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US-Fusionsenergie-Durchbruch: Alles, was Sie wissen müssen

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Am Dienstag wird das Energieministerium voraussichtlich einen lang erwarteten Meilenstein in der Entwicklung der Kernfusionsenergie bekannt geben: Nettoenergiegewinne. Die Neuigkeiten, über die ich zum ersten Mal berichtete finanzielle Zeiten und bestätigte es Washington Postkönnte die Fusionsgemeinschaft aufrütteln, die die Technologie lange als potenzielles Werkzeug für saubere Energie zur Bekämpfung des Klimawandels übertrieben hat.

Doch wie groß ist der „Energie-Nettogewinn“ überhaupt – und was bedeutet das für Fusionskraftwerke der Zukunft? Hier ist, was Sie wissen müssen.

Aktuelle Kernkraftwerke laufen durch Kernspaltung Abbau schwerer Atome zur Energiegewinnung. Bei der Kernspaltung kollidiert ein Neutron mit einem schweren Uranatom, spaltet es in leichtere Atome und setzt gleichzeitig viel Wärme und Energie frei.

Auf der anderen Seite funktioniert die Fusion umgekehrt – es geht darum, zwei Atome (meistens zwei Wasserstoffatome) zusammenzuschlagen, um ein neues Element (meistens Helium) zu erzeugen.Und die So wie Sterne Energie erzeugen. Dabei verlieren die beiden Wasserstoffatome etwas Masse, die nach Einsteins berühmter Gleichung E = mc² in Energie umgewandelt wird. Wegen der Lichtgeschwindigkeit sehr schnell – 300.000.000 Meter pro Sekunde – selbst eine winzige Masse kann eine Tonne Energie erzeugen.

Was ist ein „Nettoenergiegewinn“ und wie haben die Forscher ihn erreicht?

Bisher ist es Forschern gelungen, zwei Wasserstoffatome miteinander zu verschmelzen, aber die Reaktion erfordert immer mehr Energie, als Sie zurückbekommen. Der Nettoenergiegewinn – bei dem sie mehr Energie zurücknehmen, als sie in die Erzeugung der Reaktion gesteckt haben – war der schwer fassbare heilige Gral der Fusionsforschung.

Nun sollen Forscher der National Ignition Facility des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien bekannt geben, dass sie durch das Beschießen von Wasserstoffatomen mit Lasern einen Nettoenergiegewinn erzielt haben. Die 192 Laser komprimieren Wasserstoffatome auf die fast 100-fache Dichte von Blei und erhitzen sie auf fast 100 Millionen Grad Celsius. Durch die hohe Dichte und Temperatur verschmelzen die Atome zu Helium.

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Andere untersuchte Methoden beinhalten die Verwendung von Magneten, um überhitztes Plasma einzuschränken.

„Wenn wir das erwarten, ist es wie der Kitty-Hawk-Moment der Gebrüder Wright“, sagte Melanie Windridge, Plasmaphysikerin und CEO von Fusion Energy Insights. „Es ist, als würde man ein Flugzeug abheben.“

Bedeutet dies, dass die Fusionsenergie bereit für die Hauptsendezeit ist?

Nein, die Wissenschaftler bezeichnen den aktuellen Durchbruch als „wissenschaftlichen Nettoenergiegewinn“ – was bedeutet, dass mehr Energie aus der Reaktion herauskam, als durch den Laser eingebracht wurde. Das ist ein riesiger Meilenstein, der noch nie zuvor erreicht wurde.

Aber es ist nur ein Nettoenergiegewinn auf der Mikroebene. Laut Troy Carter, einem Plasmaphysiker an der University of California in Los Angeles, haben die im Livermore-Labor verwendeten Laser einen Wirkungsgrad von nur 1 Prozent. Dies bedeutet, dass der Laser 100-mal mehr Energie benötigt, als er letztendlich an die Wasserstoffatome abgeben kann.

Den „net engineering energy gain“ haben die Forscher also noch nicht erreicht, also den Punkt, an dem der gesamte Prozess weniger Energie verbraucht als die Reaktion produziert. Außerdem müssten sie herausfinden, wie sie die dabei entstehende Energie – derzeit in Form von kinetischer Energie aus Heliumkernen und Neutronen – in eine für Strom nutzbare Form umwandeln. Sie könnten dies tun, indem sie es in Wärme umwandeln und dann den Dampf erhitzen, um eine Turbine anzutreiben und einen Generator anzutreiben. Dieses Verfahren hat auch Effizienzbeschränkungen.

All dies bedeutet, dass der Energiegewinn wahrscheinlich viel höher getrieben werden muss, damit eine Fusion wirtschaftlich rentabel ist.

Vorerst können die Forscher die Fusionsreaktion auch einmal täglich durchführen. Dazwischen müssen sie den Laser abkühlen lassen und das Fusionsbrennstoffziel ersetzen. Eine wirtschaftlich rentable Anlage sollte dies mehrfach können pro Sekundesagt Dennis White, Direktor des Zentrums für Plasma- und Fusionswissenschaften am MIT. Er sagte: „Sobald Sie die wissenschaftliche Machbarkeit haben, müssen Sie die technische Machbarkeit kennen.“

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Was sind die Vorteile der Integration?

Riesige Fusionsmöglichkeiten. Die Technologie ist viel sicherer als die Nukleartechnologie Kernspaltung, weil Fusion keine wilden Reaktionen hervorrufen kann. Sie produzieren auch keine radioaktiven Nebenprodukte, die gelagert werden müssen, oder schädliche Kohlenstoffemissionen; Es erzeugt einfach inertes Helium und ein Neutron. Der Treibstoff wird ihm wahrscheinlich auch nicht ausgehen: Fusionsbrennstoff sind nur schwere Wasserstoffatome, die im Meerwasser zu finden sind.

Wann kann Fusion unsere Häuser mit Strom versorgen?

Das ist eine Billionen-Dollar-Frage. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler gescherzt, dass eine Fusion immer 30 oder 40 Jahre entfernt sei. Im Laufe der Jahre haben Forscher unterschiedlich vorhergesagt, dass Fusionsanlagen in den 1990er, 2000er, 2000er und 2020er Jahren in Betrieb sein werden. Aktuelle Fusionsexperten argumentieren, dass es keine Frage der Zeit, sondern des Willens ist – wenn Regierungen und private Spender die Fusion aggressiv finanzieren, könnte ein Prototyp eines Fusionskraftwerks in den 2030er Jahren verfügbar sein.

„Der Zeitplan ist nicht wirklich eine Frage der Zeit“, sagte Carter. „Es ist eine Frage der Innovation und des Einsatzes.“

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Magda Franke

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