Energie aus Kernfusion

Die Sonne leuchtet schon seit über vier Milliarden Jahren. Warum das so ist, verstehen wir seit Einstein.

Wenn am Morgen die Sonne aufgeht, erwacht auf unserem Planeten das Leben: Pflanzen strecken ihre Blätter dem Licht entgegen, Tier und Mensch genießen Helligkeit und Wärme. Aber auch jeder, der das Licht einschaltet oder mit dem Auto fährt, ist indirekt auf die Sonne angewiesen: Tatsächlich wird nahezu jegliche Energiequelle, die wir heute nutzen, ursprünglich von der Kraft der Sonne gespeist. Ohne Sonne gebe es keinen Regen und Wind, und damit keine Wind- und Wasserkraft. Unsere fossilen Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas bestehen überwiegend aus Überresten von Pflanzen, die vor Urzeiten aufgrund von Sonnenlicht wachsen konnten.

Seit über 4 Milliarden Jahren liefert die Sonne der Erde tagtäglich eine ungeheure Menge an Wärme und Licht. Die Energie des Sonnenlichts, das auf der Erdoberfläche ankommt, beträgt in etwa das 5000-fache des weltweiten Energieverbrauch – und hier sind bereits alle Energieformen, von Elektrizität bis zu Heizen und Autofahren miteingerechnet.

Die Sonne - brennend wie ein Haufen Kohle? So könnte ein Stern nicht funktionieren.
Quelle: [1]

Die Sonne – ein auskühlender Feuerball?

Doch woher kommt diese gewaltige Menge? Vor etwa hundertfünfzig Jahren glaubten namhafte Wissenschaflter wie der berühmte Lord Kelvin, dass die Sonne einfach seit ihrer Entstehung von einem gewaltigen Wärmereservoir zehrt, wie ein riesiger Haufen glühender Kohle. Einfache Rechnungen zeigten, dass die Sonne in diesem Fall aber nach nur rund zehn Millionen Jahren abkühlen und erlöschen müsste. Daher wurde vielfach angenommen, dass auch die Erde nicht viel älter sein kann.

Geologische Untersuchungen und die Existenz höheren Lebens seit einigen hundert Millionen Jahren deuten aber auf ein viel höheres Alter der Erde hin. Dies war ein wichtiges Indiz, dass es in der Sonne eine Energiequelle geben muss, die es ihr erlaubt, über einige Milliarden Jahre hinweg zu leuchten.

Helium-Atom: Kern mit Protonen/Neutronen und Hülle mit Elektronen. Wasserstoff besteht aus nur einem Elektron und einem Proton im Kern.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts konnten Atomkerne erstmals indirekt beobachtet werden. Außerdem wurden viele neue Elementarteilchen, wie der positiv geladene “Bruder” des Elektrons, das Positron, sowie das exotische Neutrino entdeckt. Damit konnte man letztendlich den Mechanismus der unversiegenden Energiequelle der Sonne verstehen: Sonnenenergie wird durch Kernfusion erzeugt. Zwei oder mehrere Atomkerne mit geringer Masse verschmelzen zu einem “schwereren” Kern.

Energie hat ein Gewicht

Erstaunlicherweise ist aber die Summe der Massen der einzelnen Kerne größer als die Masse des Endprodukts! Haben sich nun Teile des Atomkerns in Luft aufgelöst? Die Erklärung für diese seltsame Tatsache findet sich in den Kernkräften, die den neuen, schwereren Kern zusammenhalten. Wenn man versucht, den Kern aufzubrechen, muss Energie aufwendet werden, um die Kernkräfte zu überwinden. Nach der berühmten Formel von Albert Einstein E=mc² sind Energie und Masse (bis auf einen Umrechnungsfaktor c²) äquivalent. Die Energie selbst hat gewissermaßen ein Gewicht. Fügt man dem Atomkern Energie hinzu, indem man ihn aufspaltet, haben die Teile insgesamt danach auch mehr Masse. Umgekehrt wird genau dieselbe Menge an Energie gewonnen, wenn man den Kern zusammenfügt. Der Energieunterschied E ergibt mit Einsteins Formel den Masseunterschied m.

In der Sonne wird im sogenannte “Proton-Proton Prozess” aus vier Wasserstoffkernen (Protonen) ein Heliumkern gebildet, dabei werden je zwei Positronen und Neutrinos, und Energie freigesetzt. Die Sonne verbrennt pro Sekunde 564 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 560 Millionen Tonnen Helium. Die Differenz von vier Millionen Tonnen pro Sekunde wandelt sie in Energie um. In den mehr als vier Milliarden Jahren seit ihrer Entstehung hat die Sonne etwa 20% ihres Wasserstoffes zu Helium verbrannt. Dabei ist sie kaum leichter geworden: Sie hat bisher etwa 87 Erdenmassen verloren, das ist angesichts der über dreihunderttausend Erdenmassen, die unsere Sonne noch immer wiegt, kaum der Rede wert.

Die Bestandteile haben nicht genau dieselbe Masse wie das Ganze.

Brennend heiß und dicht gepresst

Wenn bei der Kernfusion zwei Atomkerne verschmelzen, müssen sie sich sehr nahe kommen. Die Atomkerne sind allerdings positiv geladen und stoßen sich somit ab. Daher ist die Kernverschmelzung nur bei extrem dichten Material bzw. extrem hohen Temperaturen möglich. Bei Temperaturen von über 15 Millionen Grad Celsius, wie sie im Zentrum unserer Sonne herrschen, bewegen sich die Wasserstoffkerne so schnell, dass sie diese Abstoßung überwinden können und Kernfusion möglich wird. Ähnliche Fusionsprozesse können nicht nur mit Wasserstoffkernen, sondern auch mit Helium oder noch schwereren Atomkernen ablaufen. Dazu muss die Umgebungstemperatur allerdings noch höher sein. Das Endprodukt einer Kette von Energie freisetzenden Fusionsprozessen sind Eisenatomkerne – sie können von Sternen nicht mehr zu noch schwereren Elementen verschmolzen werden. Mit Atomkernen die noch schwerer als Eisen sind - wie zum Beispiel Uran - kann nur durch den umgekehrten Prozess der Spaltung der Kerne Energie gewonnen werden. Dies wird in herkömmlichen Kernkraftwerken oder Kernwaffen ausgenutzt.

Machen wir's der Sonne nach?

Die Energieausbeute pro Kernteilchen ist bei Kernfusion deutlicher größer als bei Kernspaltung. Dies ist nur einer der Gründe warum Wissenschaftler von der Sonne lernen wollen und an kontrollierter, sich selbst erhaltender Kernfusion im Labor auf der Erde arbeiten. Kernfusion wäre deutlich sicherer als herkömmliche Kernkraftwerke, und auch der Rohstoff – im Prinzip Wasser – ist im Vergleich zum leider auch radioaktiven Uran in riesigen Mengen vorhanden. Trotz jahrzehntelanger Forschung ist der endgültige Durchbruch noch nicht geglückt, aber die Idee an sich ist so vielversprechend, dass im Rahmen des internationalen ITER Projekt der Forschung an Kernfusion in den nächsten Jahren ein neuer Impuls gegeben wird.

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