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Freistetters Formelwelt: Der lange Weg zu unendlicher Energie

Die erste Kernfusion im Labor fand schon lange vor der ersten Kernspaltung statt. Trotzdem sind wir heute immer noch nicht in der Lage, sie zur Energiegewinnung zu nutzen.
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Der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford beobachtete 1917 bei einem Experiment etwas Seltsames. Er richtete einen Strahl aus Alphateilchen (also die Kerne von Heliumatomen) auf ein Gas und stellte fest, dass dabei Protonen freigesetzt wurden. Allerdings nur, wenn Stickstoff im Gas enthalten war. Das müsse daran liegen, schrieb er 1919 in einem Aufsatz, dass der Stickstoff durch die auftreffenden Alphateilchen zerstört wird und dabei Protonen abstrahlt, die zuvor Teil seines Kerns waren.

Tatsächlich passierte aber etwas ganz anderes. Die abgelaufene Kernreaktion würden wir heute mit dieser Formel beschreiben:

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Kernfusion

Stickstoff verschmilzt mit Helium zu Sauerstoff, und dabei bleibt der Kern eines Wasserstoffatoms, also ein Proton übrig. Bei dieser Kernfusion wird allerdings keine Energie frei; sie verbraucht stattdessen welche, was durch die negativen 1,2 Megaelektronvolt am Ende der Gleichung angezeigt wird. Damit die Kernfusion als Energiequelle genutzt werden kann, braucht es Atome mit geringerer Masse, wie der Astrophysiker Arthur Eddington 1920 spekulierte. Er dachte auch darüber nach, ob die Sterne ihre Energie nicht vielleicht aus der Fusion von Wasserstoff zu Helium beziehen.

Um wirklich zu erklären, was bei solchen Kernreaktionen passiert, musste man erst die Quantenmechanik besser verstehen. Dann aber konnte man auch gezielt darangehen, Atome miteinander fusionieren zu lassen. Das geschah das erste Mal im Jahr 1934, als Rutherford gemeinsam mit seinem Assistenten Mark Oliphant das Wasserstoffisotop Deuterium zu Helium verschmolz und demonstrierte, dass dabei Energie freigesetzt werden kann.

Wenige Jahre später entdeckten Lise Meitner und Otto Hahn, dass Atome auch spaltbar sind, wobei ebenfalls große Mengen an Energie verfügbar werden. Sowohl die Kernspaltung als auch die Kernfusion wurden im und nach dem Zweiten Weltkrieg zum Bau von Massenvernichtungswaffen eingesetzt. Während man die Spaltung von Atomen in Form von Kernkraftwerken jedoch auch einer zivilen Nutzung zugänglich machen konnte, gelingt uns das bei der Kernfusion bis heute nicht.

Angesichts der klimaschädlichen Wirkung der von den fossilen Brennstoffen wie Kohle, Öl und Gas freigesetzten Treibhausgase wird immer wieder auf die diesbezüglichen Vorteile der Kernkraft hingewiesen. Damit könnte der Strom produziert werden, der uns nach dem Wegfall der Kohlekraftwerke fehlen würde und ohne dabei die CO2-Menge in der Atmosphäre zu erhöhen. Dabei wird allerdings das Problem der Endlagerung des Atommülls ebenso ignoriert wie die Gefahr durch potenziell katastrophale Störfälle. Als Alternative bleiben regenerative Energien wie Windkraft oder Solaranlagen. Oder eben die Kernfusion. Was auf natürlichem Weg in Sternen funktioniert, muss theoretisch auch künstlich möglich sein. Doch das Problem ist nicht einfach nur die Durchführung von Kernfusion unter kontrollierten Bedingungen. Das ist seit den ersten Versuchen von Rutherford und Oliphant immer wieder gelungen. Wir bräuchten vielmehr Kraftwerke, in denen die Fusion von Atomen in großem Maßstab abläuft und dabei mehr Energie freisetzt, als zu ihrem Betrieb erforderlich ist.

Fusionskraftwerke sind technisch machbar; so viel haben die bisherigen Experimente ergeben. Ob sie auch wirtschaftlich betrieben werden können, muss sich erst zeigen. Am internationalen Forschungsreaktor ITER wird seit 2007 gebaut, Ergebnisse sind frühestens im nächsten Jahrzehnt zu erwarten; vermutlich noch viel später.

Die Forschung an der Nutzbarmachung der Kernfusion soll und muss definitiv weitergehen. Aber wir sollten uns nicht allzu sehr darauf verlassen, dass sie demnächst alle unsere Energie- und Klimaprobleme lösen wird. Kurzfristig muss unsere Aufmerksamkeit auf jeden Fall den erneuerbaren Energien gelten.

18/2019

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 18/2019

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