Damit ein Holzfeuer brennt, muss man es erst einmal anzünden. Ganz ähnlich ist es auch beim Wasserstoffgas in einem Fusionsreaktor. Denn erst bei einer Zündtemperatur von über 150 Millionen Grad, wenn das Gas längst zum Plasma geworden ist, bewegen sich die Wasserstoff-Atomkerne so heftig, dass sie zusammenstoßen und zu Helium verschmelzen. Ein Teil der Atomkernmasse verwandelt sich beim Verschmelzen in Energie, so dass sich die Teilchen noch heftiger bewegen. Das Fusionsfeuer brennt von selbst weiter, und man könnte - so das Fernziel der Fusionsforscher - Wasser damit erhitzen und mit Turbinen große Mengen Strom erzeugen. Aber bisher waren alle Versuchsanlagen zu klein, um die Zündtemperatur zu erreichen. Das wollen die Forscher ab 2017 mit dem "Internationalen Thermonuklearen Versuchsreaktor" Iter in Südfrankreich schaffen. Über den Erfolg des Mega-Projektes von Cadarache entscheidet die richtige Plasmaheizung, sagt Alex Bradshaw, Direktor des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Garching.
"Bei Iter wird man auf jeden Fall eine Neutralstrahlheizung brauchen, die auf der Basis einer Plasmaentladung funktioniert."
Um das Plasma zum "Brennen" zu bringen, schießen Wissenschaftler bisher einen Strahl von Wasserstoffionen auf das Plasma, um es über Stöße anzuheizen. Der ringförmige Metallbehälter für das Plasma wird bei Iter allerdings so hoch werden wie ein vierstöckiges Haus. Um ins Herz des Iter-Plasmas einzudringen, müssen die Wasserstoffionen deshalb viermal so schnell werden wie bei der bisher größten Anlage in Großbritannien. Der Physiker Eckehart Speth arbeitet seit Jahren mit einer Gruppe von Wissenschaftlern an dieser Aufgabe. Das Problem dabei: Vor dem Einschießen in den Reaktor müssen die geladenen Wasserstoffionen elektrisch neutral gemacht werden. Sonst würde sie das enorme Magnetfeld, das den glühenden Plasmaring einschließt, ablenken wie der Sturm einen Tischtennisball. Speth:
"Bei diesen hohen Energien lassen sich die Primärionen nicht mehr neutralisieren. Das funktioniert einfach nicht. Und deswegen muss man sich also was Besseres einfallen lassen, und das Bessere sind die negativen Ionen."
Negative Wasserstoffionen - Wasserstoffatome mit zusätzlichen Elektronen also - lassen sich auch bei 9000 Kilometer pro Sekunde noch zum großen Teil elektrisch neutralisieren. Dafür ist aber ihre effiziente Erzeugung viel schwerer. Ein Bauteil, das die Ionen beschleunigt, muss einen Überzug mit dem Leichtmetall Cäsium bekommen, der genau eine Atomlage dick ist und auch bleibt. Speth:
"Sie haben also so eine monoatomare Cäsiumschicht. Dann haben Sie dieses Plasma da. Das bombardiert diese Schicht, schlägt das Cäsium wieder raus, und Sie müssen in einem dynamischen Gleichgewicht dafür sorgen, dass die Desorption und die Deposition, dass die sich sozusagen die Waage halten, und dass sie eben in einem dynamischen Gleichgewicht immer diesen optimalen Zustand hinkriegen. Das ist sehr, sehr schwer."
Immerhin halten die Forscher in Garching das Gleichgewicht inzwischen so gut, dass ihr elektrisch neutralisierter Heizstrahl aus Wasserstoffionen intensiver ist als irgendwo sonst auf der Welt. Und ihre Ionenquelle ist anders als konkurrierende Technologien – wie sie derzeit in Japan und Frankreich entwickelt werden –wartungsfrei. Institutsdirektor Alex Bradshaw ist zuversichtlich:
"Wir denken, dass unsere Quelle besser ist, und dass sie letzten Endes das Rennen gewinnen wird. Die letzte Information, die wir aus Japan erhalten haben, ist, dass die Japaner sogar auch daran denken, eine Quelle nach unserer Bauart zu entwickeln."
