Der Nachbau der Sonne

Seit Jahrzehnten versuchen die Forschenden des LLNL, eine Kernfusionszündung herbeizuführen. Dabei handelt es sich um eine Reaktion, die Atome zum Verbinden zwingt und dadurch mehr Energie erzeugt, als sie verbraucht. Die Wissenschaftler*innen sind überzeugt, dass diese Reaktion in großem Maßstab eine unerschöpfliche und kohlenstofffreie Energiequelle für die Versorgung der Welt schaffen könnte.

Obwohl das Forschungsfeld der Fusionsenergie nicht unumstritten ist, sorgten Forschende des LLNL in den frühen Morgenstunden des 5. Dezember 2022 weltweit für Schlagzeilen. Zum ersten Mal erzielten sie in einem Experiment einen 1,5-fachen Energiegewinn. Die erzeugten 3,15 Megajoule (MJ) entsprechen ungefähr der Energie, die ein durchschnittliches Auto benötigt, um eine Strecke von 100 km zurückzulegen.

„Für uns war es unglaublich aufregend, diesen Durchbruch mit unserem Lasersystem zu schaffen. Wir haben einen Energieüberschuss erzielt! Und es gibt immer noch einige Asse, die wir noch nicht ausgespielt haben“, sagte Laserphysiker Bruno Van Wonterghem, der als Operations Director im NIF agiert. „Wir können beispielsweise das Target weiter verbessern und mehr Energie, Leistung und Präzision aus dem Laser herauszuholen.“

Experten verglichen diese historische Leistung mit dem ersten Flug der Gebrüder Wright, der im Jahr 1903 nur 37 Meter weit reichte. Ähnlich wie in diesem Fall zur interkontinentalen Luftfahrt, ist es zur kommerziellen Nutzung der Fusionsenergie noch ein weiter Weg. Der Energiegewinn der Fusionszündung Anfang Dezember bewies jedoch, dass sie grundsätzlich möglich ist.

Was steckt in einem Laserstrahl?

In einem NIF-Experiment, auch „Schuss“, legen Laserlichtimpulse 1.500 Meter in nur fünf Mikrosekunden zurück. Das Phänomen zu erklären, dauert deutlich länger:

Auf einen Knopfdruck im Kontrollraum folgt ein Laserpuls von wenigen Milliardstel Joule. Dieser wird durch Glasfasern zu 48 Vorverstärkern aus Neodym-dotiertem Phosphat-Laserglas geleitet, die die Energie des Pulses um ein Milliardenfaches verstärken und ihn in Form bringen.

Im Anschluss teilen sich die 48 Laserstrahlen in jeweils vier Strahlen auf und schicken den Laserpuls in 192 Strahlführungen, die etwa 40 x 40 Zentimeter groß sind. Laserspiegel und Linsen leiten jeden Strahl durch zwei große Hauptverstärker, die ebenfalls großformatige Laserglasplatten enthalten. Ein optischer Schalter lässt das Laserlicht viermal hin und her wandern, während verformbare Spiegel, Raumfilter und andere Vorrichtungen dafür sorgen, dass jeder Strahl von hoher Qualität, gleichmäßig und glatt ist. Klingt komplex? Es geht noch weiter.

Von dort aus gelangen die Laserstrahlen in zwei zehnstöckige Schaltanlagen, passieren diese und treten in die Target Bay ein. Anschließend durchlaufen sie die letzten optischen Baugruppen kurz vor der Zielkammer und wandeln vier Millionen Joule Infrarotenergie in zwei Millionen Joule Ultraviolettenergie um, da kürzere Wellenlängen für die Zündung besser geeignet sind.

