Vor einem Jahr erkannte die Menschheit zum ersten Mal den Nettoenergiegewinn einer Kernfusionsreaktion. In diesem Jahr wurde NIF kontinuierlich verbessert und konnte drei weitere Zündungen erfolgreich realisieren und damit mehrere Rekorde in Folge brechen! Kürzlich wurde der leitende Wissenschaftler des Projekts zu einem der 10 besten Menschen des Jahres in der Natur gewählt ...
Vor einem Jahr erkannte die Menschheit zum ersten Mal den Nettoenergiegewinn einer Kernfusionsreaktion. In diesem Jahr verbesserte sich NIF weiter und realisierte erfolgreich drei Zündungen, wodurch mehrere Rekorde gebrochen wurden! Erst kürzlich wurde der leitende Wissenschaftler des Projekts, aber auch zu einem der zehn besten Naturmenschen des Jahres gewählt.
Am 14. Dezember letzten Jahres gelang es dem Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) zum ersten Mal, eine kontrollierte Kernfusionszündung erfolgreich durchzuführen, damit die gesamte Menschheit den „Heiligen Gral“ sauberer Energie abheben konnte –
Nach der Abgabe von 2,05 Megajoule (MJ) Energie an das Ziel wurde eine Fusionsenergieleistung von 3,15 MJ mit einem Energiegewinn von etwa 1,5 erzeugt.
Am 30. Juli 2023 erreichte das Labor seine erste Ausgangsenergie von 3,88 MJ, die höchste jemals erreichte.
Am 30. Oktober stellte das Labor einen weiteren Rekord auf: Erstmals wurden 0,2 Megajoule Eingangsenergie erreicht. Mittlerweile liegt die Ausgangsenergie mit 3,4 Megajoule an zweiter Stelle.
Angesichts der immer wieder erfolgreichen „Zündung“ veröffentlichte Nature auch aufgeregt einen Artikel, in dem es hieß: „Die Laserfusion steht vor dem Eintritt in eine völlig neue Ära.“
Es ist denkbar, dass die Menschheit, wenn die kontrollierte Kernfusion endlich verwirklicht wird, zum ersten Mal in der Geschichte die Möglichkeit hat, riesige Mengen an kohlenstofffreier, sauberer Energie zu gewinnen, was den Energiefahrplan für die Zukunft revolutionieren wird.
Mit anderen Worten: Bis dahin wird es keine Treibhausgase mehr aus der Verbrennung von Kohle und Öl, keine gefährlichen, langlebigen radioaktiven Abfälle mehr geben – die Menschheit wird im wahrsten Sinne des Wortes Zugang zu „sauberer Energie“ haben.
Das bedeutet, dass die Energieknappheit, die die Menschheit seit Eintritt in das Elektrizitätszeitalter geplagt hat, verschwinden wird. Die Menschheit kann sogar beispiellose technologische Durchbrüche bei der Sternenenergie erzielen, die durch kontrollierte Kernfusion entsteht.
Aber kehren wir zunächst zur Realität zurück.
Die eigentliche Schwierigkeit, den Laser dazu zu bringen, so große Energiemengen zu liefern, besteht darin, die wertvolle Optik des NIF vor Schäden durch Trümmer zu schützen.
NIF ist das einzige Lasersystem der Welt, das oberhalb der Schadensschwelle arbeiten kann, und das liegt zum Teil an dem im Labor entwickelten optischen Wiederherstellungszyklus.
Verbesserte Optik
Im Juni 2023 schloss NIF zwei wichtige Verbesserungen ab, die für das Erreichen der Eingangsenergie von 2,2 Megajoule von entscheidender Bedeutung waren.
Dazu gehören die Verwendung von Abschirmungen aus Quarzglastrümmern an zwei Dritteln der Strahllinien des NIF und die Installation von Metallabschirmungen an 32 Strahllinien der unteren Hemisphäre.
Diese Verbesserungen reduzierten die durch Trümmer verursachte Schadensrate je nach Strahllinie um den Faktor 10 bis 100. Die Optiken an den unteren Strahllinien erhielten aufgrund der Schwerkraft die meisten Trümmer aus der Zielkammer.
