Wie baut man die Sonne auf der Erde nach?
48. Edgar-Lüscher-Seminar befasste sich mit Plasma-Physik und Kernfusion
Moderne Entwicklungen wie künstliche Intelligenz oder Elektromobilität befeuern den Energiehunger der Welt. Eine hoffnungsvolle Antwort darauf nahm man beim Edgar-Lüscher-Seminar am Gymnasium Zwiesel ins Visier. Im Zentrum stand dabei die Frage, wie man die Fusionsprozesse, die in der Sonne ablaufen, auf der Erde technisch nachahmen und aus der Verschmelzung von Deuterium und Tritium zu Heliumkernen Energie gewinnen kann. Nur 2,5 Gramm Deuterium-Tritium-Gemisch können dieselbe Energiemenge freisetzen wie 28 Tonnen Kohle – ohne dabei klimaschädliches CO2 freizusetzen. Grund genug, sich mit der Technologie genauer auseinanderzusetzen.
Acht Spitzenforscher referieren in Zwiesel
Der Ministerialbeauftragte Ltd. OStD Peter Brendel lud deshalb unter dem Motto „Plasma-Physik und Kernfusion“ zur 48. Auflage der traditionsreichen Lehrerfortbildung an das Gymnasium ein. Den wissenschaftlichen Leitern des Seminars, Prof. Winfried Petry und Prof. Peter Müller-Buschbaum, ist es erneut gelungen, acht hochkarätige Sprecher aus der Spitzenforschung nach Zwiesel zu holen, wo sie den interessierten Lehrkräften Einblicke in ihre Arbeit gewährten. Eine Besonderheit war dabei, dass auch zwei Sprecher deutscher Start-up-Unternehmen gewonnen werden konnten, die an der wirtschaftlichen Umsetzung von Kernfusionsreaktoren arbeiten.
Faszinierender Schülervortrag und Einführung in Plasma
Bereits am Freitagvormittag bekamen Schüler aus Zwiesel, Grafenau und Landau einen Einblick in das spannende Thema. Dr. Alf Köhn-Seeman von der Universität Stuttgart gab den potenziellen Forschern der Zukunft eine Einführung in die Plasma-Physik und die Grundlagen der Kernfusionstechnik. Unterstützt wurde er dabei von Dr. Silke Stähler-Schöpf vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Dr. Andreas Kratzer vom Leibniz-Institut für Pädagogik der Naturwissenschaften, die mit anschaulichen und verblüffenden Experimenten beeindruckten. Köhn-Seeman startete dann auch am Nachmittag mit dem ersten Fachvortrag für die Lehrkräfte. Auch sie erhielten zunächst Informationen zum häufig vernachlässigten vierten Aggregatzustand: Plasma. Vereinfacht gesprochen handelt es sich dabei um teilweise ionisierte Gase, die besondere physikalische Eigenschaften zeigen. Um Fusion zu ermöglichen, müssen sich die Teilchen sehr nahekommen – das ist nur bei sehr hohen Temperaturen möglich. Das elektrisch leitfähige Plasma muss dazu auf Temperaturen von bis zu 150 Millionen Grad Celsius erhitzt werden. Diese Temperaturen führen zur ersten Hürde bei der Umsetzung des Prozesses, der in der Sonne von selbst abläuft, auf der Erde: Das Plasma muss von den Reaktorwänden ferngehalten werden.
Fusionsexperimente und Energiebilanz
Einen Ansatz dazu stellte Dr. Gregor Birkenmeier, Leiter der Arbeitsgruppe „Plasmaturbulenzen“ am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, vor. Das heiße Plasma wird in einem Magnetfeldkäfig eingeschlossen und so von den Wänden des Reaktors ferngehalten. Was zunächst simpel klingt, bringt einige Herausforderungen mit sich. Birkenmeier stellte das Tokamak-Prinzip als eine der bereits realisierten Lösungen genauer vor. Bereits 1950 entstand die Idee dazu, und es gelang bald, Plasmen sicher einzuschließen. Als sowohl physikalisch als auch politisch spannendes Großprojekt wurde die im Aufbau befindliche Anlage ITER genauer vorgestellt. Ziel der Großforschungsanlage ist es zu zeigen, dass zum einen ein Dauerbetrieb von Fusionsexperimenten möglich ist und zum anderen eine nennenswert positive Energiebilanz erreicht werden kann. Politische Brisanz entsteht durch die Beteiligung von 37 Nationen, darunter auch Russland.
