Wissenschaft auf dem Bierdeckel: Wie funktioniert eigentlich ein Fusionsreaktor?

Fusionsenergie soll die Energieprobleme der Welt lösen, aber wie eigentlich? Wir haben den Fusionsreaktor Wendelstein 7-x in Greifswald besucht und haben uns von einer Plasmaphysikerin seine Funktionsweise auf einem Bierdeckel erklären lassen.

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06 Januar 2017, 2:32pm

Alle Bilder, soweit nicht anders angegeben: Grey Hutton / Motherboard

Ein Fusionsreaktor soll das machen, was Sterne machen: Teilchen zusammenschmeißen, bis ihre Kerne verschmelzen und unfassbar viel Energie freisetzen. Weil die Sonne das ziemlich gut hinkriegt, versuchen Wissenschaftler seit einem halben Jahrhundert, ihr das nachzumachen. Am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald steht die wohl optimierteste Maschine auf unserem Planeten, an der das möglich ist: Der Stellerator Wendelstein 7-X.

Angela Merkel höchstpersönlich durfte einen (Fake-)Knopf drücken, als die „Höllenmaschine" (britische Presse) nach fast 20-jähriger Konstruktionszeit im Dezember 2015 endlich ihre Expermentierphase startete und zum allerersten Mal für einen Sekundenbruchteil ein Heliumplasma erzeugte. „Zähmt das Sonnenfeuer!", rief die Kanzlerin den Forschern noch leicht dramatisch zu—wohl auch, weil das Versprechen der Fusionsenergie wirklich unglaublich klingt: Mit minimalstem Input könnten wir die ganze Welt mit unbegrenzt verfügbarer, sicherer und sauberer Energie versorgen.

Was aber passiert im Inneren dieser Maschine, was ist der Unterschied zwischen einem Tokamak und einem Stellerator, wieso rechtfertigt die Forschung daran so hohe Investitionen, und weshalb sieht diese gigantische Maschine so komisch aus? Niemand könnte das wohl besser erklären als Josefine Proll aus der Abteilung Stellerator-Theorie. Sie hat einen Doktortitel in theoretischer Plasmaphysik, arbeitet seit 2010 am Wendelstein 7-X und entwickelt am Institut schon die nächste Generation optimierter Fusionsreaktoren, wenn sie nicht gerade begeistert Konkurrenzanlagen auf der ganzen Welt begutachtet. Jetzt aber stehen wir erstmal ehrfürchtig staunend vor der wohl größten und kompliziertesten Maschine, die wir je gesehen haben.

Josefine Proll vor dem Wendelstein 7-X. Alle Bilder, soweit nicht anders angegeben: Grey Hutton / Motherboard

Unser halb erfrorener Fotograf Grey, der uns eben noch im arschkalten, weil heizungslosen Auto von Berlin nach Greifswald gefahren hat, ist plötzlich wieder sehr lebendig und sofort im Inneren der riesigen Anlage verschwunden. Nur ab und zu taucht sein Kopf irgendwo zwischen unmöglichen Schläuchen, experimentellen Steuerpaneelen, Laserkanonen und Chrom-Chaos auf. Wenn ich ihn sehe, steht sein Mund weit offen.

Man muss also nicht unbedingt verstehen, was da genau am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik passiert, um die riesige Experimentiermaschine faszinierend zu finden. Möchten wir aber. Und zwar bitte so, dass die Erklärung auf einen Bierdeckel passt. Wie also funktioniert der Stellerator Wendelstein 7-X?

Josefine: Also! In der Fusionsforschung geht's im Grunde darum, eine bestimmte Reaktion von den Sternen auf die Erde zu holen, das ist die vom Deuterium und Tritium. Sind beide Isotope des Wasserstoffs. Die bestehen im Fall von Deuterium aus einem positiv geladenen Proton und einem Neutron. Auch das Tritium ist einfach positiv geladen, besteht aber aus zwei Neutronen.
Dann lassen wir die auf einander zufliegen in der Fusionsreaktion. Da gibt's einen lustigen Zwischenzustand mit allen beteiligten Kernbausteinen.