Zu den weiteren Verbesserungen gehören eine neue Antireflexionsbeschichtung, eine Dampfbehandlung mit Hexamethyldisiloxan (HMDS) und eine Erhöhung der Kapazität des optischen Recyclingzyklus. Sowie ein neuer „Gray-Edge-Blocker“ für ein Problem, das Wissenschaftler noch nicht vollständig definiert haben.
Mehr als nur eine Steigerung der Energie
Erhöhte Energie allein reicht nicht aus, um die erstaunlichen Durchbrüche aufrechtzuerhalten, die NIF in der Wissenschaft erzielt hat
Da Laserpulse nur wenige Milliardstel Sekunden dauern, ist höchste Präzision erforderlich, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
Um dieses Ziel zu erreichen, hat das Team kürzlich den Einsatz eines High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS)-Systems abgeschlossen.
HiFiPS ist ein mehrjähriges Projekt, das eine präzisere und genauere Impulsformung ermöglicht, was wiederum eine bessere Leistungsbalance und Symmetriekontrolle bei Implosionen ermöglicht.
Darüber hinaus renovierte das Team die optischen Fasern in der Anlage, um sie toleranter gegenüber wiederholter Neutronenexposition zu machen. Diese Fasern werden verwendet, um den an das Ziel abgegebenen Laserimpuls genau zu messen.
Als direkte Folge der Sanierung wurde die Signalstärke um den Faktor 10 bis 100 erhöht und die Forscher konnten die Laserleistung weiterhin genau „beobachten“.
Vom aktuellen Stand der Technik bis zur Einspeisung von Fusionsenergie ins Netz ist es jedoch noch ein weiter Weg.
Obwohl NIF heute über den größten Laser der Welt verfügt, ist das System äußerst ineffizient, da mehr als 99 % der Energie bei jeder Zündung verloren geht, bevor es sein Ziel erreicht.
Und die Entwicklung eines effizienteren Lasersystems ist ein Hauptziel des neu gestarteten Inertial Fusion Research Program des DOE.
Die Abteilung gab kürzlich bekannt, dass sie über einen Zeitraum von vier Jahren 42 Millionen US-Dollar investieren wird, um drei neue Forschungszentren einzurichten, die zusammenarbeiten, um diesen und andere wissenschaftliche Fortschritte zu erzielen.
In jedem dieser Zentren werden nationale Laboratorien, Universitätsforscher und Industriepartner vertreten sein.
Und eine der zentralen Figuren des gesamten Fusionsprogramms, die Physikerin Annie Kritcher, hat es auch in die Liste der „Nature’s Top 10 Science People of the Year“ geschafft.
Im Jahr 2022 erreichte Annie Kritcher an der National Ignition Facility (NIF) ein Ziel, das in Laboren auf der ganzen Welt jahrzehntelang unerreichbar gewesen war: Atome so stark zu komprimieren, dass ihre Kerne verschmolzen und mehr Energie produzierten, als die Reaktion selbst verbrauchte.
Doch nach Erreichen dieses experimentellen Meilensteins (d. h. der Zündung) stand das Team unter dem Druck, den Erfolg zu wiederholen.
Forschung mit hohem Risiko verläuft selten reibungslos: Das Team führte seine erste Replikation im Juni durch, aber die Ergebnisse waren dürftig.
Glücklicherweise war der dritte Versuch ein Erfolg.
Am 30. Juli feuerte der 192-Strahllaser des NIF 2,05 Megajoule Energie auf kleine Kugeln der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium, die in einem Goldzylinder eingefroren waren.
Die daraus resultierende Implosion führte dazu, dass die Isotope Energie freisetzten, als sie zu Helium verschmolzen und Temperaturen erzeugten, die sechsmal so hoch waren wie im Sonnenkern.
Letztendlich erzeugten diese eine rekordverdächtige Fusionsenergie von 3,88 Megajoule.
Auf der ganzen Welt war es keinem Labor gelungen, eine Fusionsreaktion zu realisieren, die mehr Energie ausgibt, als sie verbraucht, bis NIF dieses Kunststück vollbrachte.
Kritcher und ihr Team führten dann im Oktober erfolgreich zwei weitere Zündungen durch, sodass sich die Gesamtzahl auf vier erhöhte.
