Wettlauf um klimafreundliche Energie –

Auf einmal fliessen Milliarden in Kernfusions-Projekte

Eine wachsende Anzahl Firmen weltweit will die Energieproduktion der Sonne auf der Erde kopieren. Warum die Fusionsenergie boomt – auch in der Schweiz.

Joachim Laukenmann

Publiziert: 30.10.2024, 12:13

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Die Funktionsweise der Sonne auf der Erde kopieren – dieses Vorhaben erlebt aktuell einen enormen Boom. So wurden in den letzten Jahren weltweit mehr als 45 Unternehmen gegründet, mit dem Ziel, aus der Verschmelzung von Atomkernen klimafreundliche und wetterunabhängige Energie zu gewinnen. «Eine solche Entwicklung hätte noch vor wenigen Jahren wohl kaum jemand vorhergesagt», schreibt Sibylle Günter, Wissenschaftliche Direktorin des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) auf einer Website des Instituts.

Gemäss dem aktuellen Jahresbericht eines Branchenverbands, der Fusion Industry Association (FIA), haben Investoren im vergangenen Jahr eine zusätzliche Milliarde Dollar in Unternehmen gesteckt, welche die Kernfusion auf den Markt bringen wollen. Die Gesamtfinanzierung für die kommerzielle Kernfusion summiere sich mittlerweile auf etwa 7,1 Milliarden Dollar.

Besonders bemerkenswert ist gemäss FIA: Der Anteil öffentlicher Mittel für private Fusionsunternehmen ist im vergangenen Jahr um rund 50 Prozent gestiegen, von 271 auf 426 Millionen Dollar. Dieser Anstieg der staatlichen Investitionen sei ein Zeichen für einen strategischen Wandel: Eine wachsende Zahl von Regierungen sei der Ansicht, dass die Fusionspilotanlagen von der Wirtschaft und nicht durch rein staatlich finanzierte Projekte wie den internationalen Versuchsreaktor Iter bereitgestellt werden sollten.

Die Unternehmen verfolgen ganz unterschiedliche Ansätze. Die eher klassisch orientierten entwickeln Reaktoren, die Tokamak genannt werden und deren Form an einen schön symmetrischen Donut erinnert. Futuristischer sind Fusionsreaktoren vom Typ Stellarator, bei denen die Magnete zum Einschluss des heissen Fusionsplasmas komplex verwundene Formen aufweisen. Einige Firmen verfolgen einen komplett anderen Ansatz, bei dem enorm starke Laser Atomkerne in einem kleinen Kügelchen voller Kernbrennstoff zur Fusion bringen sollen.

Fusionsstrom bis Ende 2035?

Fast 90 Prozent der jungen Unternehmen, die von der FIA befragt wurden, gehen davon aus, dass sie noch vor Ende der 2030er-Jahre aus der Kernfusion Strom gewinnen und ins Netz liefern werden. Rund 70 Prozent sagen gar, dieser Meilenstein würde bis Ende 2035 erreicht.

Auch die Schweiz mischt beim Fusions-Boom mit. So haben das Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen und die Firma Proxima Fusion mit Sitz in München im Juni einen Rahmenvertrag unterzeichnet. Bei der Kollaboration geht es in erster Linie um die Weiterentwicklung enorm starker Magnete, einer zentralen Technologie für die Kernfusion. Diese Magnete braucht es, um das heisse Plasma, in dem die Kernfusion stattfindet, ohne Kontakt zu den Reaktorwänden in der Schwebe zu halten.

«Proxima Fusion wird seinen Demonstrationsmagneten im Jahr 2027 fertig stellen», sagt Francesco Sciortino, CEO von Proxima Fusion. «Im Jahr 2031 wird unser Demonstrationsgerät Proxima Alpha der erste Stellarator sein, der Nettofusionsenergie demonstriert, gefolgt von unserem Kraftwerksprototyp, der in den 2030er-Jahren Fusionsstrom ins Netz einspeisen wird.»

Ob der straffe Zeitplan von Proxima Fusion und anderen Unternehmen eingehalten werden kann, wird sich zeigen. Aber sollte es sich bewahrheiten, würden die privaten Firmen mit dem staatlich finanzierten Vorzeigeprojekt Iter mindestens gleichziehen, wenn nicht dieses sogar überholen. Denn Iter verzögert sich weiter. Die Anlage ist seit 2007 im südfranzösischen Kernforschungszentrum Cadarache im Bau und sollte ursprünglich 2016 den Betrieb aufnehmen. Sukzessive wurde dieses Datum verschoben.

Nach dem jüngsten Zeitplan, den Iter-Generaldirektor Pietro Barabaschi im Juni vorgestellt hat, sollen die Forschungsaktivitäten an Iter erst 2034 beginnen. Und Iter soll noch keinen Strom ins Netz einspeisen. Dafür ist erst das Nachfolgeprojekt Demo vorgesehen, das frühestens 2051 das erste Fusionsplasma zünden soll.

Die Gründe für den Boom der Fusions-Start-ups

Für Thomas Klinger, Leiter der Forschungsanlage Wendelstein 7-X und des Bereichs Stellarator-Dynamik und -Transport am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald, gibt es drei entscheidende Fortschritte, die dafür verantwortlich sind, dass es gerade jetzt zu einer Häufung an Start-ups im Bereich der Kernfusion kommt.

