Energie-Experiment der Extreme

Trägheitsfusion: Wie Hochenergielaser Fusion zünden

Veröffentlicht 27. November 2024 - 09:00 Geändert 16. Oktober 2025 - 13:16

3D-Darstellung der laserbeleuchteten Trägheitsfusion in einem Hohlraum.

Was ist Trägheitsfusion? Wie Hochenergielaser die Fusion vorantreiben und welche Herausforderungen noch zu lösen sind.

(Bild: Peter Hansen – Adobe Stock)

Trägheitsfusion könnte die Art und Weise, wie Energie erzeugt wird, revolutionieren. Durch den Einsatz von Hochenergielasern wird eine extreme Kompression von Brennstoffpellets erreicht – doch wie nah sind wir wirklich an der Energiequelle der Zukunft?

Die Grundlagen der Kernfusion und ihr enormes Potenzial als zukünftige Energiequelle wurden bereits beschrieben. Neben den klassischen Konzepten wie dem Tokamak und Stellarator gibt es jedoch auch alternative Ansätze, die die Fusion anders umsetzen wollen. Die Trägheitsfusion (oder auch Inertialfusion vom Englischen Inertial confinement fusion), die auf Hochenergielasern basiert, ist einer dieser vielversprechenden Wege.

In diesem Artikel erklären wir, wie die Trägheitsfusion funktioniert, welche Fortschritte es in diesem Bereich gibt und welche Herausforderungen noch bewältigt werden müssen, um diese Methode zur Energiequelle der Zukunft zu machen.

Was ist Trägheitsfusion und wie funktioniert sie?

Bei der Trägheitsfusion (Inertial Confinement Fusion, ICF) werden kleine Brennstoffpellets aus Deuterium und Tritium durch Hochenergielaser so stark komprimiert, dass die Fusionsreaktion gezündet wird. Diese Methode nutzt die physikalischen Grenzen der Dichte und Energiekompression, um die extrem hohen Dichten und Temperaturen zu erzeugen, die für die Fusion notwendig sind. Im Gegensatz zu traditionellen Methoden wie dem magnetischen Einschluss in Tokamaks verfolgt die Trägheitsfusion einen innovativen Ansatz, der auf der Explosion dieser Pellets basiert. Dieses Konzept wird unter anderem an der National Ignition Facility (NIF) in den USA getestet, einem der weltweit führenden Projekte in diesem Bereich, das trotz technischer Herausforderungen das Potenzial der Trägheitsfusion demonstriert.

Science meets fiction: „Star Trek“ trifft auf Wissenschaft

Die National Ignition Facility (NIF) wurde für den Film "Star Trek: Into Darkness" als futuristisches Filmset genutzt und brachte Science-Fiction und reale Wissenschaft zusammen. Während einer Wartungsphase 2012 verwandelte sich die weltweit größte Laseranlage in eine Kulisse, die den hohen technischen Anspruch der Serie unterstrich. Mit der Unterstützung des US-Energieministeriums konnten die Filmarbeiten ohne Beeinträchtigung der wissenschaftlichen Mission stattfinden. Passend zum Erbe von Star Trek erforscht die NIF die Geheimnisse der Sterne und des Universums, ähnlich wie die Serie die Grenzen der Menschheit erweitert.

Was bei der Trägheitsfusion zu beachten ist

Der Erfolg der Trägheitsfusion hängt stark von der präzisen Kontrolle des Zündprozesses ab. Die Hochenergielaser müssen so ausgerichtet sein, dass das Pellet symmetrisch komprimiert wird. Die größte Herausforderung dabei ist, sogenannte "Rayleigh-Taylor-Instabilitäten" zu vermeiden, die auftreten, wenn die Kompression ungleichmäßig erfolgt. Hier sind Fortschritte in der Lasersteuerung und Materialwissenschaft entscheidend, um die Zündung effizient zu gestalten. Ein alternativer Ansatz, der sogenannte "indirect drive", nutzt hohle Goldkammern, sogenannte Hohlräume, um die Laserenergie gleichmäßiger auf das Pellet zu verteilen.

