Ein Blick hinter die Kulissen der Kernfusionsanlage, die die Welt veränderte

(SeaPRwire) –   Kurz nach 1 Uhr morgens am 5. Dezember 2022 wurde Dave Schlossberg, ein experimenteller Physiker am NIF, von einem Anruf geweckt. Ein Experiment mit den massiven Lasern der Anlage sollte in dieser Nacht stattfinden. Einige Stunden zuvor war er ins Bett gegangen und hatte Alex Zylstra, einem der Physiker in seinem Team, gesagt, er solle ihn anrufen, “wenn etwas Interessantes passiert”. Nun sah Zylstra Daten, wie sie die Anlage noch nie registriert hatte. Sie schienen zu zeigen, dass den Wissenschaftlern ein entscheidender Schritt auf dem jahrzehntelangen Weg gelungen war, die Energiequelle nachzubilden, die die Sonne antreibt. Schlossberg hob ab. “Ich glaube, etwas Interessantes ist passiert”, sagte Zylstra.

Die Forscher in dieser Anlage in Livermore, Kalifornien, hatten mehr als 13 Jahre lang versucht und versagt, die Fusionsexplosion zu erreichen, was bedeutet, dass die Reaktion mehr Energie ausgibt als die Wissenschaftler hineinstecken. Einige Experten dachten, es werde nie funktionieren. Doch dort, in der Datenbank der Anlage, war der Beweis. Um 1:03:50 Uhr hatten NIFs 192 leistungsstarke Laserstrahlen 2,05 Megajoule (MJ) Energie auf einen kleinen Goldzylinder gebracht, der diese ultraviolette Strahlung in mächtige Röntgenstrahlen umwandelte, die eine erbsengroße Diamantkapsel umhüllten, die zwei Wasserstoffisotope, Deuterium und Tritium, enthielt. Für den Bruchteil einer Sekunde kollabierte das Innere dieser Kapsel auf 100-fache Dichte von Blei und zwang die Wasserstoffatome zur Fusion in Helium und wandelte eine winzige Masse in enorme Mengen an Energie um. Etwa 70 Billionstel Sekunden später explodierte die Kapsel und gab 3,15 MJ Energie frei, was etwa drei Sticks Dynamit entspricht.

Das Ergebnis war ein wissenschaftliches Wunder, ein Erfolg, den Forscher seit den 1950er Jahren anstrebten, als Wissenschaftler erstmals die Idee diskutierten, kontrollierte Kernfusion zur Stromerzeugung zu nutzen. Diese Idee – die Reaktion nachzubilden, die die Sterne antreibt, indem Wasserstoffatome zusammengestoßen werden, um Helium zu bilden – könnte theoretisch nahezu unbegrenzten, emissionsfreien Strom ohne die Sicherheitsrisiken oder Entsorgungsprobleme von Kernspaltungsreaktoren liefern. In der Praxis jedoch gelang es Wissenschaftlern und Ingenieuren jahrzehntelang nicht, einen solchen Prozess im Labor nachzuweisen.

Seit seiner Eröffnung im Jahr 2009 hat NIF einen Ansatz verfolgt, um diese Herausforderung zu meistern: die Wasserstoffatome zusammenzupressen, indem sie mit leistungsstarken Laserstrahlen getroffen werden, mit dem Ziel, die Zündung zu erreichen, wie es der Name der Anlage nahelegt, ein entscheidender Schritt, wenn die Technologie jemals als Quelle für saubere Energie genutzt werden soll. Nun, anderthalb Jahrzehnte später, wurden die Hoffnungen neu belebt, dass der Traum eines Tages Wirklichkeit werden könnte.

Dass die Forscher jedoch nicht nahe dran sind, irgendeine Energie, die sie in ihrer stadiongroßen Anlage erzeugen, zur Stromversorgung zu nutzen, ist klar. NIF ist kein Kraftwerk, und die elektrische Leistung, die seine massiven Laser aus dem Stromnetz ziehen (Hunderte Male mehr als sie in der Targetkammer ausgeben), übersteigt alles, was es jemals zu produzieren hoffen könnte. Dennoch hatte es an jenem Dezembertag einen wichtigen Durchbruch erzielt. Als die Nachricht sich verbreitete, flammte weltweit Fusionseuphorie auf; US-Energieministerin Jennifer Granholm sprach von einem “Eckpfeiler des 21. Jahrhunderts”. Fusionsenergie-Unternehmer sonnten sich in den neu erwachten Hoffnungen für ihr Feld.

Doch selbst mitten im Jubel wuchs der Druck auf NIF, diese Ergebnisse schnell zu replizieren, um zu beweisen, dass das bahnbrechende Experiment kein Zufall war, und dann noch höhere Fusionsenergieausbeuten anzustreben. TIME hat NIF-Wissenschaftlern in dem Jahr nach der Zündung gefolgt – eine Zeit der Schwierigkeit und des Stolzes, der Verzweiflung und des Triumphs, ein Zeugnis für den Erfindungsgeist und die Entschlossenheit der Forscher und die einzigartige Rolle staatlich finanzierter Unternehmen beim Vorantreiben schwieriger wissenschaftlicher Unterfangen. Es ist auch eine Erinnerung an die riesige, ernüchternde Herausforderung, die noch besteht: den jüngsten Durchbruch in eine saubere Energiequelle umzuwandeln, die dabei helfen könnte, die Klimakrise umzukehren, solange es noch Zeit gibt.

