Die "dumme Maschine", die ein Durchbruch in der sauberen Energie verspricht

"Ich erinnere mich, dass einige Leute sagten, dass der Ort, an dem Proxima heute ist, unmöglich sei", sagt Francesco Sciortino, Mitbegründer und CEO von Proxima Fusion.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass die Wissenschaftler und Ingenieure, die an Kernfusionprojekten auf der ganzen Welt arbeiten, beschuldigt werden, das Unmögliche zu versuchen.

Schließlich versuchen sie, auf der Erde die Reaktion einzufangen, die die Sonne antreibt.

Ein Erfolg könnte reichlich, billig und emissionsfrei Strom bedeuten. Aber die Herausforderungen sind gewaltig, und ein funktionierendes Kraftwerk ist noch in weiter Ferne.

Fusion ist der Prozess des Verschmelzens von Wasserstoffkernen, wodurch enorme Energiemengen freigesetzt werden.

Auf der Sonne helfen riesige Gravitationskräfte, die Reaktion am Laufen zu halten.

Um die Fusion hier auf der Erde aufrechtzuerhalten, sind extrem hohe Temperaturen – viele Male so hoch wie auf der Sonne – erforderlich.

Also wird ein Brennstoff (normalerweise eine Kombination der Wasserstoffisotope Tritium und Deuterium) so lange erhitzt, bis er ein glühend heißes Plasma wird, das dann gezündet und manipuliert werden muss, um die Fusion zu zünden.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dies zu tun, und Proxima Fusion in Deutschland versucht einen Ansatz, der selbst nach den extremen Standards der Fusionsindustrie als schwierig gilt.

Ein gängiger Ansatz für die Fusion ist der Bau eines Tokamaks. Es handelt sich um ein donutenförmiges Gerät, das leistungsstarke Magnete verwendet, um das Plasma einzuschließen.

Aber Proxima mit Sitz in München arbeitet an einem Stellarator. Es verwendet ebenfalls Magnete, um das Plasma zu manipulieren, aber der Reaktionsbehälter hat eine kompliziertere Form, mit Drehungen und Wendungen, was ihn viel schwieriger und teurer macht.

Warum geht man also diesen qualvollen Weg?

Nun, wenn das Design funktioniert, machen die Drehungen und Wendungen eines Stellarators das glühend heiße Plasma leichter zu kontrollieren als beim rivalisierenden Tokamak-Design, sagt Sciortino.

Beim Vergleich der beiden Systeme sagt er, dass ein Tokamak ein "Ungeheuer" ist, während der Stellarator eine "kleine Katze" ist.

"Ein Stellarator ist eine Sache, die objektiv sehr schwierig zu entwerfen und objektiv sehr schwierig zu bauen ist. Aber wenn man es schafft, ist es eine dumme Maschine... genau wie eine Mikrowelle", sagt Sciortino.

Proximas "dumme Maschine" wird ein Stellarator namens Alpha sein. Er wird auf jahrzehntelanger Arbeit des Max-Planck-Instituts für Plasma Physik und seines Stellarators W7-X aufbauen.

Das Ziel von Alpha ist es, mehr Energie zu erzeugen, als er für den Betrieb benötigt, und die gewonnenen Erkenntnisse helfen bei der Entwicklung eines noch fortschrittlicheren Geräts – einem Fusionskraftwerk namens Stellaris.

Zuerst benötigt Alpha jedoch viel Investitionen, die derzeit gesammelt werden. Proxima hat kürzlich 400 Millionen Euro (340 Millionen Dollar) vom Freistaat Bayern gewonnen und bewirbt sich um mehr als eine Milliarde Dollar an Fördermitteln von der Bundesregierung – eine Entscheidung wird im nächsten Jahr erwartet.

Proxima rast gegen andere Gruppen, die Fusions-Technologie entwickeln – 53 laut der Fusion Industry Association (FIA), die die Fusionsindustrie vertritt und Entwicklungen verfolgt.

Ein Projekt, das den Tokamak-Ansatz verwendet, ist Step (Spherical Tokamak for Energy Production) mit Sitz in Großbritannien.

Mit Unterstützung der britischen Regierung ist der Plan, ein Prototypkraftwerk auf dem Gelände eines ehemaligen Kohlekraftwerks in West Burton, Yorkshire, zu bauen.

