Als erneuerbare Energiequelle verspricht die kalte Fusion unbegrenzte saubere Energie. Aber was ist Fusionsenergie, wie funktioniert sie, und gibt es so etwas wie kalte Fusion überhaupt?

Sie haben vielleicht schon von der Idee der kalten Fusion gehört: Aus der Verschmelzung von Atomkernen entstehen große Mengen Energie – ohne dass dabei nennenswerte Mengen an Wärme- oder sonstiger Energie eingesetzt werden. Da dies bisher allerdings nur Gedankenspiele moderner Alchemisten sind, soll es uns nicht weiter interessieren.

Die heiße Fusion dagegen ist real. Sie geschieht im Inneren der Sonne und anderer Sterne: Aufeinanderprallende Atomkerne verschmelzen und erzeugen dabei große Energiemengen. Fusionsforscher versuchen, mit Temperaturen von mehr als 100 Millionen Grad Celsius ähnliche Reaktionen auch hier auf der Erde auszulösen.

Das Gegenteil der Kernspaltung

Die Kernfusion ist gewissermaßen das Gegenteil von dem, was wir landläufig als Kernenergie bezeichnen und aus dem Atomkraftwerk kennen. Bei beiden Verfahren geht es um Atomkerne. Bei der Kernspaltung werden sie gespalten, bei der Fusion verschmelzen sie.

Der eigentliche Unterschied liegt aber in den verwendeten chemischen Elementen. Bei der Kernspaltung werden große, schwere Atomkerne wie Uran oder Plutonium in kleinere Kerne zerlegt. Uran, Plutonium und ihre Spaltprodukte sind allerdings radioaktiv. Sie geben also bei ihrem Zerfall ionisierende Strahlung ab, die für den Menschen gefährlich sein kann.

Bei der Kernfusion werden dagegen zwei leichte Atome genutzt, normalerweise Wasserstoffatome. Wenn sie verschmelzen, entsteht lediglich Helium. Die Kernfusion hat also zwei klare Vorteile: Sie nutzt das am häufigsten vorkommende Element im Universum und ist außerdem noch ungefährlich. Ihr Abfallprodukt erzeugt schlimmstenfalls eine Micky-Maus-Stimme.

Schon mal zwei Magneten zusammengedrückt?

Aber wie verschmilzt man zwei Atomkerne? Das Problem dabei ist, dass der Kern aus (positiv geladenen) Protonen und (neutralen) Neutronen besteht. Atomkerne sind also stets positiv geladen. Sie zu verschmelzen ist daher ungefähr so, als wollte man zwei Magnete zusammendrücken. Aus diesem Grund werden bei der Kernfusion die leichtesten verfügbaren Atome verwendet. Doch auch so ist es noch schwer genug.

Die Kernfusion im Inneren der Sonne ist eine Folge der sehr großen Schwerkraft. Diese erzeugt eine extreme Dichte und enorme Temperaturen, die Atomkerne kollidieren lassen. Auf der sehr viel kleineren Erde ist die Schwerkraft deutlich schwächer. Auch die Temperaturen der Sonne werden – trotz globaler Erwärmung – längst nicht erreicht. Wie lassen sich also die nötigen Bedingungen für eine Kernfusion auf der Erde nachbilden?

Heißer als die Sonne

Die Antwort liegt auf der Hand. Um die geringere Schwerkraft zu kompensieren, brauchen wir einfach höhere Temperaturen – sechs- bis zehnmal höher, bis zu 150 Millionen Grad Celsius. Mit solchen Extremtemperaturen können wir auch hier auf der Erde Atome kollidieren lassen und große Mengen an Energie freisetzen. Doch vorher gibt es noch einiges zu beachten.

Denn wie erzeugt man eine derart hohe Temperatur, ohne dass das erhitzte Medium alles vernichtet, was mit ihm in Berührung kommt? Ganz einfach: indem jeglicher Kontakt verhindert wird. Russische Wissenschaftlicher entwickelten dazu Mitte des 20. Jahrhunderts den Tokamak, eine Art kreisförmige Kammer umgeben von starken Magneten.

Im Inneren dieser Kammer wird Wasserstoffgas extrem stark erhitzt und so in ein Plasma verwandelt. Plasma ist der vierte Aggregatzustand von Materie: Elektronen werden aus der Atomhülle herausgelöst, sodass ein ionisiertes Gas entsteht, das Plasma. Dieses ionisierte Gas ist elektrisch leitfähig und kann durch Magnetfelder beeinflusst werden. Daher die Magnete. Sie sorgen dafür, dass das Plasma die Wände des Tokamak nicht berührt, sondern quasi darüberschwebt. Das Innere des Plasmas schließlich ist so beschaffen, dass hier Atomkerne aufeinanderprallen und verschmelzen und so Energie freisetzen können.

Der weltweit größte Forschungsreaktor nach dem Tokamak-Prinzip – der sogenannte ITER – wird derzeit in Frankreich gebaut. Er soll zeigen, dass sich durch thermonukleare Fusion in großem Stil CO2-freie Energie erzeugen lässt. Der ITER ist ein internationales Megaprojekt, an dem die Europäische Union, China, Indien, Japan, Südkorea, Russland und die USA beteiligt sind. Er soll einmal mit einem Energieeinsatz von 50 Megawatt (zum Erhitzen des Plasmas) 500 Megawatt Fusionsenergie erzeugen.