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Annie Kritcher wacht oft mitten in der Nacht mit neuen Ideen für ihre Simulationen auf. “Mein Mann würde es als obsessiv bezeichnen”, sagt Kritcher. “Manchmal spiele ich mit meinen Kindern, und dann bemerke ich, dass ich eigentlich gar nicht mit ihnen spiele. Sie sagen dann ‘Mama, du stehst da nur rum.’ Ich hatte im Kopf ein ganzes Gespräch über Simulationen.”

Als Designphysikerin ist ihre Aufgabe, Computermodelle zu verwenden, um vorherzusagen, welche Anpassungen an der Laserpulswellenlänge und -leistung, Veränderungen an der Brennstoffkapsel und dem sie umgebenden Goldhohlraum sowie unzählige andere potenzielle Änderungen die Wasserstoffatome auf gerade richtige Weise zusammenpressen könnten, um eine Fusionsreaktion zu erzielen.

Kritcher hatte ein Experiment im August 2021 entworfen, das mit 1,9 MJ eingesetzter Laserenergie einen Rekordertrag von 1,3 MJ Fusionsenergie erbracht hatte – ein Erfolg, der Änderungen wie die Verlagerung mehr Energie auf den späteren Teil des Laserschusses zu verdanken war. Das Ergebnis brachte NIFs Wissenschaftler an die Schwelle zur Zündung. Danach begann die Anlage, sich auf Experimente vorzubereiten, die die alternden Laser auf noch höhere Energieniveaus treiben würden. Der Laser war auf 1,8 MJ ausgelegt, und die Techniker hatten es bereits geschafft, ihn auf 1,9 MJ zu bringen. Nun glaubten sie, sie könnten die Strahlen mit zusätzlichen der speziellen Glasplatten, die in NIF zur Verstärkung der Laserenergie verwendet werden, auf 2,05 MJ hochschrauben. Das mag marginal klingen. Aber wenn die Eingangsenergie in einem Fusionsversuch steigt, neigt die Ausgangsenergie dazu, exponentiell anzusteigen. Die zusätzlichen 0,15 MJ Laserenergie, so die Forscher, könnten gerade ausreichen, um die Zündungsschwelle zu durchbrechen.

Kritcher konzipierte einen Plan, diese zusätzliche Laserenergie einzusetzen, indem sie vor allem die Dicke der Targetkapsel erhöhte. Ein Experiment im September schlug fehl – der Brennstoff war in Pancake-Form zusammengefallen, mit nur 1,19 MJ Energieertrag. Solche “Frühstücksfettnapf”-Fehler, wie Kritcher sie nennt, sind am NIF an der Tagesordnung: idealerweise sollten die Laser den Fusionsbrennstoff in kugelförmiger, gleichmäßiger Form komprimieren, was dem maximalen Druck ermöglicht, die Wasserstoffatome zusammenzupressen, manchmal endet man aber mit Pancakes, Würsten oder Bärenklau-Formen, was weniger Energie ergibt. Das Team brachte einige Änderungen an den Lasern an, unter anderem die Anpassung ihrer Wellenlängen. Dann starteten sie in der Nacht des 5. Dezember 2022 einen weiteren Versuch – und es klappte.

Kritcher sagt, sie habe geweint, als sie die Nachricht erhielt. “Ich war in einem gefrorenen ekstatischen Zustand. Ich hatte eine Woche lang ein Dauergrinsen.”

Es war ein langer, harter Weg bis zu einem solchen Ergebnis gewesen; 2013 war es noch ein Erfolg gewesen, 14 Kilojoule aus einer Reaktion zu erhalten, weniger als 0,5 Prozent der Energie, die letzten Dezember freigesetzt wurde. “Es war alles ein bisschen surreal”, sagt Art Pak, einer der Wissenschaftler des Projekts, “zu realisieren, dass etwas, an dem man ein Jahrzehnt gearbeitet hat, an dem Menschen seit 60 Jahren arbeiten, hier ist.”

Aber Wissenschaft bedeutet nicht, etwas einmal hinzubekommen. Um wirklich zu verstehen, was vor sich geht, muss man in der Lage sein, es immer wieder zu replizieren. Doch folgende Versuche, die Zündung zu erreichen, schlugen fehl. Eine Schwierigkeit, vor der NIF stand, bestand darin, die winzigen Diamanttargetkapseln mit Deuterium und Tritium zu füllen, was Mikroröhren erforderte, die weniger als ein Hundertstel so dick wie ein menschliches Haar waren. Wenn die Wasserstoffisotope auf dem Weg zur Targetkammer austraten, funktionierte die Implosion nicht richtig.