Star-ups und Firmengeheimnisse
Einen anderen Ansatz zur Realisierung von Fusionskraftwerken stellte Dr. Katinka von Grafenstein am Samstagvormittag vor. Sie beschäftigt sich beim Start-up-Unternehmen Marvel Fusion mit sogenannter Trägheitsfusion. Dabei werden Brennstoffpellets mit ultrakurzen, hochenergetischen Laserpulsen bestrahlt und so komprimiert, dass im Inneren Fusionsprozesse einsetzen. Marvel möchte mit diesem Ansatz wirtschaftliche Nutzbarkeit im Laufe der 2030er-Jahre erreichen. Einen guten Eindruck vom ehrgeizigen Wettrennen um den Durchbruch in Sachen Fusionskraftwerk erhielten die Seminarteilnehmer in der Fragerunde. Gelegentlich konnte Dr. von Grafenstein Fragen nur schmunzelnd mit dem Wort „Firmengeheimnis“ beantworten.
Stellaratoren und Supercomputer
Eine weitere Möglichkeit des magnetischen Plasmaeinschlusses stellte Prof. Ulrich Stroht vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik mit dem Stellarator vor. Magnetischer Einschluss verlangt stets verdrillte magnetische Feldlinien. Der Stellarator setzt dabei auf höchst komplex aufgebaute Magnetfeldspulen. Der große Vorteil dieses Prinzips ist, dass ein stabiler Dauerbetrieb möglich ist. Die große Schwierigkeit bei diesem Reaktortyp liegt im Design der Spulen. Nur mittels Supercomputern können deren Geometrien entwickelt und verbessert werden. Durch die rasant wachsende Leistungsfähigkeit von Computern und KI sind Stellaratoren zu einer echten Alternative zum Tokamak geworden.
Erstes Fusionskraftwerk in Bayern
An diesem Punkt setzte Dr. Jonathan Schilling von Proxima Fusion an. Das Start-up-Unternehmen plant, mit dem Stellaratorprinzip den Durchbruch bei der wirtschaftlichen Nutzung der Kernfusion zu erreichen. Dr. Schilling berichtete den Zuhörern von den Planungen zum ersten Fusionskraftwerk „Stellaris“. Erst kürzlich haben Proxima Fusion, RWE und der Freistaat Bayern eine Vereinbarung unterzeichnet, dass Stellaris als erstes Fusionskraftwerk in Bayern errichtet werden soll.
Plasmen in der Industrie
Der Samstag wurde von Prof. Achim von Keudell von der Ruhr-Universität Bochum beschlossen. Er bewegte sich in seinem Vortrag wieder weg von den heißen Plasmen der Fusion hin zu kalten Plasmen als Schlüsseltechnologie bei Anwendungen wie Materialsynthese oder Oberflächenbearbeitung. Er zeigte, dass Plasmen eine zentrale Rolle in der Industrie spielen – angefangen bei günstigen Kosmetikprodukten bis hin zu mehrere Hundert Millionen Euro teuren Lithografieanlagen zur Herstellung hochmoderner Mikrochips. Aber auch hier gelang der Brückenschlag zur Energiefrage. Von Keudell erklärte den Lehrkräften, dass Plasmatechnologien den Weg zur Energiewende ebnen, da sie CO2-freie Produktionswege ermöglichen.