Kritcher begann 2004 als Sommerpraktikantin in Livermore mit der Erforschung von Fusionsenergie. Bald richtete sie ihr Augenmerk auf NIF – einen der wenigen Orte auf der Welt, an dem Fusionsreaktionen untersucht werden können.
Seitdem leitet sie ein Team, das experimentelle Daten analysiert und mithilfe von Computermodellen Experimente entwirft – indem sie Parameter wie die Größe und Konfiguration des Ziels sowie die Energie und das Timing der verschiedenen Laserstrahlen anpasst, um Fusionsausbeuten zu erzielen und zu steigern. Sobald ihr Team den Entwurf fertiggestellt hat, übernimmt das Experimentierteam das Abfeuern der Laser und das Sammeln von Daten.
Der Prozess hat gezeigt, dass Kritcher außergewöhnlich ist, und das führte dazu, dass sie 2016 eine der Hauptdesignerinnen bei NIF wurde.
In den nächsten Jahren haben Kritcher und ihr Team Zahlen ermittelt und das Design des wichtigsten experimentellen Programms des NIF optimiert. Während das Team verschiedene Änderungen am Ziel vornahm, nutzte es auch verschiedene Verbesserungen, um die Gesamtenergie des Lasers zu erhöhen. Die Folge ist, dass die Kernfusion immer häufiger realisiert wird.
Mit dem Erfolg von „Ignition“ begann Kritcher eine neue Reihe von Experimenten – er steigerte die Ausbeute erneut, indem er mehr Laserenergie an eine dickere Zielkapsel lieferte.
Und dies stellt einen weiteren Schritt hin zur Erzielung von Erträgen im zweistelligen Terajoule-Bereich oder sogar noch höheren Erträgen bei NIF dar.
Kontrollierte Fusion, der Heilige Gral sauberer Energie
Einfach ausgedrückt ist Kernfusion der Prozess, bei dem sich zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren Kern verbinden und dabei eine große Energiemenge freisetzen.
Zwei Wasserstoffatome kollidieren und polymerisieren zu einem Heliumatom, das eine etwas geringere Masse als das ursprüngliche Wasserstoffatom hat. Gemäß Einsteins ikonischer Masse-Energie-Gleichung E=mc² wird dieser Massenunterschied in einen Energiestoß umgewandelt.
Im Kern der Sonne verschmelzen jede Sekunde 620 Millionen Tonnen Wasserstoff. Die erzeugte Energie ist die Quelle allen Lebens auf der Erde.
Eine der großen Herausforderungen bei der Nutzung der Kernfusion besteht jedoch darin, die bei der Fusionsreaktion freigesetzte Energie größer zu machen als den Energieeinsatz und den Prozess nachhaltig zu gestalten.
Das NIF-Zündprinzip
In den 1960er Jahren stellte eine Gruppe wegweisender Wissenschaftler am LLNL die Hypothese auf, dass Laser zur Auslösung der Kernfusion in einer Laborumgebung eingesetzt werden könnten.
Diese revolutionäre Idee entwickelte sich dann unter der Führung des Physikers John Nuckolls zur Inertial Confinement Fusion.
Um dieses Konzept zu verwirklichen, baute LLNL eine Reihe immer leistungsfähigerer Lasersysteme, die im weltweit größten und energiereichsten NIF gipfelten.
In dem Experiment ahmten die Laser die Bedingungen im Zentrum der Sonne nach, indem sie schwere Wasserstoffisotope, Deuterium und Tritium, zu Helium verschmolzen.
Zuerst wurde eine Reihe von Wasserstoffpellets in ein Gerät von der Größe eines Pfefferkorns gegeben und dann wurde ein leistungsstarker 192-Strahllaser verwendet, um den Wasserstoffbrennstoff zu erhitzen und zu komprimieren.
Beim Eintritt in den Torus treffen die Laser auf die Innenwände und veranlassen diese, Röntgenstrahlen auszusenden, die ihn dann auf bis zu 100 Millionen Grad Celsius – heißer als das Zentrum der Sonne – erhitzen und auf mehr als 100 Milliarden Mal komprimieren können der atmosphärische Druck der Erde.
Hochenergetische Laser würden die Oberfläche des Klumpens plasmaisieren, und der Rest des zentralen Materials würde, angetrieben durch Newtons drittes Gesetz, schließlich zum Zentrum hin kollabieren und implodieren.