Ein besonders spannender Bereich ist die Optimierung des Triple-Produkts (Dichte, Temperatur und Einschlusszeit). Bei der Trägheitsfusion wird eine extrem hohe Dichte des Brennstoffs benötigt, um die kürzere Einschlusszeit zu kompensieren. Dies steht im Kontrast zu magnetischen Einschlusssystemen, bei denen die Dichte niedrig ist, aber die Einschlusszeit verlängert wird.

Überblick über ausgewählte Fusionsreaktoren: Wo sie stehen, was sie machen und wie weit sie sind.

Das deutsche Start-up Proxima Fusion mit Sitz in München entwickelt innovative Stellaratoren als Fusionskraftwerke. Mit rund 30 Mitarbeitern, KI-gestützten Designs und Hochtemperatursupraleitern will das Unternehmen bis 2031 einen energiepositiven Prototyp fertigstellen. — Das deutsche Start-up Proxima Fusion mit Sitz in Münchenentwickelt innovative Stellaratoren als Fusionskraftwerke. Mit rund 30 Mitarbeitern, KI-gestützten Designs und Hochtemperatursupraleitern will das Unternehmen bis 2031 einen energiepositiven Prototyp fertigstellen.

Proxima Fusion befindet sich aktuell in der Entwicklungsphase. Mithilfe von 27 Millionen Euro privater Investitionen und öffentlichen Mitteln wird der erste Prototyp vorangetrieben. Die Technologie basiert auf dem Wendelstein 7-X-Experiment in Greifswald, das bereits mehrere Rekorde in der Fusionsforschung aufgestellt hat. Der Einsatz von KI und Hochtemperatursupraleitern optimiert den Designprozess und beschleunigt die Realisierung.

ITER ist ein internationaler Tokamak-Fusionsreaktor, der den Ansatz der magnetischen Einkapselung verfolgt. Der Reaktor befindet sich in Cadarache, Frankreich, und rund 2.000 Mitarbeiter aus verschiedenen Ländern sind am Projekt beteiligt.

Der aktuelle Projektstatus von ITER sieht vor, dass der erste Plasma-Versuch im Jahr 2025 stattfinden soll. Ein bedeutender Meilenstein wurde kürzlich mit dem erfolgreichen Einbau der kryogenen Abschirmung erreicht. — Der aktuelle Projektstatus von ITER sah eigentlich vor, dass der erste Plasma-Versuch im Jahr 2025 stattfinden soll. Allerdings wird sich der Plan aufgrund von Problemen mit Schweißnähten und Rissen in der Fusionskammer verzögern.

Die letzte Naht an der stählernen Außenhaut von Wendelstein 7-X wurde im Mai 2013 geschlossen. Der Kern der Anlage ist im Rohbau fertig. — Der – im Vergleich zu Iter deutlich kleinere – Stellarator Wendelstein 7-X nutzt einen innovativen Ansatz zur magnetischen Einkapselung und Stabilisierung von Plasmen. Er befindet sich in Greifswald, Deutschland, und wird von etwa 400 Mitarbeitern des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik betrieben.

Blick in das Plasmagefäß von Wendelstein 7X nach Umbauarbeiten im November 2021 — 2018 gelang es Wendelstein 7-X, ein Plasma für 100 Sekunden stabil zu halten, was als Durchbruch für die Stellarator-Technologie gilt. Nach einer Wartungsphase nahm der Kernfusions-Reaktor im September 2024 den Versuchsbetrieb mit deutlichen Verbesserungen wieder auf. Im Februar 2023 erreichte Wendelstein 7-X dann einen neuen Rekord: Ein Energieumsatz von 1,3 Gigajoule wurde für 480 Sekunden (8 Minuten) aufrechterhalten.Dies übertraf den vorherigen Bestwert um das 17-fache. Die Wissenschaftler planen, den Energieumsatz in den kommenden Jahren auf 18 Gigajoule zu steigern und das Plasma für eine halbe Stunde stabil zu halten.