Der heißeste Ort in unserem Sonnensystem

Dieses ultraviolette Licht wird schließlich auf das Ziel fokussiert, wo die Kernfusion stattfindet. Das NIF wurde so konzipiert, dass es Temperaturen und Druckverhältnissen standhalten kann, die nirgends sonst auf der Erde möglich sind. Das ist auch nötig, denn die NIF-Laser komprimieren den Brennstoff im Ziel auf die 100-fache Dichte von Blei, wodurch Temperaturen von mehr als 100.000.000°C entstehen. Das ist siebenmal heißer als der Kern der Sonne. Für den Bruchteil einer Milliardensekunde wurde NIF damit zum heißesten Ort in unserem Sonnensystem.

Pro Jahr werden im NIF rund 400 Laserschüsse abgefeuert. Einige davon sind wissenschaftliche Experimente, die von Universitäten und anderen Partnern beauftragt werden, die meisten sind interne Forschungsexperimente für die nationale Behörde für nukleare Sicherheit im Energieministerium. Zweimal im Monat führt das NIF-Team in der Regel einen Hochleistungsschuss durch, um eine Fusionszündung zu erreichen. Bei jedem dieser Experimente spielt Laserglas eine wichtige Rolle. Durch Verbesserungen von Laserglas oder anderen Optiken können die Forschenden die Schussrate erhöhen und die Energie und Leistung eines Strahls steigern.

„Das Arbeiten mit unseren Optiken ist wie eine wachsende Zwiebel zu schälen“, sagte Tayyab Suratwala, Program Director of Optics and Materials Science & Technology am NIF. „Wenn wir eine optische Komponente verbessert haben, treten neue Phänomene mit anderen Komponenten auf. Dann nehmen wir uns diesen an. Es ist ein fortlaufender Prozess.“

Maßgeschneidertes Material

1997, zwölf Jahre vor der feierlichen Einweihung des NIF, arbeitete das LLNL bereits mit Materialexperten wie SCHOTT zusammen, um Laserglas für Fusionsexperimente zu entwickeln. Nach Experimenten in der Nova Laser Fusion Facility des LLNL, dem Vorgänger des NIF, wussten die Wissenschaftler*innen, dass sie ein völlig neu entwickeltes Glas benötigten.

Um besser zu verstehen, wie sich Änderungen in der Zusammensetzung auf die mechanischen und optischen Eigenschaften sowie die Herstellung von Laserglas auswirken können, arbeiteten die Forschenden des NIF eng mit SCHOTT zusammen. Neben der Zusammensetzung spielte auch die Fertigungsgeschwindigkeit des Laserglases eine kritische Rolle. In den Anfängen des NIF war die Produktionskapazität von SCHOTT in den USA nicht groß genug, um das Glas in den benötigten Mengen zu fertigen. Pioniergeist war gefragt.

Am Standort Duryea, Pennsylvania, leisteten die Forscherinnen und Forscher von SCHOTT Pionierarbeit bei der Entwicklung eines kontinuierlichen Schmelzverfahrens zur Herstellung größerer Laserglasplatten. Diese schnitt man im Anschluss in kleinere Stücke. Dieses Vorgehen erwies sich als deutlich effizienter als andere Verfahren, die nur ein Substrat pro Tag lieferten. Zur Umsetzung brachten die Glaswissenschaftler*innen Produktionskenntnis mit einem tiefen Materialverständnis zusammen, um die seitens NIF gewünschten Eigenschaften des Laserglases zu erzielen.

„Um das richtige Glas für diese spezielle Anwendung zu schaffen, bedurfte es erheblicher Entwicklungsarbeit“, so Bill James, Vice President R&D bei SCHOTT North America. „Joe Hayden auf unserer Seite und Jack Campbell seitens des LLNL waren maßgeblich daran beteiligt, Chemie und optische Physik zu verstehen und herauszufinden, was für die Herstellung von platinpartikelfreiem Laserglas erforderlich ist.“

Alle Versuche und Forschungsergebnisse sind in einem umfangreichen Buch dokumentiert, das vom LLNL herausgegeben wurde. Es fasst die jahrzehntelange Entwicklung und Partnerschaft von NIF und SCHOTT zusammen. Zwischen den Jahren 2000 und 2004 lieferte SCHOTT 4.000 LG-770 Phosphatglasplatten, die noch heute Bestandteil des NIF-Lasersystems sind. Das zum Schutz der Optiken und Spiegel im Laser eingesetzte Borosilicatglas von SCHOTT muss hingegen regelmäßig erneuert werden. Es wird am Standort Jena in großen Mengen im Floatverfahren hergestellt.

