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Die Sonne besteht zum grössten Teil aus Wasserstoff, der durch Kernfusion zu Helium verschmolzen wird.
Einstein und die Kernfusion
Ein Anwendungsbeispiel für " E=mc2 " ist die so genannte Kernfusion. Sowohl die Sonne als auch die Wasserstoffbombe erzeugen ihre ungeheure Energie, indem sie Masse verbrennen.
Die beiden Wasserstoffatome, die fusioniert werden, wiegen dabei etwas mehr, als das Endprodukt Helium. Die Massendifferenz entspricht nach Einsteins Formel genau der frei gewordenen Energie.
Ziel der Fusionsforschung: eine umweltverträgliche Energieporduktion
Die Sonnenenergie, d.h. die sichtbare und unsichtbare Lichtenergie, die Wärmeenergie usw. wird von der Sonne durch Kernfusionsprozesse erzeugt. Im Kern der Sonne, wo Temperaturen von über 10 Millionen Grad Celsius herrschen, und eine Druckkraft vorhanden ist, welche etwa 200 Milliarden mal stärker wirkt als der irdische Luftdruck auf Meereshöhe (etwa 1'000 mbar oder 1'000 hPa). Bei diesen extremen Bedingungen läuft im Sonneninnern ein Fusionsprozess ab, welcher riesige Mengen an Energie liefert. Grundlage für diese Energieproduktion ist das Verschmelzen von je Wasserstoffisotopen zu einem Heliumatom. An dieser Reaktion ist sehr wenig radioaktives Material beteiligt. Das Reaktionsprodukt ist nicht radioaktiv. Auf der Sonne verwandeln sich in jeder Sekunde Hunderte von Millionen Tonnen Wasserstoff zu Helium.
Die Wissenschaft versucht seit Jahrzehnten in Fusionsexperimenten die von der Sonne her bekannte Kernfusion in Versuchslaboren nachzuahmen. Ziel der Wissenschaft ist es, künftig riesige Mengen von Energie wesentlich umweltfreundlicher als bisher in Fusionsreaktoren zu produzieren. Aus einem Gramm Wasserstoff könnte theoretisch unter idealen Bedingungen eine Energiemenge erzeugt werden, welche der Verbrennungswärme von rund 11 Tonnen Kohle entspricht.
Mit dem zunehmenden Energiebedarf der Weltbevölkerung wäre ein durchschlagender Erfolge in der Kernfusionsforschung höchst willkommen. Die Herausforderungen, welchen sich Wissenschaftler/innen und Ingenieur/innen beim Bau eines funktionierenden Kernfusionsreaktors stellen müssen, sind enorm. Schritt für Schritt werden unter enormem wissenschaftlichen und finanziellen Aufwand Probleme gelöst.
Eine Fusion von zwei Wasserstoffkernen zu einem Heliumkern ist nur bei einer sehr hohen Temperatur und einem enorm hohen Druck möglich. Die Abstossungskräfte zwischen den Wasserstoffkernen ist sehr stark. Es brauch sehr viel Energie, um diese Abstossung zu vermeiden.
Die Forscherteams haben die Wahl, die experimentelle Fusion entweder unter sehr hohem Druck oder einer sehr hoher Temperatur durchzuführen.
Bei der Trägheitsfusion werden enorm grosse Lichtenergiemengen mit Hochenergielasern auf indirekten Weg auf die Aussenwände einer mit Wasserstoff gefüllte sehr kleinen Kapsel gelenkt. Die Strahlung erzeugt in der Kapsel einen enorm hohen Druck, welche das Brennmaterial implodieren lässt. Für kurze Zeit verschmelzen zwei Wasserstoffkern zu einem Helium. Bei dieser Reaktion entsteht grosse Energiemenge, und ein schnelles Neutronen wird freigesetzt.
Eine zweite Methode um Erforschung der Kernfusionprozesse voranzutreiben, ist Magneteinschlusstechnik. Diese Technik benutzt Plasma, welches auf 150 Millionen Grad Celsius erhitzt wird.
Es gibt zwei Typen von Fusionsanlagen, welche diese Technik verwenden. Der eine Anlagentyp heisst Stellarator, der andere Tokamak. Die beiden Typen von Fusionsanlagen unterscheiden sich in der Art, wie sie das Magnetfeld erzeugen, mit dem das über 100 Millionen Grad Celsius heisse Fusionsplasma eingeschlossen werden muss, weil solche Temperaturen kein Material aushalten würde (siehe: Fusionsanlage Jet stellt Energie-Weltrekord). Die geladenen Teilchen werden durch den Magneteinschluss unter Kontrolle gehalten. Die bei der Kernfusion freigestzten Neutronen, können den Magneteinschluss verlassen und ihre Energie zum Beispiel an Wasser abzugeben.
Der Weg zu einem kommerziell nutzbaren Fusionskraftwerk ist noch lang. Bisher (Stand: Anfang 2023) überstieg bei Fusionsversuchen die total investierte Energie die bei den Fusionsexperimenten erzeugte Energie bei weitem. Bei bisherigen Erfolgsmeldungen (Bsp. im Dezember 2022) wurden Teile der für den Verscuch eingesetzten Energiemenge bei der Energiebilanz nicht berücksichtigt.
Kernspaltung