Die National Ignition Facility (NIF) nutzt den Trägheitseinschluss-Ansatz mit Hochleistungslasern, um Brennstoffpellets zur Fusion zu komprimieren. Die Anlage steht in Livermore, Kalifornien, USA, und beschäftigt über 1.000 Mitarbeiter.

Die Targetkammer der National Ignition Facility des LLNL, in der 192 Laserstrahlen mehr als 2 Millionen Joule ultravioletter Energie auf ein winziges Brennstoffpellet lieferten, um am 5. Dezember 2022 eine Fusionszündung zu erzeugen. — Im Bild: Die Targetkammer, in der 192 Laserstrahlen mehr als 2 Millionen Joule ultravioletter Energie auf ein winziges Brennstoffpellet lieferten, um am 5. Dezember 2022 eine Fusionszündung in der NIF zu erzeugen. Dabei wurde mehr Energie durch die Fusion erzeugt, als durch die Laser eingebracht wurde.

Das Large Helical Device (LHD) ist ein Stellarator, der zur Erforschung der Plasmaphysik und Fusionsenergie dient. Der Reaktor befindet sich in Toki, Gifu, Japan, und etwa 300 Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten daran. — Das Large Helical Device (LHD) ist ein Stellarator, der seit 1998 zur Erforschung der Plasmaphysik und Fusionsenergie dient. Der Reaktor befindet sich in Toki, Gifu, Japan, und etwa 300 Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten daran.

2023 konnte im Large Helical Device (LHD) in Japan erstmals die Kernfusion von Wasserstoff und Bor in einem Magneteinschluss-Plasma erfolgreich nachgewiesen werden, ein bedeutender Schritt in Richtung sauberer, nicht-radioaktiver Fusionskraftwerke. Durch das Einbringen von Borkörnchen ins Plasma und das Beschießen mit energiereichen Protonen gelang es, eine signifikante Menge an Heliumkernen zu erzeugen, was die Fusionsreaktion bestätigte. Die Forscher sehen in diesen Ergebnissen eine Basis für die Entwicklung sichererer und umweltfreundlicherer Fusionsreaktoren. TAE Technologies plant bis 2030, Prototypen für Reaktoren zu entwickeln, die auf diesem Konzept basieren und möglicherweise mehr Energie erzeugen, als sie verbrauchen.

Das Omega Laser Facility am Laboratory for Laser Energetics (LLE) der Universität Rochester — Der OMEGA-Laser, der zur Erforschung der Trägheitsfusion verwendet wird, steht in Rochester, New York, USA. Über 1.000 Mitarbeiter, darunter 450 Wissenschaftler und Ingenieure, arbeiten an diesem Projekt des Laboratory for Laser Energetics (LLE).

Der Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) verfolgt den supraleitenden Tokamak-Ansatz zur Untersuchung der Plasmaphysik und Fusionsenergie. Die Anlage befindet sich in Daejeon, Südkorea, und es sind rund 150 Wissenschaftler und Ingenieure beteiligt.

Der EAST-Tokamak für die Fusionsforschung am Institut für Plasmaphysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (ASIPP) in Hefei, China — Der Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) verwendet ebenfalls supraleitende Technologie, um Langzeit-Plasmaentladungen zu erforschen. Der Reaktor steht in Hefei, China, mit mehr als 200 Forschern und Technikern im Team.