Von Lithium zu Tritium
Der Seminarsonntag wurde von Dr.-Ing. Thomas Giegerich vom Karlsruher Institut für Technologie eröffnet. Nachdem zwei Tage lang der Frage nachgegangen worden war, wie man Energie aus Fusion gewinnen kann, beschäftigte sich sein Vortrag damit, wie man überhaupt an den Brennstoff für den Betrieb von Fusionsreaktoren gelangen kann. Während Deuterium nahezu unerschöpflich im Meerwasser vorkommt, gibt es weltweit nur etwa drei Kilogramm natürliches Tritium. Giegerich erläuterte, dass man den Ansatz verfolgt, das Tritium in den Fusionsreaktoren selbst aus Lithium zu erbrüten. Dazu muss ein möglichst großer Teil der Reaktorwände mit lithiumhaltigen Brutblankets ausgekleidet werden. Die beim Fusionsprozess freiwerdenden Neutronen sollen dann die Lithiumkerne in Tritium umwandeln. Was zunächst einfach klingt, stellt die Forscher noch vor große Herausforderungen. Den Zuhörern wurde so ersichtlich, dass nicht nur die positive Energiebilanz der Reaktoren eine Schwierigkeit darstellt, sondern insbesondere auch die Beschaffung der Ausgangsstoffe.
Ausblick auf zukünftige Fusionskraftwerke
Den Schlussakkord setzte Dr. Golo Fuchert, der die weite Anreise vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald nach Zwiesel auf sich nahm. Er wagte mit den Physiklehrkräften einen Ausblick darauf, wie ein zukünftiges Fusionskraftwerk aussehen könnte, wenn alle anderen Hürden gemeistert sind. Sein Fazit war, dass es sich dabei sicher um Großkraftwerke handeln wird und nicht um „Balkon-Reaktoren“, da die Effizienz direkt mit der Größe des Kraftwerks skaliert. Dr. Fuchert konnte den Anwesenden aber versichern, dass aktuelle Simulationen zeigen, dass Fusionsreaktoren nicht zu spät kommen werden, um sinnvoll in die Energieinfrastruktur eingebettet zu werden, und dass sie rentabel betrieben werden können.
Dank an Referenten und Sponsoren
Abschließend bedankte sich Prof. Müller-Buschbaum bei allen Teilnehmern für ihr Interesse an der aktuellen Forschung und die Bereitschaft, physikalische Entwicklungen in die Schulen und an die Schülerinnen und Schüler heranzutragen. Er dankte allen Sprechern für ihre engagierten Beiträge, dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik für die Unterstützung bei der Suche nach geeigneten Referenten und dem Gymnasium Zwiesel, das dem Seminar eine Heimat gibt.
Stellvertretend für die Schule bedankte sich StR Stephan Loibl bei den wissenschaftlichen Leitern für die Zusammenstellung des spannenden Vortragsprogramms. Einen herzlichen Dank richtete er an alle Sprecher, die ohne Honorar bereit sind, nach Zwiesel zu kommen und dort interessierten Lehrkräften tiefe Einblicke zu gewähren. Besonders hervorgehoben wurde von Loibl die finanzielle Unterstützung durch die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz in Garching sowie das Sponsoring von Glaspräsenten für alle Sprecher durch Zwiesel Fortessa.
Antworten auf die Energiefragen der Zukunft
Die 48. Auflage des Edgar-Lüscher-Seminars gab allen Teilnehmern einen gelungenen Einblick in den Status quo der heiß diskutierten Fusionstechnologie. Gerade durch die Mischung aus Vertretern der Grundlagenforschung und der Wirtschaft erkannten die Physiklehrkräfte, dass zwar noch einige Hürden zu nehmen sind, die Kernfusion aber eine ernstzunehmende Antwort auf die Energiefrage der näheren Zukunft sein kann. Sicher steht damit noch ein weites Feld für ihre Schülerinnen und Schüler offen, die die Forscher der Zukunft sein können.
(Stephan Loibl)