Letztlich kommt ein Helium raus, das zweifach positiv ist—ich male hier mal ein Doppelplus dran—und ein neutrales Neutrum. Oh Gott, bisschen schräg hier… das sah zu Hause besser aus.
Und das ist eigentlich auch schon die Fusionsreaktion, die da passiert: Einfach nur eine Umsortierung der Kernbausteine. Wirklich überhaupt nicht spektakulär.



Aber was das Tolle ist: Da kommt Energie bei raus. Und zwar wirklich viel.
Die Massen vom Deuterium und Tritium sind ein kleines bisschen schwerer als vom Neutron, und nach Einstein—e=mc Quadrat, ich schreib das mal hier so drüber,—ist in diesem Masseunterschied genau die Energie, an die wir rankommen wollen. Ok, diese geschlängelten Pfeile sind jetzt mal die Energie, die wir dann im Reaktor aufsammeln wollen.
Weil die Reaktion auf Kernebene passiert, sind die Energien wirklich sehr hoch. Ein Gramm dieses Tritium-Deuterium-Gemischs entspricht zehn Tonnen Kohle. Nur mal so zum Vergleich.

Motherboard: Das heißt, mit wenigen Gramm könnte man mit der Fusionsenergie theoretisch ganze Städte versorgen?

Josefine: Ja, aber um ans Tritium zu kommen, muss man einen kleinen Umweg über Lithium machen. Das ist ein leichtes Metall, das kennen wir zum Beispiel aus Akkus. Wenn man eine Computerbatterie zu Hause rumliegen hat und da das Lithium auskratzen würde, und dann 'ne Badewanne mit Wasser hat—da kommt nämlich das Deuterium her—könnte man damit einen EU-Durchschnittsbürger 30 Jahre lang versorgen.


So, die Reaktion hab ich ja eben erklärt, leider ist das alles nicht ganz so einfach. Denn die beiden Teilchen sind ja positiv geladen und stoßen sich eigentlich ganz stark ab. Es wird immer schlimmer, je näher sie beieinander sind. Die wollen gar nicht zusammen. Aber man kann sie überlisten, indem man sie ganz schnell aufeinanderfliegen lässt. Das schafft man, indem man sie sehr heiß macht. Ich male da mal eine Kerze hin. Hab gestern mit 'nem Lagerfeuer geübt, aber das hat nicht gut funktioniert.

Also, wir brauchen als allererstes (1) 'ne hohe Temperatur. Wichtig ist, so 'ne kleine Reaktion ist zwar stark, aber wir brauchen ganz viele Reaktionen, um ein Plasma zu bilden. Deswegen male ich hier mal ganz viele Deuterium-Tritium-Ionen rein. Die Elektronen, die negativ geladen sind und von den Atomen kommen, schwirren da übrigens auch noch rum. Wir brauchen also zweitens (2): Eine hohe Dichte. Und dieses ionisierte Gas ist dann unser Plasma.

So. Jetzt ist es ja ganz schön, wenn da Reaktionen passieren, aber die Teilchen schwirren da ja nur rum und sind extrem flüchtig. Das kannst du dir vorstellen wie Gas in 'nem heißen Topf: Das will immer raus. Das wollen wir unbedingt vermeiden, sonst gehen uns die Teilchen mit der kinetischen Energie, die wir sammeln wollen, verloren. Und dieses Einfangen nennen wir (3) Einschluss.

Dafür haben wir unser Magnetfeld, denn das ist unser Glück: Geladene Teilchen folgen nämlich Magnetfeldern. Wenn man Teilchen um ein Magnetfeld drumrum schickt, dann fliegen sie fröhlich in solchen Spiralen drumherum. Ansonsten zischen sie einfach gerade durch den Raum. Das heißt, man könnte supergut eine Gefäßwand hierhin bauen, da hinten auch… und dann könnte man zum Beispiel einen Zylinder aus dem Reaktor machen (malt einen Zylinder in der Mitte), um die Energie einzusammeln. Wär schon mal ein ganz guter Anfang—aber irgendwo endet der Zylinder ja, da verlieren wir die Teilchen. Deswegen ist der nicht so praktisch.

Auf dem Bierdeckel sind die drei Voraussetzungen für die Fusionsreaktion zu sehen: hohe Temperatur (1), hohe Dichte (2) und Einschluss der Teilchen (3).