Plasma im EAST — Im Mai 2023 erreichte EAST einen bedeutenden Durchbruch: Es gelang, ein Plasma für 403 Sekunden (etwa 6,7 Minuten) bei einer Temperatur von 120 Millionen °C aufrechtzuerhalten.. "Key issues for long-pulse high-βNoperation with theExperimental Advanced Superconducting Tokamak(EAST)". Nuclear Fusion 57 (5): 056021.DOI:10.1088/1741-4326/aa626c.ISSN0029-5515. Figure 5,CC BY 3.0,Link)

Erstes Plasma im SMART-Tokamak, aufgenommen mit einer superschnellen Kamera im sichtbaren Spektrum — SMART (SMall Aspect Ratio Tokamak) ist ein neu entwickelter, kompakter Tokamak-Fusionsreaktor an der Universität Sevilla in Spanien.Entwickelt und betrieben wird er vom Plasma Science and Fusion Technology Laboratory unter der Leitung von Professor Manuel García Muñoz und Professorin Eleonora Viezzer. Mit einem geringen Aspektverhältnis und den Abmessungen von nur 1,6 × 1,6 Metern stellt SMART eine innovative Plattform für die Erforschung neuer Plasmageometrien dar, insbesondere der negativen Triangularität.

Beispiele für verschiedene Gleichgewichte, die bei SMART erreicht werden können. — Im Januar 2025 gelang dem SMART-Tokamak erstmals die Erzeugung von Plasma, ein bedeutender Meilenstein in der Fusionsforschung. Durch den Einsatz negativer Triangularität testet der Reaktor ein neuartiges Design, das den Weg zu kleineren und effizienteren Fusionskraftwerken ebnen könnte. Die gewonnenen Daten aus den ersten Plasmatests werden mit Hochgeschwindigkeitskameras im sichtbaren Spektrum aufgezeichnet und analysiert, um die Stabilität und Leistungsfähigkeit des Plasmas zu bewerten.

Century hat sich zum Ziel gesetzt, drei Hauptaspekte des Zap-Energiekonzepts zu integrieren und zu testen: sich wiederholende gepulste Stromversorgungen, dem Plasma zugewandte zirkulierende Flüssigmetallwände und Technologie zur Abschwächung von Elektrodenschäden. — Zap Energy ist ein in Everett, Washington, ansässiges Unternehmen, das an einer kostengünstigen und kompakten Fusionslösung arbeitet. Das Team um die Gründer Benj Conway, Brian A. Nelson und Uri Shumlak setzt auf die Sheared-Flow-Stabilized Z-Pinch-Technologie, die ohne supraleitende Magnete auskommt und eine wirtschaftlich tragfähige Fusion ermöglichen soll.

Der Z-Pinch-Effekt ist ein elektromagnetisches Phänomen, bei dem elektrische Ströme Magnetfelder erzeugen, die so stark sind, dass sie Materie komprimieren. Zap will diesen Effekt nutzen, um die Fusionsforschung voranzutreiben und die Idee der Fusionsenergie Wirklichkeit werden zu lassen. Dabei ist das Unternehmen über die Theoriephase hinaus. — Der aktuelle Entwicklungsstand von Zap Energy sieht mit dem Century-Projekt die erste vollintegrierte Demonstration relevanter Fusionskraftwerk-Technologien vor. Während wichtige Meilensteine wie eine stabile Plasmaerzeugung und hohe Neutronenausbeuten erreicht wurden, stehen noch weitere Herausforderungen bevor, darunter die Skalierung der Technologie und die Entwicklung robuster Materialien für den Langzeitbetrieb.

Aktuelle Fortschritte und Herausforderungen bei der Trägheitsfusion

Trotz beeindruckender wissenschaftlicher Durchbrüche, wie etwa an der National Ignition Facility (NIF), sind die technologischen und ökonomischen Hürden noch erheblich. Im Jahr 2022 konnte an der NIF erstmals mehr Energie durch die Fusion freigesetzt werden, als zur Zündung aufgebracht wurde. Dieser Erfolg zeigt, dass die Technologie grundsätzlich machbar ist. Dennoch bleibt die Effizienz ein zentrales Problem. Die Laseranlagen benötigen derzeit immense Energiemengen, und die Effizienz der Energiegewinnung ist nach wie vor unzureichend. Für eine wirtschaftlich rentable Nutzung müssten Laser nicht nur effizienter werden, sondern auch in der Lage sein, mehrere Zündungen pro Sekunde auszuführen. Dies stellt eine gewaltige technische Herausforderung dar, die sowohl die Ingenieure als auch Materialwissenschaftler vor neue Aufgaben stellt.