«Erstens wurden am europäischen Tokamak JET in Culham, Grossbritannien, sehr erfolgreiche Experimente mit dem tatsächlichen Fusionsbrennstoff durchgeführt, einem Gemisch der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium», sagt Klinger. Aus 0,2 Milligramm Deuterium und Tritium wurden 69 Megajoule an Energie gewonnen – etwas mehr, als bei der Verbrennung von einem Kilogramm Rohöl frei wird. Das ist nicht viel, hat aber das Prinzip demonstriert.

Zweitens konnten die Forschenden am Stellarator Wendelstein 7-X am IPP in Greifswald ein Wasserstoffplasma für 8 Minuten aufrechterhalten und dabei 1300 Megajoule Heizenergie umsetzen. Und drittens haben Forschende an der Laserfusionsanlage NIF in den USA unter dem Einsatz von 2,2 Megajoule Laserenergie das Plasma in einem Brennstoffkügelchen zur Zündung gebracht und dabei 3,4 Megajoule Fusionsenergie erzielt. «Dies sind alles wichtige Fortschritte, die sowohl die Start-up-Szene wie auch die dafür wichtigen Investoren inspiriert haben», sagt Klinger.

Aus seiner Sicht ist die Kollaboration mit dem PSI ein wichtiger und strategisch kluger Schritt von Proxima Fusion. «Das Paul Scherrer Institut hat entscheidendes Know-how auf dem Gebiet der supraleitenden Magnete, die für den magnetischen Einschluss des Plasmas fundamental sind», sagt Klinger. Wichtig sei auch der Schritt, bei den Elektromagneten Hochtemperatur-Supraleiter einzusetzen, also Drähte, die elektrischen Strom bereits bei vergleichsweise hohen Temperaturen verlustfrei leiten. «Diese Hochtemperatur-Supraleiter ermöglichen viel stärkere Magnetfelder, was ein Fusionskraftwerk kleiner und damit grundsätzlich billiger machen kann.» Sowohl bei Iter als auch bei Wendelstein 7-X kommen noch herkömmliche Supraleiter zum Einsatz.

Laut Martin Kubie, Mitbegründer und technischer Leiter von Proxima Fusion, würde das Unternehmen auf den Ergebnissen von Wendelstein 7-X aufbauen. Stellaratoren wie Proxima Fusion sie plant, hätten «das geringste wissenschaftliche Risiko von allen Fusionsansätzen», sagt Kubie. «Obwohl sie schwierig zu konstruieren sind, sind sie einfach zu betreiben.»

Yves Martin, Stellvertreter des Direktors am Swiss Plasma Center der ETH Lausanne (EPFL), sieht das etwas anders: «Aus meiner Sicht ist die Entwicklung von Tokamaks wie Iter am weitesten fortgeschritten. Tokamaks werden wahrscheinlich die ersten Maschinen sein, die zeigen, dass man mit Kernfusion Strom ins Netz einspeisen kann.»

Es bestehen noch einige Herausforderungen

Die Start-ups im Bereich der Kernfusion stehen laut Klinger vom IPP noch vor einigen Herausforderungen: «Das ist erstens der nukleare Betrieb und das Materialverhalten unter diesen Bedingungen, zweitens die geregelte Abfuhr von Wärme und Teilchen aus dem heissen Plasma, drittens die Beherrschung magnetischer Kräfte und viertens der zuverlässige Dauerbetrieb eines Plasmas.»

Was die enorm starken Magnete anbelangt, sieht sich Bernhard Auchmann, leitender Ingenieur für supraleitende Magnete am PSI, «mit einer neuen Skala von Kräften konfrontiert», die auf die Magnetspulen wirken. «Jede Spule möchte zu einem perfekten Kreis zurückkehren. Stellaratorspulen, wie Proxima sie entwickelt, haben jedoch meist unhandliche Formen, sodass Wickeltechniken und mechanische Stützstrukturen einen wichtigen Schwerpunkt unserer Arbeit bilden.»

Was die Laserfusion betrifft, sieht Martin von der EPFL eine grosse Herausforderung im kontinuierlichen Betrieb: «Heute gelingt es ungefähr einmal am Tag, mit den Lasern ein Plasma zu zünden. In einem kommerziellen Kraftwerk müsste das aber zehn- bis hundertmal pro Sekunde passieren.» Auch die Energieeffizienz des ganzen Prozesses müsste noch um viele Faktoren verbessert werden.

Wenn die kommerziellen Projekte möglicherweise schneller ans Ziel gelangen, braucht es dann staatliche Vorhaben wie Iter und Demo überhaupt noch? «Ja, auf jeden Fall», schreibt Sibylle Günter vom IPP. «Uns ist kein Projekt bekannt, das die Herausforderungen auf absehbare Zeit so umfassend untersuchen wird wie Iter.» Denn bei Iter gehe es unter anderem auch darum, den Kernbrennstoff Tritium erstmals in der Reaktorwand zu erbrüten. «Iter hat zudem bis hierhin bereits Bahnbrechendes an Ingenieurleistungen erbracht, die für all die jetzt laufenden und noch kommenden Fusionsprojekte wichtig sein werden. Sie können von den Erfahrungen bei Iter profitieren.»

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