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Die größte Frage der Fusionsenergie ist seit Jahrzehnten dieselbe: Können die Kosten für die Einleitung der Fusionsreaktion unter dem Verkaufspreis des erzeugten Stroms gehalten werden? Bisher haben viele Unternehmen versucht, diese Gleichung zu lösen, aber eine klare Antwort auf kommerzieller Ebene steht noch aus. Unternehmen wie Commonwealth Fusion Systems, die riesige Reaktoren im Wert von Hunderten Millionen Dollar bauen, sind optimistisch, doch die Ergebnisse bleiben ungewiss, da diese Systeme noch nicht voll in Betrieb sind.
Neuere Start-ups glauben jedoch, einen kostengünstigeren Weg gefunden zu haben. Eines dieser Unternehmen, Pacific Fusion, gab die Ergebnisse von Experimenten an der Z-Maschine der Sandia National Laboratories bekannt, der weltweit leistungsstärksten gepulsten Energieanlage. Die vom Unternehmen geteilten Daten zeigen, dass einige bisher als unverzichtbar geltende teure Komponenten in Fusionsreaktoren vollständig entfallen könnten.
Ein anderer Fusionsansatz mit elektrischen Impulsen
Fusionsenergie hat theoretisch das Potenzial, rund um die Uhr ununterbrochen Strom zu erzeugen und diesen kompatibel mit bestehenden Stromnetzen bereitzustellen. Viele Fusions-Start-ups streben die 2030er Jahre für ihre ersten kommerziellen Kraftwerke an. Diese Reaktoren basieren in der Regel auf Designs wie Lasern, Tokamaks oder Stellaratoren.
Pacific Fusion hingegen verfolgt den Ansatz der "impulsgesteuerten Trägheitseinschlussfusion" (pulser-driven inertial confinement fusion - ICF). Diese Methode basiert auf einem ähnlichen Prinzip wie die Experimente an der National Ignition Facility (NIF) in den USA. Das System komprimiert kleine Brennstoffpellets in sehr schneller Folge. Während dieser Kompression verschmelzen die Atome im Brennstoff und setzen Energie frei.
Während die NIF diese Kompression jedoch mit Lasern einleitet, plant Pacific Fusion, anstelle von Lasern extrem starke elektrische Impulse zu verwenden. Diese Impulse erzeugen ein intensives Magnetfeld um das Brennstoffpellet von der Größe eines Bleistiftradiergummis, und das Pellet wird in weniger als einem Hundertmilliardstel einer Sekunde komprimiert.
Eine der größten Herausforderungen dieses gepulsten Ansatzes war bisher, dass der Brennstoff normalerweise vorerhitzt werden musste, um Fusionsbedingungen zu erreichen. Forscher nutzten bisher Laser und zusätzliche Magnetsysteme für diese Vorheizung. Obwohl dies nur etwa 5 bis 10 Prozent der Gesamtenergie ausmachte, galt dieser "erste Stoß" als entscheidend für den Start der Fusionsreaktion.
Diese Zusatzsysteme erhöhten jedoch die Komplexität der Maschine sowie die Investitions- und Wartungskosten erheblich. Bei dem laserbasierten System der NIF wurden bei jedem Schuss bestimmte Komponenten zerstört. Wenn man bedenkt, dass dieser Prozess in einem kommerziellen Kraftwerk etwa einmal pro Sekunde wiederholt werden müsste, ging der Kostenvorteil der erzeugten Energie weitgehend verloren.
Kleine Designänderung, große Wirkung
Wie bei allem im Leben kann eine kleine Änderung an einem Fusionsreaktor große Auswirkungen auf das Gesamtsystem haben. Das Unternehmen nahm kritische Änderungen am Design des Zylinders vor, der das Brennstoffpellet umgibt, und passte den elektrischen Stromfluss neu an. Vor dem elektrischen Hauptimpuls, der die Fusionsreaktion auslöst, durfte ein winziger Teil des Magnetfelds in den Brennstoff einsickern. Dieses Leck sorgte für eine Erwärmung des Brennstoffs vor der Kompression, wodurch ein separates Vorheizsystem überflüssig wurde.
In Experimenten an der Z-Maschine wurde ein elektrischer Strom von 22 Millionen Ampere innerhalb von 120 Nanosekunden durch jedes der metallischen Zylinderziele geleitet. Diese Zeitspanne ist etwa eine Million Mal kürzer als ein menschlicher Lidschlag.
Der Brennstoff von Pacific Fusion ist in einem Kunststofftarget platziert und mit einer Aluminiumbeschichtung umhüllt. Durch Ändern der Dicke des Aluminiums kann genau eingestellt werden, wie tief das Magnetfeld in den Brennstoff eindringt. Die erforderlichen Fertigungstoleranzen für diese Teile entsprechen denen einer .22-Kaliber-Patronenhülse, was für die heutige Industrie keine Herausforderung darstellt.
Ein weiterer bemerkenswerter Punkt ist, dass diese Methode den Energieverbrauch fast gar nicht erhöht. Die zusätzliche Energie, die benötigt wird, um das Magnetfeld in das Zentrum des Brennstoffs sickern zu lassen, beträgt weniger als 1 Prozent der Gesamtenergie.
Laser werden überflüssig
Dieser Ansatz könnte die vollständige Entfernung magnetischer Vorheizsysteme ermöglichen. Dies vereinfacht das System in Bezug auf Wartung und Betrieb und senkt die Gesamtkosten. Der eigentliche große Unterschied ergibt sich jedoch durch den Wegfall der Laser.
Die Kosten für die Infrastruktur von Lasern, die in solchen hocheffizienten Fusionssystemen verwendet werden, belaufen sich auf über 100 Millionen Dollar. Der Verzicht auf Laser wird als ein Schritt angesehen, der die wirtschaftliche Machbarkeit von Fusionskraftwerken grundlegend verändern könnte. Laut Pacific Fusion vereinfachen diese Experimente nicht nur die Hardware, sondern machen auch die Simulationen des Unternehmens zuverlässiger.
Das Unternehmen arbeitet bereits an seinem ersten Demonstrationssystem. Ziel ist es, bis 2030 einen Nettoenergiegewinn in der gesamten Anlage zu erzielen. Der Wegfall von Magnetspulen und potenziell Lasern könnte die größten Hindernisse für wiederholbare und kostengünstige Fusionsschüsse beseitigen. Pacific Fusion hält an seinem Ziel fest, Mitte der 2030er Jahre das erste kommerzielle Fusionssystem in Betrieb zu nehmen.
