Die Wasserstoff-Bor-Fusion könnte ein wahr gewordener Traum sein

Das aufregende Versprechen von „extremem Licht“ besteht darin, die Regeln der Kernfusion neu zu schreiben.

Von Jonathan Tenenbaum / Asia Times

Die verschiedenen Bereiche der Wissenschaft und Technologie sind so eng miteinander verbunden, dass ein Durchbruch in einem Bereich schnell eine Kettenreaktion von Durchbrüchen in anderen Bereichen auslösen kann. Das „Unmögliche“ wird möglich, das Schwierige wird einfach. Ideen, die längst als hoffnungslos schwer zu realisieren aufgegeben wurden, nehmen plötzlich ein neues Leben an.

Die Wasserstoff-Bor-Fusion ist ein Beispiel. Grundsätzlich könnte die Fusionsreaktion zwischen Wasserstoff- und Borkernen eine hocheffiziente, radioaktivitätsfreie Form der Kernenergie mit praktisch unbegrenzten Brennstoffreserven liefern. Die Reaktion erzeugt keine gefährliche eindringende Strahlung und keinen radioaktiven Abfall, sondern nur stabile Alpha-Partikel, deren elektrische Ladung sogar eine direkte Umwandlung von Fusionsenergie in Elektrizität ermöglicht.

Diese Vorteile sind seit langem bekannt, aber bis vor kurzem schienen die für einen Wasserstoff-Bor-Reaktor als notwendig erachteten physikalischen Bedingungen – einschließlich Temperaturen von Milliarden Grad Celsius – weit über alles hinauszugehen, was man auf absehbare Zeit erwarten könnte.

In der Zwischenzeit hat sich die Situation radikal geändert, dank der Entwicklung von Lasersystemen, die ultrakurze Impulse im Bereich von wenigen Femtosekunden (eine Femtosekunde entspricht einer Millionstel Milliardstel Sekunde) erzeugen können, und der Entdeckung von einem Verfahren zur Verstärkung solcher Impulse um Faktoren von einer Billion oder mehr.

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Die Methode heißt Chirped Pulse Amplification (CPA), für die die Entdecker Gérard Mourou und Donna Strickland 2018 den Nobelpreis erhalten haben. Mit Hilfe von CPA ist es möglich, ausreichend Energie in einem ultrakurzen Puls zu konzentrieren – es erreicht Leistungen im Bereich von Petawatt (eine Million Milliarden Watt). Das ist mehr als das 100-fache der Leistung aller Elektrizitätswerke der Welt zusammen – wenn auch nur für einen winzigen Moment.

Im Fokus eines solchen Laserpulses werden Lichtintensitäten in der Größenordnung von Tausenden von Milliarden von Milliarden Watt pro Quadratzentimeter erreicht, vergleichbar mit dem, was wir erhalten würden, wenn die gesamte Energie, die von der Sonne auf die Erde gelangt, auf eine einzigen millimetergroßen Fleck konzentriert würde. Physiker nennen dies „extremes Licht“.

Was zählt, sind nicht die umwerfenden Zahlen, sondern die Tatsache, dass völlig neue Dinge passieren, wenn diese Laserpulse mit Materie interagieren. Extremes Licht ist einer der aufregendsten Bereiche der Grundlagenphysik und angewandten Physik mit revolutionären Auswirkungen auf die Zukunft der Technologie.

Nicht zuletzt schreibt extremes Licht die Regeln der Kernfusion neu.

Der Ansatz, mit Lasern Fusionsreaktionen auszulösen, wird seit fast einem halben Jahrhundert verfolgt. Das Grundkonzept besteht darin, ein winziges kugelförmiges Brennstoffpellet von allen Seiten durch gleichzeitige Energieimpulse zu bombardieren, wodurch das Pellet auf hohe Dichten komprimiert und auf die Temperaturen erwärmt wird, die für das Auftreten von Fusionsreaktionen erforderlich sind. Eine Kombination aus Superhochtemperatur und Superhochdichte ist erforderlich, um eine sogenannte Zündung zu erreichen – ein Zustand, in dem der Reaktionsprozess autark wird und eine effiziente „Mikroexplosion“ entsteht, bei der große Energiemengen freigesetzt werden.

Das Streben nach diesem Gesamtansatz hat zum Bau des weltweit größten Lasers geführt, der National Ignition Facility (NIF) im Wert von über 3 Milliarden US-Dollar im US-amerikanischen Lawrence Livermore National Laboratory.

NIF arbeitet nicht mit der Wasserstoff-Bor-Reaktion, sondern mit der Reaktion zwischen den Wasserstoffisotopen Deuterium (D) und Tritium (T), die viel einfacher zu erreichen ist. Die D-T-Reaktion erfordert Temperaturen von „nur“ etwa 100 Millionen Grad und weist erheblich höhere Reaktionsgeschwindigkeiten als Wasserstoff-Bor auf. Leider hat NIF trotz einiger solider Erfolge sein zugewiesenes Ziel, eine „Zündung“ zu erreichen, nicht erreicht. Die Aussichten für wirtschaftlich tragfähige Laserfusionskraftwerke auf der Grundlage des NIF-Ansatzes sind weiter in die Zukunft zurückgegangen.

Angesichts der Tatsache, dass die Wasserstoff-Bor-Reaktion unvergleichlich schwieriger zu realisieren ist als D-T und D-T sich als so hartnäckig erwiesen hat, warum sprechen wir überhaupt über Wasserstoff-Bor?