Dennoch: Die preisgekrönte Plasmaheizung in Garching ist zunächst nur der Beweis, dass es im Prinzip so funktionieren könnte. Einer von vielen Schritten auf dem Weg zum ersten Sonnenfeuer auf der Erde – vielleicht 2017.
"Bei Iter wird man auf jeden Fall eine Neutralstrahlheizung brauchen, die auf der Basis einer Plasmaentladung funktioniert."
Um das Plasma zum "Brennen" zu bringen, schießen Wissenschaftler bisher einen Strahl von Wasserstoffionen auf das Plasma, um es über Stöße anzuheizen. Der ringförmige Metallbehälter für das Plasma wird bei Iter allerdings so hoch werden wie ein vierstöckiges Haus. Um ins Herz des Iter-Plasmas einzudringen, müssen die Wasserstoffionen deshalb viermal so schnell werden wie bei der bisher größten Anlage in Großbritannien. Der Physiker Eckehart Speth arbeitet seit Jahren mit einer Gruppe von Wissenschaftlern an dieser Aufgabe. Das Problem dabei: Vor dem Einschießen in den Reaktor müssen die geladenen Wasserstoffionen elektrisch neutral gemacht werden. Sonst würde sie das enorme Magnetfeld, das den glühenden Plasmaring einschließt, ablenken wie der Sturm einen Tischtennisball. Speth:
"Bei diesen hohen Energien lassen sich die Primärionen nicht mehr neutralisieren. Das funktioniert einfach nicht. Und deswegen muss man sich also was Besseres einfallen lassen, und das Bessere sind die negativen Ionen."
Negative Wasserstoffionen - Wasserstoffatome mit zusätzlichen Elektronen also - lassen sich auch bei 9000 Kilometer pro Sekunde noch zum großen Teil elektrisch neutralisieren. Dafür ist aber ihre effiziente Erzeugung viel schwerer. Ein Bauteil, das die Ionen beschleunigt, muss einen Überzug mit dem Leichtmetall Cäsium bekommen, der genau eine Atomlage dick ist und auch bleibt. Speth:
"Sie haben also so eine monoatomare Cäsiumschicht. Dann haben Sie dieses Plasma da. Das bombardiert diese Schicht, schlägt das Cäsium wieder raus, und Sie müssen in einem dynamischen Gleichgewicht dafür sorgen, dass die Desorption und die Deposition, dass die sich sozusagen die Waage halten, und dass sie eben in einem dynamischen Gleichgewicht immer diesen optimalen Zustand hinkriegen. Das ist sehr, sehr schwer."
Immerhin halten die Forscher in Garching das Gleichgewicht inzwischen so gut, dass ihr elektrisch neutralisierter Heizstrahl aus Wasserstoffionen intensiver ist als irgendwo sonst auf der Welt. Und ihre Ionenquelle ist anders als konkurrierende Technologien – wie sie derzeit in Japan und Frankreich entwickelt werden –wartungsfrei. Institutsdirektor Alex Bradshaw ist zuversichtlich:
"Wir denken, dass unsere Quelle besser ist, und dass sie letzten Endes das Rennen gewinnen wird. Die letzte Information, die wir aus Japan erhalten haben, ist, dass die Japaner sogar auch daran denken, eine Quelle nach unserer Bauart zu entwickeln."
Dennoch: Die preisgekrönte Plasmaheizung in Garching ist zunächst nur der Beweis, dass es im Prinzip so funktionieren könnte. Einer von vielen Schritten auf dem Weg zum ersten Sonnenfeuer auf der Erde – vielleicht 2017.