Also kamen Leute auf die Idee, das Ding wie einen Donut zu biegen: Dann beißen sich die Teilchen sozusagen in den Schwanz, wenn sie sich auf der Spiralform bewegen und gehen nicht an einer Endfläche verloren. Das ist ganz gut. Aber dabei gibt es ein Problem: Wenn du Spulen um einen Donut wickelst, sind sie ja innen immer viel enger aneinander als außen. Dadurch wird das Magnetfeld innen viel stärker als außen. Und das merken die Teilchen sofort und schleichen von dannen. Teilchendrift nennt man das.

So, pass auf, jetzt kommt 'ne Bastelei. Ich brauch jetzt mal sehr viele Klebestreifen. Ist das geschummelt, wenn ich Werkzeuge benutze?

Motherboard: Ach was. Gibt Extrapunkte für Kreativität!

Ich hab auch unterschiedliche Formen und unterschiedliche Bierdeckelstrukturen ausprobiert. Duckstein zum Beispiel, haben wir festgestellt, die waren relativ flexibel…

Josefine Proll zeichnet Spulen, die das Magnetfeld bilden. Das Problem: Innen sind die Spulen näher aneinander als außen—und die Teilchen fliehen nach außen, wo das Magnetfeld nicht so stark ist.


Ok, unsere Grundidee ist, dass wir aus dem Plasma ein Magnetfeld schaffen müssen, ohne Teilchendrift. Deswegen verdrehen wir die Spulen so wie ich das jetzt mit dem Pappe-Ring mache. (schneidet einen mit Tesa verstärkten Streifen aus dem Rand des Bierdeckels, verdreht ihn und klebt ihn wieder als Ring zusammen) Tadaaa! Besser als befürchtet.

Das ist der große Trick an Tokamaks und Stelleratoren, dass wir nämlich unser Magnetfeld verdrehen. Bedeutet, wenn ein Teilchen sich gefährlich nah außen befindet, wird's wieder nach innen transportiert und ist in Sicherheit.
Jetzt gibt's zwei unterschiedliche Möglichkeiten, wie wir diese Verdrillung erzeugen.

Man kann ja ausnutzen, dass die Teilchen geladen sind. Wir haben ein Magnetfeld in Donut-Richtung und dann brauchen wir noch eins wie Schokolade, die man von oben über den Donut darüberträufelt. Zusammen—das ist jetzt einfach Vektoraddition—kriegen wir ein Feld hin, das helikal ist, das bedeutet: Ein Magnetfeld, das sich so schräg verdreht.


Dieser Strom ist natürlich nicht einfach da, weil wir ihn uns wünschen. Dazu bräuchten wir einen Transformator in der Mitte, der uns den Strom erzeugt (legt eine Papp-Scheibe in den Ring). Voilà: Das wäre ein Tokamak.

Funktioniert ziemlich gut, weil er einfach zu bauen ist, die Spulen sind ja alle gleichmäßig. Aber: ein Transformator funktioniert nur, wenn man Impulse reingibt. Das Plasma entsteht ganz kurz, und dann ist es wieder aus. An, aus, an, aus: Das ist für die Materialien der Maschine extrem anstrengend, wenn es ständig heiß wird und wieder abkühlt. Da muss man sich noch was ausdenken, aber man arbeitet dran.

Aber es gibt seit Ende der 50er Jahre eine Herangehensweise, die komplett ohne den Transformator und damit auch ohne Plasmastrom auskommt.

Das Innere eines Moduls in der Konstruktionsphase, 2011. Bild: MPP

Und das ist ein Stellerator! Da baut man die Spulen direkt so, dass man gleich so ein verdrilltes Magnetfeld hat, dass der Käfig ausbruchssicher ist. Das ist auch helikal, aber nicht so 'ne klassische Helix wie bei ner DNA, sondern ein bisschen schräg. Das bedeutet, dass die Form unseres Gerätes ein bisschen komisch wird (schneidet leichte Dellen in den Ring). Da kommt dann seltsame Geometrie bei raus, die hat man am Supercomputer vorher berechnet.

Das bedeutet, du hast gar keinen Strom mehr im Plasma (legt den Transformator weg). Du schaltest es an und der Käfig ist sofort perfekt da. Von oben wird das kleine Plasma reingepufft. Und das passiert hier am Wendelstein 7-X.