Laserfusion: Der Griff nach den Sternen

Kernfusion ist der physikalische Prozess, bei dem Atomkerne miteinander zu schwereren Atomkernen verschmelzen. Es ist der Prozess, der die Sterne in ihrem Inneren antreibt, zum Leuchten bringt und damit auch der Ursprung praktisch sämtlicher Energievorkommen und -vorräte, die auf der Erde vorgefunden werden können.

Kernfusion gilt daher nicht nur als ein wichtiges Thema der modernen Physik, sondern auch als möglicher Schlüssel, um dem wachsenden Energiebedarf der Menschheit auf umweltfreundlichem Weg gerecht zu werden. Denn Kernfusion kann aus geringen Mengen Brennstoff viel Energie freisetzen: die Fusion von nur 1 kg Wasserstoff setzt in etwa so viel Energie frei, wie die klassische Verbrennung von 1.000 t Kohle – im Gegensatz zu letzterem jedoch ganz ohne Emission von klimaschädlichen Treibhausgasen.

Damit eine Kernfusion stattfinden kann, müssen sich zwei Atomkerne auf wenige Femtometer annähern, das heißt in der Größenordnung des milliardsten Bruchteils eines Mikrometers. Erst dann beginnt die so genannte starke Wechselwirkung – eine der vier Grundkräfte der Physik – zu wirken und ermöglicht ein Verschmelzen der Atomkerne. Das jedoch ist nicht so einfach zu erreichen, wie es klingt, denn Atomkerne stoßen sich aufgrund ihrer elektropositiven Ladung gegenseitig stark ab – lange, bevor sie sich nahe genug kommen für eine Kernfusion. Um diese Barriere zu überwinden, müssen die Atomkerne entweder durch hohen Druck aufeinandergepresst werden oder sie müssen mit hoher Geschwindigkeit kollidieren, wofür extreme Temperaturen notwendig sind. 

In Sternen kommt vor allem der immense Druck zur Geltung, den die Materie des Sterns aufgrund der Gravitation auf seinen Kern ausübt – in der Sonne sind das rund 250 Milliarden bar. Unter diesem immensen Druck genügt eine vergleichsweise moderaten Temperatur von „nur“ 15 Millionen Grad Celsius, um die Kernfusion ablaufen zu lassen.

Auf der Erde kann ein so hoher Druck, wie er im Inneren der Sterne auftritt, technisch nicht realisiert werden. In Kernfusionsanlagen werden Atomkerne stattdessen mit hoher Geschwindigkeit zur Kollision gebracht, was durch starkes Erhitzen des Brennstoffs erreicht wird.

Als Fusionsbrennstoff kommen grundsätzlich nur leichte Elemente in Frage, also Elemente mit einer niedrigen Ordnungszahl. Wasserstoff steht hier aus mehreren Gründen im Fokus:

• Wasserstoff ist auf der Erde, nach menschlichen Maßstäben, in nahezu unerschöpflichen Mengen vorhanden.
• Die Fusion von Wasserstoffkernen setzt mehr Energie frei als jedes andere Element.
• Als Reaktionsprodukt entsteht lediglich unbedenkliches Heliumgas.

Für die Fusion von Wasserstoff bei geringem Druck muss dieser auf rund 100 Millionen Grad Celsius erhitzt werden und damit ein Vielfaches der Temperatur im Kern der Sonne erreichen. Der Wasserstoff verwandelt sich dabei in ein Plasma, das heißt ein ionisiertes Gas, in welchem sich Elektronen und Atomkerne getrennt voneinander frei bewegen. Das bringt eine neue Herausforderung mit sich, denn kein bekanntes Material, aus dem man eine Kammer bauen und darin Kernfusion betreiben könnte, würde den Kontakt mit diesem extrem heißen Fusionsplasma auf Dauer überstehen.

In der Wissenschaft werden aktuell zwei Ansätze verfolgt, um diese technische Hürde zu meistern: Magneteinschlussverfahren und Laserfusion. Beide Ansätze beruhen auf dem Prinzip, einen Kontakt zwischen Fusionsplasma und der Innenwand der Fusionskammer grundsätzlich zu vermeiden.

Beim Magneteinschlussverfahren wird das Fusionsplasma durch starke Magnetfelder in der Schwebe gehalten. Dadurch entsteht zwischen der Innenwand der Fusionskammer und dem Fusionsplasma ein schützendes Vakuum. Bekannte Kernfusionsanlagen, wie Wendelstein 7-X in Greifswald oder ITER im südfranzösischen Cadarache funktionieren nach diesem Prinzip.

