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Der italienische Ölkonzern Eni investiert 50 Millionen US-Dollar in Commonwealth Fusion Systems, ein Spin-off des MIT, das gemeinsam mit dem Institut an der Entwicklung supraleitender Magnete zur Erzeugung CO₂-freier Energie im Rahmen des Fusionskraftwerks SPARC arbeitet. Julian Turner spricht mit CEO Robert Mumgaard über die Details.
Tief in den ehrwürdigen Hallen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) vollzieht sich eine Energierevolution. Nach jahrzehntelangen Fortschritten glauben Wissenschaftler, dass die Fusionsenergie endlich ihren Durchbruch feiern wird und der heilige Gral unbegrenzter, verbrennungsfreier und CO₂-neutraler Energie in greifbarer Nähe sein könnte.
Der italienische Energieriese Eni teilt diesen Optimismus und investiert 50 Millionen Euro (62 Millionen US-Dollar) in ein Gemeinschaftsprojekt mit dem Plasma Fusion and Science Center (PSFC) des MIT und dem privaten Unternehmen Commonwealth Fusion Systems (CFS), das darauf abzielt, die Fusionsenergie in nur 15 Jahren ins Stromnetz zu bringen.
Die Kontrolle der Kernfusion, des Prozesses, der Sonne und Sterne antreibt, wird durch das uralte Problem behindert: Zwar werden dabei riesige Energiemengen freigesetzt, doch kann dieser Prozess nur bei extremen Temperaturen von Millionen Grad Celsius durchgeführt werden – heißer als im Zentrum der Sonne und zu heiß, als dass irgendein fester Stoff dieser Temperatur standhalten könnte.
Aufgrund der Herausforderung, Fusionsbrennstoffe unter diesen extremen Bedingungen einzuschließen, arbeiten Fusionskraftwerke bis jetzt mit einem Defizit, erzeugen weniger Energie als zur Aufrechterhaltung der Fusionsreaktionen erforderlich ist und können daher keinen Strom für das Stromnetz produzieren.
„Die Fusionsforschung wurde in den letzten Jahrzehnten intensiv betrieben, was zu Fortschritten im wissenschaftlichen Verständnis und in den Technologien für die Fusionsenergie geführt hat“, sagt Robert Mumgaard, CEO von CFS.
„CFS kommerzialisiert die Fusion mithilfe des Hochfeldansatzes. Wir entwickeln neue Hochfeldmagnete, um kleinere Fusionsanlagen herzustellen, wobei wir denselben physikalischen Ansatz wie die größeren staatlichen Programme verfolgen. Zu diesem Zweck arbeitet CFS eng mit dem MIT in einem gemeinsamen Projekt zusammen, das mit der Entwicklung der neuen Magnete beginnt.“
Das SPARC-Gerät nutzt starke Magnetfelder, um das heiße Plasma – eine gasförmige Mischung aus subatomaren Teilchen – an Ort und Stelle zu halten und so zu verhindern, dass es mit irgendeinem Teil der ringförmigen Vakuumkammer in Kontakt kommt.
„Die größte Herausforderung besteht darin, ein Plasma unter Bedingungen zu erzeugen, unter denen Fusion stattfinden kann, sodass es mehr Energie erzeugt als es verbraucht“, erklärt Mumgaard. „Dies beruht maßgeblich auf einem Teilgebiet der Physik, der sogenannten Plasmaphysik.“
Dieses kompakte Experiment ist darauf ausgelegt, in zehnsekündigen Impulsen rund 100 MW Wärme zu erzeugen – so viel Energie, wie eine Kleinstadt verbraucht. Da es sich bei SPARC jedoch um ein Experiment handelt, werden keine Systeme zur Umwandlung der Fusionsenergie in Strom integriert.
Die Wissenschaftler am MIT gehen davon aus, dass die Energieausbeute mehr als doppelt so hoch sein wird wie die zum Erhitzen des Plasmas benötigte Energie. Damit wird der ultimative technische Meilenstein erreicht: eine positive Nettoenergie aus der Fusion.
„Die Fusion findet innerhalb eines Plasmas statt, das durch Magnetfelder zusammengehalten und isoliert wird“, erklärt Mumgaard. „Man kann sich das wie eine Magnetflasche vorstellen. Die Stärke des Magnetfelds hängt eng mit der Fähigkeit der Magnetflasche zusammen, das Plasma so zu isolieren, dass es Fusionsbedingungen erreichen kann.“
„Wenn wir also starke Magnete herstellen können, können wir Plasmen erzeugen, die mit weniger Energieaufwand heißer und dichter werden. Und mit besseren Plasmen können wir die Geräte kleiner und handlicher gestalten und entwickeln.“
„Mit Hochtemperatur-Supraleitern verfügen wir über ein neues Werkzeug zur Erzeugung sehr starker Magnetfelder und damit über bessere und kleinere magnetische Behälter. Wir glauben, dass uns dies schneller zur Kernfusion führen wird.“
Mumgaard spricht von einer neuen Generation von supraleitenden Elektromagneten mit großem Bohrungsdurchmesser, die das Potenzial haben, ein Magnetfeld zu erzeugen, das doppelt so stark ist wie das in bestehenden Fusionsexperimenten verwendete, wodurch eine mehr als zehnfache Steigerung der Leistung pro Größe ermöglicht wird.