Zum Zeitpunkt der Implosion kann es zu einer Kettenreaktion – oder „Zündung“ – kommen, wenn die richtige Menge an Wärme und Druck auf das Brennstoffpellet ausgeübt wird, wodurch eine große Menge Energie freigesetzt wird.
Wunderwerke der Technik
Auch die National Ignition Facility (NIF), die all das ermöglicht, ist eine bemerkenswerte Errungenschaft im Ingenieurwesen und in der Technologie.
Materialwissenschaftler und Laserphysiker arbeiteten mit Ingenieuren zusammen, um eine Anlage mit 7.500 großen Optiken, 26000 kleinen Optiken und mehr als 66000 Kontrollpunkten zu entwerfen.
Diese Optik und andere Komponenten sind in etwa 6.200 komplexen modularen Einheiten enthalten, die als Line-Replaceable Units (LRUs) bezeichnet werden. Sie können bei Bedarf schnell ausgetauscht werden, um den kontinuierlichen Betrieb der Anlage sicherzustellen.
Der NIF-Laserimpuls legt einen Kilometer zurück und benötigt von der ersten Impulsbildung in der Hauptoszillatorkammer bis zum Erreichen des Ziels 4,5 Mikrosekunden. Der Zeitunterschied bis zum Erreichen der Mitte der Zielkammer beträgt 30 Pikosekunden bei einer Genauigkeit von 50 Mikrometern.
Das Erreichen dieser Art von Ausrichtungsstabilität und absoluter Genauigkeit auf das Ziel stellt eine enorme technische Herausforderung dar und erfordert eine grundsolide Stabilität des optischen Trägersystems, eine präzise Positionierung und Ausrichtung der Komponenten sowie ein äußerst genaues computergestütztes Zeitmesssystem.
Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, wurden alle Strukturen, die die NIF-Spiegel und -Linsen tragen, mit Blick auf extreme Stabilität entwickelt.
Das Ingenieurteam berechnete sorgfältig die möglichen Auswirkungen auf die Laserkomponenten, typischerweise die Laserspiegel, für alle Vibrationsquellen, einschließlich Pumpen, Motoren und Transformatoren.
Through careful modeling, both vibration (>1Hz) und Drift (<1Hz) were designed to be met. Test results show that the prototype beamline can perform at or better than the 50 micron requirement.
Um sicherzustellen, dass die Komponenten der Strahlleitung den Headroom des Lasers nicht beeinträchtigen, verwendete das Team außerdem Präzisionsmesstechniken, was zu einem strengen Messnetzwerk und einer kontrollierten physischen Position aller Komponenten der Strahlleitung führte. Die Positionen aller Strahlgehäuse, Trägersysteme und Zielkammern waren auf einen Viertelmillimeter genau.
Diese Informationen wurden dann dem Designteam zur Verfügung gestellt, das die Struktur mit ausreichender Steifigkeit und Dämpfung entwarf, sodass die Reaktion der Struktur auf Bodenvibrationen und erwartete Vibrationen der Baumaschinen den allgemeinen Stabilitätsanforderungen entsprach.
Um sicherzustellen, dass alle 192 Laserstrahlen innerhalb der angegebenen 30 Pikosekunden eintrafen, wurde ein präzises Zeitmesssystem verwendet, das ein GPS-Satellitensystem verwendet, das die interne Uhr ständig aktualisiert. Integrierte Software und Hardware überwachen und aktualisieren das Timing ständig, um die Genauigkeit aufrechtzuerhalten.
Jede mechanische Schnittstelle ist auf eine Toleranz von mehr als 300 Femtosekunden (drei Billionstel Sekunden) ausgelegt, sodass LRUs jederzeit geändert werden können, um die Zeitgenauigkeit aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus sorgt ein streng kontrolliertes Programm für die Systemzeitsteuerung für jede LRU.
Allerdings können wir mit diesem Gerät die Kernfusion noch nicht wirklich zur Stromerzeugung nutzen.
Aber im Maßstab von 60 Jahren hat die Menschheit einen großen Durchbruch geschafft.
Für die Zukunft können wir uns vielleicht auch mehr Vorstellungskraft zulegen.