Für das Magneteinschlussverfahren konnte bereits demonstriert werden, dass es prinzipiell für Kernfusion geeignet ist. Trotz großer Aufwendungen ist es bislang jedoch nicht gelungen, eine positive Energiebilanz zu erzielen – in den durchgeführten Versuchen wurde stets weniger Energie durch Kernfusion freigesetzt, als dem Fusionsbrennstoff zuvor durch Aufheizen zugeführt wurde.

Laserfusion, oder fachlich korrekt „Laserbasierte Trägheitsfusion“, bezeichnet ein Verfahren der Kernfusion und einen alternativen Ansatz zum Magneteinschlussverfahren. Mithilfe intensiver Laserpulse wird der Fusionsbrennstoff, zum Beispiel Wasserstoff, so stark erhitzt und gleichzeitig verdichtet, dass dessen Atomkerne fusionieren und dabei Energie freisetzen.

Das Verfahren setzt auf eine natürliche Eigenschaft von Materie: Trägheit. In Ruhe befindliche Materie ändert ihre Position nicht, es sei denn, sie wird durch eine Kraft dazu gezwungen. Dadurch ist es möglich, eine bestimmte Menge Fusionsbrennstoff im Zentrum der Fusionskammer abbrennen und das Fusionsplasma erkalten zu lassen, bevor es die Innenwand der Fusionskammer erreicht. Im Gegensatz zum Magneteinschlussverfahren, benötigt die Laserfusion keine aufwändigen Magnetfelder, um das Fusionsplasma einzuschließen. Der Laserfusionsprozess wird diskontinuierlich durchgeführt und für jeden Durchgang wird nur so viel Fusionsbrennstoff in die Fusionskammer eingebracht, wie in diesem Durchgang verbrannt werden kann.

Die Laserfusionstechnologie befindet sich aktuell noch im Entwicklungsstadium. Genau wie beim Magneteinschlussverfahren konnte auch für die Laserfusion bereits demonstriert werden, dass sie prinzipiell für Kernfusion geeignet ist. Darüber hinaus konnte bereits eine positive Energiebilanz erzielt werden, das heißt bei der Kernfusion wurde mehr Energie freigesetzt, als vom Fusionsbrennstoff zuvor aufgenommen worden war.

Die großen Fortschritte, die innerhalb der letzten Jahre auf dem Gebiet der Laserfusion erzielt wurden, nähren die Hoffnung, dass diese Technologie tatsächlich zur Marktreife gebracht werden kann und innerhalb der nächsten 10 bis 20 Jahre erste Prototypen von Laserfusionskraftwerken entstehen könnten.

Prognosen zufolge wird der Bau selbst eines kleinen Laserfusionskraftwerks einen immensen Bedarf an elektrischen und optischen Bauteilen, wie Laserkristallen, Dioden und dielektrischen Spiegeln bewirken, welcher die heutigen Produktionskapazitäten teilweise sogar übertrifft. Normen und Standards können an diesem Punkt bereits heute unterstützen, indem sie einheitliche Prüfbedingungen, Produkteigenschaften und Schnittstellen definieren. Hersteller können anhand dieser Angaben schon heute ihre Produktionslinien entsprechend auslegen, und Planer von Laserfusionskraftwerken können sich darauf verlassen, dasselbe Produkt bei unterschiedlichen Herstellern einkaufen zu können.

Die DKE beschäftigt sich bereits seit längerem mit dem Thema Laserfusion und hat 2025 das Normungsgremium DKE/K 842 Laserfusion gegründet, um das Themenfeld der laserbasierten Trägheitsfusion normativ zu bearbeiten. Dieses Gremium widmet sich der Aufgabe, die relevanten Normungsaktivitäten zur Laserfusion zu koordinieren und zu bündeln, sowie identifizierte Normungsbedarfe zu bearbeiten und entsprechende internationale Projekte, beispielsweise bei IEC, national zu spiegeln. Erste Sitzungen des DKE/K 842 haben bereits stattgefunden, auf denen das weitere normative Vorgehen festgelegt wurde.

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In der alltäglichen und gesellschaftlichen Diskussion ist sie ein ebenso großes Thema wie in der DKE – die Rede ist von der Energie. Unsere Normungsexperten bringen ihr Wissen aber nicht nur ein, um die Energieversorgung und -verteilung zukünftig „smart“ und dezentral zu machen, sondern leisten einen ebenso hohen Beitrag für den Betrieb elektrischer Anlagen und bei der flächendeckenden Verbreitung erneuerbarer Energien. Weitere Inhalte zu diesem Fachgebiet finden Sie im