Die neuen supraleitenden Magnete, die aus mit einer Verbindung namens Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) beschichtetem Stahlband hergestellt werden, werden es SPARC ermöglichen, eine Fusionsleistung von etwa einem Fünftel derjenigen von ITER zu erzeugen, jedoch in einem Gerät, das nur etwa 1/65 des Volumens aufweist.
Durch die Reduzierung von Größe, Kosten, Zeitaufwand und organisatorischer Komplexität beim Bau von Fusionsenergieanlagen ermöglichen YBCO-Magnete auch neue akademische und kommerzielle Ansätze für die Fusionsenergie.
„SPARC und ITER sind beides Tokamaks, eine spezielle Art von Magnetflasche, die auf der umfangreichen Grundlagenforschung zur Plasmaphysik der letzten Jahrzehnte basiert“, erklärt Mumgaard.
„SPARC wird die nächste Generation von Hochtemperatur-Supraleitermagneten (HTS) nutzen, die ein wesentlich höheres Magnetfeld ermöglichen und somit die angestrebte Fusionsleistung bei wesentlich kleinerer Größe erzielen.“
„Wir glauben, dass dies ein Schlüsselelement sein wird, um die Kernfusion in einem klimarelevanten Zeitrahmen zu erreichen und ein wirtschaftlich attraktives Produkt zu schaffen.“
Was die Zeitrahmen und die wirtschaftliche Machbarkeit betrifft, so ist SPARC eine Weiterentwicklung eines Tokamak-Designs, das seit Jahrzehnten erforscht und verfeinert wird, einschließlich der Arbeiten am MIT, die in den 1970er Jahren begannen.
Das SPARC-Experiment hat zum Ziel, den Weg für das weltweit erste echte Fusionskraftwerk mit einer elektrischen Kapazität von rund 200 MW zu ebnen, vergleichbar mit der Leistung der meisten kommerziellen Kraftwerke.
Trotz weit verbreiteter Skepsis gegenüber der Fusionsenergie – Eni verfolgt die zukunftsorientierte Vision, als erstes globales Ölunternehmen massiv in sie zu investieren – glauben Befürworter, dass die Technik potenziell einen erheblichen Teil des weltweit wachsenden Energiebedarfs decken und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen drastisch reduzieren kann.
Die durch die neuen supraleitenden Magnete ermöglichte kleinere Dimensionierung eröffnet potenziell einen schnelleren und kostengünstigeren Weg zur Stromerzeugung aus Fusionsenergie im Stromnetz.
Eni schätzt die Entwicklungskosten für einen 200-MW-Fusionsreaktor bis 2033 auf 3 Milliarden US-Dollar. Das ITER-Projekt, eine Kooperation zwischen Europa, den USA, China, Indien, Japan, Russland und Südkorea, hat bereits mehr als die Hälfte seines Ziels erreicht: den ersten Test mit überhitztem Plasma bis 2025 und die erste Fusion mit voller Leistung bis 2035. Das Budget beträgt rund 20 Milliarden Euro. Wie SPARC ist auch ITER so konzipiert, dass es keinen Strom erzeugt.
Da sich das US-Stromnetz von monolithischen 2-GW- bis 3-GW-Kohle- oder Kernspaltungskraftwerken hin zu Kraftwerken im Bereich von 100-MW bis 500 MW entwickelt, stellt sich die Frage: Kann Fusionsenergie auf einem hart umkämpften Markt bestehen – und wenn ja, wann?
„Es gibt noch Forschungsbedarf, aber die Herausforderungen sind bekannt, neue Innovationen weisen den Weg zur Beschleunigung der Dinge, neue Akteure wie CFS bringen einen kommerziellen Fokus in die Problematik ein und die Grundlagenforschung ist ausgereift“, sagt Mumgaard.
„Wir glauben, dass die Fusion näher ist, als viele denken. Seien Sie gespannt.“ jQuery( document ).ready(function() { /* Firmenkarussell */ jQuery('.carousel').slick({ dots: true, infinite: true, speed: 300, lazyLoad: 'ondemand', slidesToShow: 1, slidesToScroll: 1, adaptiveHeight: true }); });
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Veröffentlichungsdatum: 18. Dezember 2019