"Tokamaks haben den Vorteil einer tiefen experimentellen Grundlage, die sich über Jahrzehnte aufgebaut hat. Sie haben eine Plasma-Leistung gezeigt, die näher an dem liegt, was für ein Fusionskraftwerk erforderlich ist, einschließlich des Betriebs mit Fusionsbrennstoff", sagt Ryan Ramsey, der Director of Organisational Performance bei Step und ehemals Kapitän des Atom-U-Boots HMS Turbulent.

Und bei dieser Art von Fusion sollten die teuren und leistungsstarken Magnete relativ einfach zu bauen sein.

"Sie [Tokamaks] profitieren von vergleichsweise einfacher magnetischer Geometrie, mit weniger und regelmäßigeren Spulen. Das hat echte Auswirkungen auf die Herstellbarkeit, Wartbarkeit und die Kosten", sagt Ramsey.

Sciortino ist sich der Herausforderungen, die Proxima bevorstehen, bewusst. Er "verliert den Schlaf" darüber, ob Proxima die Magnete mit ihren komplizierten Formen zu einer Geschwindigkeit und zu einem Preis bauen kann, der den Stellarator wirtschaftlich rentabel macht.

"Der erste Magnet, den wir herstellen, wird sehr kompliziert und sehr teuer sein. Aber können wir ihn schneller herstellen, als die Leute erwarten würden, und können wir die Kosten senken?", fragt Sciortini.

Zu ihren Gunsten spricht Deutschlands Expertise in der Fertigung. Sciortino nennt beispielsweise die beeindruckende Anzahl von Arbeitern, die CNC-Maschinen bedienen können – eine Art von computergesteuerter Werkzeugmaschine, die Materialien wie Holz, Metall oder Kunststoff schneiden, schnitzen oder formen kann.

Sciortino schätzt, dass es in Deutschland 550.000 CNC-Maschinisten gibt, im Vergleich zu 350.000 in den gesamten USA.

Das ist wichtig für Proxima, das einen sehr teuren Stahltyp in seinen Magneten verwendet, der mit hoher Genauigkeit bearbeitet werden muss.

Während hohe Präzisionsniveaus aufrechterhalten werden, ist es für Sciortino entscheidend, das Entwicklungstempo aufrechtzuerhalten.

Für den W7-X benötigte es mehr als ein Jahrzehnt, bis er betriebsbereit war – er will Alpha in einem Drittel dieser Zeit in Betrieb nehmen.

Daher wird ein Prototyp-Magnetspule gerade gebaut, und der Plan ist, ihn nächstes Jahr zu testen.

Seine verdrehte Geometrie macht ihn zu einem der komplexesten Magnete der Welt, so Proxima.

Sobald die Tests abgeschlossen sind, wird Proxima weitere 40 Magnetspulen bauen, die in seine Alpha-Maschine eingebaut werden.

Um dies zu tun, wird ein Magnetwerk in der Frühphase des Baus errichtet.

"Im Jahr 2028, 2029 müssen wir in der Lage sein, Magnete in einem verrückten, verrückten Tempo herzustellen", sagt Sciortino.

Die Arbeit beschränkt sich nicht nur auf Deutschland. Sciortino sagt, dass es in ganz Europa wichtige Zulieferer gibt, was bedeutet, dass Europa möglicherweise an der Spitze einer zukünftigen Fusionsindustrie stehen wird.

"Wir [Europäer] haben die digitale Welle verpasst, nicht wahr? Aber es stellt sich heraus, dass wir immer noch Menschen haben, die in der Fertigung ausgebildet werden", sagt er.

Bei Step betont Ramsey, dass die Fusionsindustrie weit über ein Physikexperiment hinaus ist.

"Derzeit gibt es einen echten Schwung in der Fusionsindustrie, und das sollte als Stärke und nicht als etwas angesehen werden, das spaltet. Dies ist kein Rennen mit einem einzigen Pfad, sondern eine Reihe von Ansätzen, die unterschiedliche Kompromisse eingehen. Die eigentliche Frage ist jetzt nicht, welches Konzept am interessantesten ist, sondern welches glaubwürdig ein Kraftwerk liefern kann."