Einen Schritt in diese Richtung haben Ende 2024 chinesische Wissenschaftler der Shanghai Jiao Tong University und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gemacht. Das Team entwickelte das Simulationsmodell LAPINS, das auf großwinkligen Kollisionsdynamiken basiert. Mit dessen Hilfe konnten die Wissenschaftler die Vorgänge in brennendem Plasma präziser analysieren als jemals zuvor. Besonders hervorzuheben ist, dass die Zündung der Reaktion durch diese Kollisionen um 10 Pikosekunden beschleunigt werden kann. Das LAPINS-Modell hilft, bisherige Diskrepanzen in Neutronenspektren zu erklären, die auf Lücken in traditionellen Modellen hinweisen.

Schlüsselentdeckungen

Suprathermische Deuterium-Ionen: Das Team entdeckte, dass diese Ionen mit Energien unterhalb von 34 keV doppelt so viel zur Energieabgabe beitragen wie Alpha-Teilchen. Ihre Dichte im zentralen Plasma-Hotspot konnte um 24 % gesteigert werden.
Optimierungspotenzial: Die Erkenntnisse könnten langfristig die Effizienz von Fusionsreaktoren erhöhen und neue Wege für die Nutzung hochenergetischer Plasmen eröffnen.

Die Forschungsergebnisse haben nicht nur das Potenzial, die Entwicklung wirtschaftlich nutzbarer Fusionsreaktoren voranzutreiben, sondern liefern auch grundlegende Informationen über physikalische Prozesse, die im frühen Universum stattgefunden haben. Diese Fortschritte markieren einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Nutzung der Kernfusion als nachhaltige Energiequelle der Zukunft.

Ein weiteres vielversprechendes Konzept ist die Kombination der Trägheitsfusion mit alternativen Brennstoffen wie Bor-11. Diese Reaktion könnte theoretisch ohne die problematischen Neutronen ablaufen, die bei der Deuterium-Tritium-Fusion freigesetzt werden und die Wände des Reaktors radioaktiv kontaminieren. Jedoch erfordert diese Reaktion noch höhere Temperaturen, was sie derzeit nur schwer umsetzbar macht.

Trägheitsfusion im internationalen Kontext

Internationale Bemühungen in der Trägheitsfusion haben ebenfalls begonnen, die Aufmerksamkeit von Investoren und Regierungen zu gewinnen. Start-ups und Forschungsgruppen weltweit experimentieren mit neuen Ansätzen, wie mechanischen Schockwellen oder Hybridmethoden, die magnetische und trägheitsbasierte Systeme kombinieren. Beispielsweise experimentieren Unternehmen wie First Light Fusion mit mechanischer Energie statt Laser, um die Pellet-Kompression zu erzielen. Diese Innovationen könnten die Effizienz der Energiegewinnung weiter verbessern und die Trägheitsfusion langfristig konkurrenzfähig machen.

Der Autor: Dr. Martin Large

Aus dem Schoß einer Lehrerfamilie entsprungen (Vater, Großvater, Bruder und Onkel), war es Martin Large schon immer ein Anliegen, Wissen an andere aufzubereiten und zu vermitteln. Ob in der Schule oder im (Biologie)-Studium, er versuchte immer, seine Mitmenschen mitzunehmen und ihr Leben angenehmer zu gestalten. Diese Leidenschaft kann er nun als Redakteur ausleben. Zudem kümmert er sich um die Themen SEO und alles was dazu gehört bei all-electronics.de.

Weitere Artikel von Martin Large