die gesamte elektrische Energie der USA“. Aber bei uns zu Hause flackert das Licht nicht, wenn wir eine Aufnahme machen, weil wir eine riesige Energiemenge aufwenden und sie auf Nanosekunden komprimieren.“

Die Anlage wurde vollständig mit 20 Jahre alter Technologie gebaut und Ma sagte, wenn sie sie heute wieder aufbauen würden – oder ein echtes Kernfusionskraftwerk bauen würden – „würden Sie neue Technologie verwenden, die viel effizienter ist und auf die man schießen könnte.“ viel höhere Raten, mit höherer Effizienz und sehr hoher Präzision.“

Bisher wurde der Kernfusionsbereich hauptsächlich in solche unterteilt, die Laser verwenden, um die Zündung wie eine Reihe von Feuerwerkskörpern auszulösen, und solche, die Magnete einsetzen, die stark genug sind, um einen Flugzeugträger anzuheben und die Plasmaströme zu steuern, die um eine donutförmige Maschine fließen Tokamak genannt.

Im Jahr 2021 nutzten Wissenschaftler in der Nähe von Oxford die Magnetmethode, um fünf Sekunden lang eine rekordverdächtige Menge an anhaltender Energie zu erzeugen.

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„In zehn Jahren werden sie dort sein, wo wir vor zehn Jahren waren“, sagte Bruno Van Wonterghem, Betriebsleiter des NIF – ein Zeichen dafür, wie wettbewerbsfähig das wachsende Fusionsrennen wird.

Schon vor dem erfolgreichen Start im Dezember haben sich die privaten Investitionen in Fusionstechnologie im Jahr 2021 verdreifacht, wobei Dutzende Start-ups versucht haben, die unendlichen Herausforderungen der Fusion auf neuartige Weise zu bewältigen. Ein Startup aus Vancouver versucht, einen Strudel aus flüssigem Metall zur Steuerung von Neutronen zu nutzen, während Absolventen des Lawrence Livermore Lab eine Idee für kleine, modulare Fusionsreaktoren entwickelt haben und Bill Gates und Shell Oil zu den Investoren zählen.

Helion Energy macht die kühnsten Versprechungen der Startup-Gruppe und zieht einige der größten Unterstützer im Technologiebereich an, darunter eine 375-Millionen-Dollar-Investition von Sam Altman, dem CEO von Open AI. Helion behauptet, sein Prototyp in Form einer riesigen Hantel werde Plasmaringe mit einer Geschwindigkeit von einer Million Meilen pro Stunde abfeuern und bis zum nächsten Jahr die Fähigkeit zur Stromerzeugung durch Fusion demonstrieren.

Nachdem Microsoft am Mittwoch die Zusage bekannt gegeben hatte, im Jahr 2028 50 Megawatt Strom davon zu kaufen, will Helion nach eigenen Angaben sein erstes Kraftwerk im US-Bundesstaat Washington bauen. Allerdings ist dies der erste Kaufvertrag für Fusionsstrom seiner Art, der bescheiden ausfällt und nur etwa 0,04 % des sauberen Stroms ausmacht, den Microsoft im Jahr 2022 gekauft hat.

Die Internationale Atomenergiebehörde rechnet damit, dass durch Kernfusion erst in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts Strom erzeugt wird, und so schwierig es ist, sonnenheißes Plasma zu kontrollieren, so schwer war es auch, die Kosten seiner Herstellung zu kontrollieren.

„Im Moment investieren wir eine Menge Zeit und Geld in jedes Experiment, das wir durchführen“, sagte Jeremy Chittenden, Co-Direktor des Centre for Inertial Fusion Studies am Imperial College in London, gegenüber CNN. „Wir müssen die Kosten um ein Vielfaches senken.“

Jetzt, da sie ihren Wright Brothers-Moment erleben, ist Ma überzeugt, dass die Welt irgendwann von der Fusion fliegen, arbeiten und leben wird.

„Wenn wir als USA beschließen, dass wir es tun, können wir es tun. Es ist nur eine Frage der Zeit. Es ist eine Frage des Geldes“, sagte Ma. „Es ist eine Entscheidung, die wir gemeinsam treffen müssen. Und ich glaube, dass wir sie in den nächsten Jahrzehnten erleben werden.“

"Sicher."