Der Grund dafür ist, dass das neuartige Verhalten von Materie unter dem Einfluss von „extremem Licht“ eine Abkürzungsstrategie ermöglicht, um ein Wasserstoff-Bor-Gemisch zu entzünden, ohne sich um das Erhitzen und Komprimieren kümmern zu müssen. Das NIF und ähnliche Installationen für die Laserfusion wurden nicht entwickelt, um die relevanten Phänomene auszunutzen.

Um es grob auszudrücken: Wir nehmen eine kleine Menge des Kraftstoffs in Form eines Zylinders und schlagen ihn mit einem Laserpuls an einem Ende an. Es stellt sich heraus, dass, wenn ein Laserpuls ausreichend kurz, ausreichend leistungsfähig und ausreichend sauber ist, nur sehr wenig Energie in die Erwärmung fließt. Stattdessen besteht der Haupteffekt darin, freiliegende Schichten des Kraftstoffs auf extrem hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen – 1.000 Kilometer pro Sekunde oder mehr.

Durch einen nichtlinearen Mechanismus wird die Energie des Laserpulses mit hoher Effizienz in eine gerichtete Bewegung der Elektronen und Kerne des Brennstoffs umgewandelt und nicht in eine zufällige Bewegung, die mit Wärme verbunden ist. In analoger Weise wie ein Partikelstrahl, jedoch mit einer Billionenfach höheren Dichte, rammt eine nach innen beschleunigte Kraftstoffschicht in den benachbarten Kraftstoff und entzündet eine Lawine von Wasserstoff-Bor-Reaktionen, was zu einer Hochtemperatur-Verbrennungswelle führt, die sich entlang der Achse des Zylinders ausbreitet.

Der Erfinder dieser Strategie, der australische Physiker und langjährige Laserfusionsexperte Prof. Heinrich Hora, kann auf eine lange Reihe von Experimenten und theoretischen Berechnungen verweisen, die seinen Ansatz stützen. Dazu gehören Experimente mehrerer internationaler Forschungsgruppen, die die tatsächliche Erzeugung von Wasserstoff-Bor-Reaktionen durch ultrakurze Laserpulse mit ultrahoher Leistung demonstrieren. In den letzten Jahren hat die Anzahl der nachgewiesenen Reaktionen sprunghaft zugenommen. Die jüngsten, die in der PALS-Laseranlage in Prag, Tschechische Republik, durchgeführt und Anfang dieses Jahres gemeldet wurden, ergaben mehr als 10 Milliarden Reaktionen, wobei der Weg zur Verbesserung der Ausbeute um weitere Größenordnungen offen war.

Obwohl noch viele Fragen zu beantworten sind, sieht es so aus, als ob der Traum von einem Wasserstoff-Bor-Fusionsreaktor eine ernsthafte Chance hat, Wirklichkeit zu werden.

Hora hat eine Roadmap für Forschung und Entwicklung vorgelegt, die darauf abzielt, in den nächsten 8 bis 10 Jahren einen Prototyp eines Wasserstoff-Bor-Kraftwerks zu bauen. Dieser Prototyp wäre viel kleiner und viel einfacher zu bauen und zu betreiben als gewöhnliche Kernkraftwerke und wirft keine wesentlichen Sicherheitsprobleme auf. Laut Hora würde der Preis zwischen 80 und 100 Millionen US-Dollar liegen. Das heißt, „Peanuts“ verglichen mit den Kosten für den Bau eines Prototyps für ein neues Spaltreaktordesign. Denken Sie daran, dass die Kernspaltung eine ausgereifte Technologie ist und rund 450 Leistungsreaktoren im kommerziellen Betrieb sind. Wasserstoff-Bor befindet sich noch in einem experimentellen Stadium.

Aber jeder, der sich damit befasst, wird sowohl von der Strategie als auch von der Roadmap und der hochrangigen wissenschaftlichen Zusammenarbeit beeindruckt sein, die sich um sie herum gebildet hat. Die Liste der Mitautoren der technischen Veröffentlichungen von Hora zur Wasserstoff-Bor-Reaktion umfasst führende Wissenschaftler aus Laserlabors und nationalen Forschungszentren in den USA, China, Israel, Australien, Iran, Frankreich, Italien, Spanien, der Tschechischen Republik und Polen. Patente wurden in den USA, China und Japan erteilt und sind in Europa angemeldet. Hora hat mit HB11 Energy ein Unternehmen gegründet, das Investorengelder sammeln und verschiedene Forschungs- und Entwicklungsaufgaben an bestehende Einrichtungen auf der ganzen Welt „vergeben“ will.

In dieser Artikelserie werde ich zunächst über die Wasserstoff-Bor-Kernreaktion sprechen, gefolgt von einigen notwendigen ABCs der Fusion, wie die bahnbrechende Technologie der gechirpten Pulsverstärkung funktioniert, die grundlegende Physik von Horas Ansatz, den bisherigen experimentellen Fortschritt und schließlich wie ein Prototyp für einen Wasserstoff-Bor-Fusionsreaktor aussehen würde. Abgerundet wird die Reihe durch ein Interview mit Prof. Heinrich Hora.

Die Reihe wird einer allgemeinen Leserschaft zugänglich sein, enthält jedoch einige Informationen, die sachkundige Leser interessant finden.

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