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. (Bild: Zap)
Die US-amerikanische Fusionstechnologie-Firma Zap Energy hat einen bedeutenden Fortschritt hin zur Energiequelle der Zukunft erzielt: Die Messungen – veröffentlicht in Nuclear Fusion – aus ihrem Fusion Z-Pinch Experiment (FuZE) haben gezeigt, dass ihr Ansatz stabile thermische Plasmen produziert – ein entscheidender Schritt in Richtung skalierbarer Energiegewinne. In einer Analyse von 433 Plasmaentladungen wurde eine nahezu isotrope Neutronenemission festgestellt, was die Stabilität und Skalierbarkeit des Prozesses unterstreicht. Eine isotrope Neutronenemission bedeutet, dass die Neutronen gleichmäßig in alle Richtungen abgegeben werden, was darauf hindeutet, dass der zugrunde liegende Fusionsprozess nicht durch ungleichmäßige oder instabile Teilchenbewegungen dominiert wird. Dies bestätigt, dass das Plasma gut kontrolliert ist und keine unerwarteten Strahlungsasymmetrien entstehen, die auf Instabilitäten hindeuten könnten.
Zap Energy stellt „Century“ vor
Laut Uri Shumlak, Chief Scientist und Mitbegründer von Zap Energy, weisen die Messungen darauf hin, dass sich das Plasma in einem thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Dies bedeutet, dass eine Skalierung des Systems in der Theorie möglich ist, ohne dass dabei die Eigenschaften des Plasmas beeinträchtigt werden.
Das Unternehmen Zap Energy: Eine alternative Herangehensweise an die Fusion
Zap Energy wurde mit dem Ziel gegründet, eine kostengünstige, kompakte und skalierbare Fusionslösung zu entwickeln. Im Gegensatz zu anderen Ansätzen, die auf starke Magnetfelder oder leistungsstarke Laser setzen, nutzt Zap das Prinzip des Sheared-Flow-Stabilized Z-Pinch. Dabei werden starke elektrische Ströme durch das Plasma geleitet, wodurch sich ein natürliches Magnetfeld bildet, das das Plasma komprimiert und erhitzt.
Ein entscheidender Vorteil dieses Ansatzes liegt in der Einfachheit des Systems: Es verzichtet auf . Dies verspricht eine erheblich kosteneffizientere Implementierung und schnellere Skalierbarkeit als konventionelle Fusionsreaktoren. Ganz klassisch hingegen ist Zap bei den Brennstoffen unterwegs: hier setzt das Unternehmen auf Deuterium und Tritium.
Wie es funktioniert: Die Wissenschaft des Z-Pinch
Wie es funktioniert: Herstellung eines Z-Pinchs
Die Funktionsweise des Sheared-Flow-Stabilized Z-Pinch
Der Z-Pinch ist eine der ältesten Fusionskonzepte und wurde bereits in den 1950er Jahren erforscht. Dabei wird ein Plasma durch einen starken elektrischen Strom komprimiert, wodurch es sich erhitzt und Fusionsbedingungen erreicht. Allerdings war dieses Konzept lange instabil, da sich magnetische Störungen, sogenannte m = 0 und m = 1 Instabilitäten, entwickelten, die das Plasma aufbrachen.
Die entscheidende Innovation von Zap Energy ist die sheared-flow-Stabilisierung. Dabei wird das Plasma entlang der Achse unterschiedlich schnell bewegt, wodurch sich eine Scherströmung bildet. Diese wirkt als eine Art natürliche Barriere gegen Instabilitäten und verhindert, dass sich das Plasma zu schnell auflöst. In Experimenten mit dem FuZE-Experiment wurde gezeigt, dass dieser Ansatz das Plasma über Hunderte von Mikrosekunden stabilisieren kann – eine drastische Verbesserung gegenüber klassischen Z-Pinch-Experimenten.
Ein weiterer Schlüssel zum Erfolg ist die Kontrolle der Neutronenenergie. Eine kürzlich durchgeführte Untersuchung der Neutronen-Isotropie durch ein Team von Zap Energy konnte zeigen, dass die entstehenden Neutronen nahezu gleichmäßig in alle Richtungen ausgesandt werden. Dies ist ein wichtiger Indikator dafür, dass die Fusion tatsächlich thermisch und nicht durch unerwünschte Strahl-Ziel-Interaktionen entsteht. Die neuesten Ergebnisse belegen, dass die Deuteron-Beschleunigungsenergien unter 7,5 keV liegen – ein weiterer Beweis für die Stabilität des Prozesses.
Wie es funktioniert: Z Pinch Fusion
Meilensteine und technologische Fortschritte von Zap
Bereits 2018 konnte Zap Energy erstmals thermische Fusion nachweisen. Mit dem neuesten Experiment wurde diese Erkenntnis durch präzisere Messungen und bei höheren Energien bestätigt. Die isotrope Neutronenemission belegt, dass der Ansatz tatsächlich auf thermischer Fusion basiert – ein wichtiger Unterschied zu alternativen Konzepten wie dem Dense Plasma Focus, das vorwiegend auf instabiler Strahl-Ziel-Fusion beruht.
Zap Energy hat in den letzten Jahren beachtliche Fortschritte erzielt:
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Oktober 2024: Vorstellung von Century, dem ersten vollintegrierten Prototypen für ein zukünftiges Fusionskraftwerk.
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Juni 2024: Erster erfolgreicher Testlauf mit über 1.000 aufeinanderfolgenden Plasmaentladungen innerhalb weniger Stunden.
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April 2024: Erreichen einer Plasmatemperatur von 37 Millionen Grad Celsius, ein wichtiger Schritt zur netzgebundenen Energieerzeugung.