Fusionsenergie und die Zukunft

Das Interesse an sauberer, erneuerbarer Energie nahm in den letzten Jahren auch in den USA zu – wie eine Initiative des Weißen Hauses aus dem Jahr 2022 mit einer „wagemutigen Dekadenstrategie zur Beschleunigung der Realisierung kommerzieller Fusion" untermauert.

„Wir sprechen hier nicht von einem 100-Meter-Lauf. Wir haben noch einen Marathon vor uns“, sagt Gernot Weber, Produktmanager für Laserglas bei SCHOTT. „Und die Teilnehmenden sind private Unternehmen genauso wie Regierungen und all diejenigen, die Materialien und Technologien für die Fusionsenergie bereitstellen.“

Aktuell liegt die Effizienz des wegweisenden NIF-Experiments unter einem Prozent. Viel zu gering für eine Energieerzeugung in großem Maßstab. Bruno zufolge bräuchte eine derartige Fusionsanlage hocheffiziente Laser, die mindestens zehnmal pro Sekunde feuern. Und außerdem noch eine Reaktionskammer, die die Energie direkt nutzbar macht – beispielsweise indem sie die Neutronenenergie in Dampf umwandelt, der dann Turbinen zur Stromerzeugung antreibt. Eine Pilotanlage, die all dies demonstrieren soll, ist ein langfristiges Ziel von verschiedenen staatlichen Institutionen wie dem NIF, die mit der Privatwirtschaft und der akademischen Welt zusammenarbeiten.

Eine weitere Option zur Steigerung der Effizienz sind verbesserte Ziele. Ihre Herstellung ist zeitaufwändig und kostspielig, weshalb sie ein neues Design benötigen, das sich für die Massenproduktion eignet. Um von einem Schuss pro Tag auf 10 Schüsse pro Sekunde zu kommen, bräuchte man einen Mechanismus wie bei einem Luftgewehr. Zudem wären perfekte Optiken erforderlich, die resistent gegen Beschädigungen sind, Milliarden von Schüssen standhalten können und zugleich die Leistung des Lasers optimieren.

Laserglas wird also nicht nur eine führende Rolle bei der Entwicklung des Fusionskraftwerks der Zukunft spielen, sondern auch die Nachhaltigkeitsziele von SCHOTT mit Leben füllen.

„Jetzt ist der Zeitpunkt gekommen, all unsere Ressourcen und all unsere Spitzenkräfte in Technik und Wissenschaft zu mobilisieren, damit das Fusionskraftwerk in den nächsten Jahrzehnten Realität wird“, sagte Bruno. „Wir brauchen die besten und klügsten Köpfe für die Optiken, die Targets, die Laser, die Laserdioden und die Materialien für die Zielkammer. Vor allem brauchen wir Materialien, die unglaublichen Neutronenflüssen standhalten können, denn Neutronen haben auf viele Materialien einen schlechten Einfluss. Sie verdunkeln Optiken und machen Metall spröde. Man muss also all diese Probleme lösen und in der Lage sein, mit ihnen umzugehen. Man muss das NIF in eine echte Photonenfabrik verwandeln, dann in eine Neutronenfabrik, und dann dieses Verständnis nutzen, um ein Fusionskraftwerk zu bauen.“

Öffentlich-private Partnerschaften werden der Schlüssel sein, um die beschriebene Effizienz zu erreichen und Produktionskapazitäten und wissenschaftlichen Erfindungsreichtum so miteinander zu verbinden, dass sie eine der größten Herausforderungen unserer Zeit bewältigen können.