5. Dezember 2019

Mit starken Lasern zur Fusion

HZDR-Wissenschaftler wollen die Verschmelzung von Atomkernen quantenmechanisch anstoßen.

Kernphysik ist üblicherweise die Domäne hoher Energien. Das wird zum Beispiel in den Versuchen zur Beherrschung der kontrollierten Kernfusion sichtbar. Ein Problem stellt die Überwindung der starken elektrischen Abstoßung zwischen den zu verschmelzenden Atomkernen dar, die hohe Energien erfordert. Fusionen könnten jedoch schon bei niedrigeren Energien in Gang kommen: mit Energien und elektromagnetischen Feldern, wie sie beispielsweise modernste Freie-Elektronen-Laser mit Röntgenlicht zur Verfügung stellen.

Die Sonne als Vorbild
Bei der Kernfusion verschmelzen zwei Atomkerne zu einem neuen Kern. Im Labor gelingt das zum Beispiel mit Teilchenbeschleunigern, wenn Forscher Fusionsreaktionen zur Bildung schneller freier Neutronen für weiterführende Experimente nutzen. In weit größerem Maßstab soll die kontrollierte Fusion leichter Kerne Anwendung in der Energieerzeugung finden. Vorbild ist die Sonne: Deren Energie speist sich aus einer Reihe von im Innern ablaufenden Fusionsreaktionen.

Seit vielen Jahren arbeiten Wissenschaftler an Konzepten, mit denen sich aus der Fusionsenergie Strom erzeugen ließe. „Zum einen ist es die Aussicht auf eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle. Zum anderen sind es die vielen noch vorhandenen, technologischen Hürden, zu deren Meisterung wir mit unserer Arbeit einen Beitrag leisten wollen“, beschreibt Prof. Ralf Schützhold, Direktor der Abteilung für Theoretische Physik am HZDR, die Motivation seiner Forschung.

Tunneln auf hohem, aber demnächst zugänglichem Niveau
Um eine Kernfusion auszulösen, müssen die starken elektrischen Abstoßungskräfte der miteinander zu verschmelzenden, gleichartig geladenen Atomkerne überwunden werden. Dazu sind normalerweise hohe Energien notwendig. Doch es gibt noch einen weiteren Weg, erläutert Dr. Friedemann Queißer: „Reicht die verfügbare Energie nicht aus, kann die Fusion auch durch Tunneln ermöglicht werden, einen quantenmechanischen Prozess. Dabei wird die von der Kernabstoßung verursachte Energiebarriere bei niedrigeren Energien durchtunnelt.“

Der Vorgang ist kein theoretisches Konstrukt, sondern Realität: So reichen die im Sonnenkern anzutreffenden Temperaturen und Druckverhältnisse nicht aus, um die Energiebarriere für eine Fusion von Wasserstoffkernen zu überwinden. Die Fusion findet trotzdem statt: Die vorherrschenden Bedingungen gestatten, über eine genügende Zahl von Tunnelprozessen die Fusionsreaktion aufrecht zu erhalten.

In ihrer aktuellen Arbeit untersuchten die HZDR-Wissenschaftler, ob die Unterstützung von Tunnelprozessen mittels Strahlung eine kontrollierte Fusion erleichtern kann. Doch auch das ist eine Frage der Energie: Je niedriger sie ist, desto unwahrscheinlicher wird das Tunneln. So war die Leistung herkömmlicher Laserstrahlung für das Auslösen solcher Prozesse bislang zu gering. Das könnte sich bald ändern: Mit Freie-Elektronen-Lasern mit Röntgenlicht (XFEL, X-Ray Free-Electron Laser) lassen sich bereits Leistungsdichten in einer Größenordnung von 1020 Watt pro Quadratzentimeter erreichen. Das entspricht in etwa dem Tausendfachen der auf die Erde einstrahlenden Leistung unserer Sonne, gebündelt auf die Fläche einer 1-Eurocent-Münze. „Damit stoßen wir in Bereiche vor, die eine Unterstützung solcher Tunnelprozesse mit starken Röntgenlasern möglich erscheinen lassen“, so Schützhold.

Erfahren Sie hier mehr dazu, was die Forschenden des HZDR vorhaben und wie sie ihre Ideen realisieren wollen.

Foto ©DESY: Beschleunigertunnel am European XFEL.

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