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2023: Integration eines flüssigen Metallmantels zur Kühlung und Absorption von Neutronen, ein zentraler Aspekt für die spätere Stromerzeugung.
Mit seinem Fortschritt konnte das Unternehmen auch Investoren überzeugen und erhielt im Oktober 2024 frisches Kapital in Höhe von 130 Mio. US-Dollar.
Überblick über ausgewählte Fusionsreaktoren: Wo sie stehen, was sie machen und wie weit sie sind.
Century: Ein Prototyp für die Zukunft der Fusion
Mit der Entwicklung von Century hat Zap Energy den Grundstein für ein funktionierendes Fusionskraftwerk gelegt. Dieses System kann Hochspannungspulse im Zehn-Sekunden-Takt über mehrere Stunden hinweg abgeben, um ein stabiles Plasma zu erzeugen. Das Konzept ähnelt der Funktionsweise eines Verbrennungsmotors, bei dem einzelne Zylinder regelmäßig gezündet werden, um eine kontinuierliche Energieproduktion zu gewährleisten.
Zentrale Merkmale von Century:
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Pulsed-Power-System: Hochspannungsimpulse mit einer Frequenz von 0,1 Hz.
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Flüssigmetall-Kühlung: 70 kg heißes flüssiges Wismut, später über eine Tonne.
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Langzeitbetrieb: Mehrere Stunden kontinuierlicher Plasmaentladungen.
Matthew C. Thompson, Vice President of Systems Engineering bei Zap Energy, hebt hervor, dass das Design darauf abzielt, spezifische Herausforderungen der Fusionstechnik zu bewältigen: der Schutz der Elektroden vor Neutronenfluss und extremer Hitze. Diese Problemstellungen sind entscheidend für die Langlebigkeit eines kommerziellen Reaktors.
Finanzierung und weitere Pläne
Mit der erfolgreichen Series-D-Finanzierung in Höhe von 130 Millionen Dollar hat Zap Energy seine Gesamtmittel auf über 330 Millionen Dollar erhöht. Zu den Investoren gehören unter anderem Soros Fund Management, Breakthrough Energy Ventures und Shell Ventures. Diese Mittel werden genutzt, um das FuZE-System weiterzuentwickeln und in Richtung eines wirtschaftlich nutzbaren Reaktors zu skalieren.
Das Unternehmen ist außerdem Teil des U.S. Department of Energy’s Milestone-Based Fusion Development Program und strebt einen wichtigen Meilenstein für die DOE-Fusionentwicklung an, der bis Ende 2025 erreicht werden soll.
Fazit: Fusion ohne Magnetspulen auf dem Weg zur Realität – aber...
Zap Energy hat mit seinen jüngsten Ergebnissen eindrucksvoll gezeigt, dass ihre Sheared-Flow-Stabilized Z-Pinch-Technologie ein vielversprechender Kandidat für die Fusionstechnologie der Zukunft ist. Durch den Verzicht auf supraleitende Magnete und aufwendige Kühlungssysteme könnte diese Methode nicht nur kosteneffizienter, sondern auch schneller umsetzbar sein als viele andere Konzepte.
Obwohl noch Herausforderungen bestehen – insbesondere im Bereich der Langzeitstabilität und Materialbeständigkeit –, könnte die Fusionstechnologie von Zap Energy ein entscheidender Baustein für die Energieversorgung der Zukunft sein. Die kommenden Monate werden zeigen, ob das Unternehmen seinen ambitionierten Zeitplan einhalten kann und die nächsten wichtigen Meilensteine erreicht.
Steckbrief: Zap Energy
Gründung: 2017
Standort: Everett, Washington, USA
Gründer: Benj Conway, Brian A. Nelson, Uri Shumlak
Mitarbeiter: 150 (inkl. Berater)
Gesamte Finanzierung: 208 Millionen USD
Primärer Markt: Stromerzeugung
Technologie & Ansatz
- Allgemeiner Fusionsansatz: Magnetischer Einschluss
- Spezifischer Ansatz: Sheared-Flow-Stabilized Z-Pinch
- Brennstoff: Deuterium-Tritium (DT)
- Geplante Energiegewinnung: Flüssigmetall mit Wärmetauscher
Aktuelle Entwicklungen & Meilensteine
- Century-Projekt: Erste vollständig integrierte Demonstration für ein Fusionskraftwerk
- Erreichte Plasmaelektronentemperaturen: 3 keV mit gleichzeitiger Neutronenproduktion
- Neutronenausbeute: Über 5 × 10⁹ Neutronen pro Schuss
- Erfolgreiche Tests:
- 100 Stunden kontinuierliche Flüssigmetallzirkulation
- 1.000 Plasmaentladungen mit wiederholter gepulster Stromversorgung
- Zwei neue Hochleistungs-Kondensatorbanken in Betrieb genommen
Zukünftige Pläne & Zeithorizont
- Pilotanlage: Machbarkeitsstudie für den Standort läuft
- Geplante Energieproduktion: Jedes Modul ~50 MWe
- Skalierbare Kraftwerke: Mehrere Module für große Netzkapazitäten
Wichtige Partner & Investitionen
- Forschungskooperationen:
- University of Washington
- Lawrence Livermore National Laboratory
- Los Alamos National Laboratory
- TransAlta
- Jüngste Investitionen:
- Neues Hauptquartier (100.000 sqft) in Everett, Washington
- Erweiterte Testeinrichtungen für gepulste Energie in San Diego
- Erwerb von 500 Tonnen Produktionsanlagen für Kondensatoren & Stromversorgung
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.