Groß, größer, ITER

Die Dimension des ITER-Reaktors ist enorm:

  • Der ITER-Tokamak wiegt etwa so viel wie drei Eiffeltürme
  • Die Tragestruktur des 1 000 Tonnen schweren Elektromagneten im Inneren des Reaktors muss Kräften standhalten können, die der zweifachen Schubkraft des Spaceshuttles beim Start entsprechen (60 Meganewton oder über 6 000 Tonnen)
  • Um die kreisförmige Kammer des Tokamak herum sind 18 D-förmige Elektromagneten angeordnet, jeweils 17 Meter hoch, 9 Meter breit und 310 Tonnen schwer – vergleichbar etwa mit dem Gewicht einer voll beladenen Boeing 747-300

Wie aber leiten wir die enormen Energiemengen aus der Anlage ab und sicher als Strom zu uns nach Hause? Dies geschieht über die Wand der Hauptkammer und den sogenannten Divertor am Boden des Tokamak. Der Divertor leitet Wärme ab und befreit das Plasma von Abfallprodukten und Verunreinigungen, wobei er höchsten Hitzebelastungen standhalten muss. Seine Oberfläche besteht daher aus Wolfram, dem Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt aller chemischen Elemente (3 422 Grad Celsius).

2019 unterzeichnete die Europäische Investitionsbank mit einer Garantie des Europäischen Fonds für strategische Investitionen einen Kredit von 250 Millionen Euro für die italienische Forschungsagentur ENEA zum Bau einer Divertor-Tokamak-Testanlage. In der Anlage werden verschiedene Alternativen getestet, um die enormen Wärmelasten im Divertor eines Fusionsreaktors abzuleiten.

Aus Wärme wird Energie

Bei der Umwandlung der Reaktorwärme in elektrische Energie geht es bisher trotz aller Forschungsbemühungen noch recht traditionell zu. Die dem Plasma zugewandte Wand und der Divertor nehmen die Wärme auf, die anschließend Wasser in Dampf verwandelt, um eine Dampfturbine anzutreiben. Diese ist an einen Generator angeschlossen, der den Strom zur Einspeisung in ein Netz erzeugt.

„Für neue Erkenntnisse in Sachen Kernfusion brauchen wir wahrscheinlich mehr als Newtons Apfel“, glaubt István Szabó, leitender Ingenieur in der Abteilung Energieversorgungssicherheit der Europäischen Investitionsbank. „Es sind viel mehr Ressourcen nötig.“

Szabó räumt ein, dass vielleicht morgen jemand mit einer völlig neuen Lösung für das Verfahren der Kernfusion kommt, oder dass sich unser Bedarf an nachhaltiger Energie eventuell ganz anders decken lässt. „Es gibt andere Ideen, wie man Materie komprimiert und Atomkerne verschmilzt, beispielsweise mit Lasern oder durch mechanische Kompression. Und vielleicht löst auch eines Tages jemand das Rätsel der kalten Fusion. Aber für die Tests sind enorme Ressourcen nötig. Die thermonukleare Fusion ist in Forschung und Entwicklung am weitesten, daher ist sie derzeit der größte Hoffnungsträger.“

Investitionen in neue Energie

Die Erforschung der Kernfusion macht also Fortschritte. Sie ist allerdings nur eines von vielen innovativen Energieprojekten, das die EIB mitfinanziert.

Ein weiteres Projekt ist der responsAbility Access to Clean Power Fund, an dem die EIB mit mehr als 30 Millionen Euro beteiligt ist. Der Fonds stellt Kapital für Unternehmen bereit, die Solarlaternen und andere netzunabhängige Solarsysteme für Privathaushalte und Unternehmen anbieten, vor allem in Subsahara-Afrika und Südostasien. Ärmere Familien können mit diesen Systemen kleine Kühlschränke oder andere Geräte betreiben. Sie zahlen in kleinen Raten, während der Fonds die Vorabkosten der Anbieter für den Kauf der Systeme finanziert.

Aufgrund des hohen Risikos bietet der Fonds mehrere Anteilstranchen. Die riskanteste Tranche sind die nachrangigen Anteile, in die die EIB investiert. Durch den Kauf dieser Anteile senkt sie das Risiko für die Käufer der vorrangigen Anteile – so stößt die EIB auch erhebliche private Investitionen in den Fonds an. Insgesamt sollen über die Laufzeit des Fonds mehr als 150 Millionen Menschen mit sauberer Energie versorgt werden.

Darüber hinaus hat sich die EIB im Rahmen des von der Europäischen Kommission unterstützten InnovFin-Programms mit 50 Millionen Euro am Breakthrough Energy Ventures Europe-Fonds beteiligt. Weitere Investoren sind Bill Gates und andere vermögende Privatpersonen. Der Fonds investiert in innovative Ideen, mit denen sich Treibhausgasemissionen deutlich senken lassen.

Alle diese Projekte haben ein gemeinsames Ziel: eine klimafreundlichere Zukunft